Institutsteil »Integrated Silicon Systems« (ISS)

Fraunhofer IPMS - Institutsteil »Integrated Silicon Systems« (ISS)

Das Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS betreibt in der Lausitz seit 2012 erfolgreich in vielfältigen Kooperationen mit regionalen Partnern Forschung und Entwicklung. Dabei setzt das Institut mit dem in Cottbus ansässigen Institutsteil „Integrierte Siliziumsysteme ISS“ gemäß dem Selbstverständnis der Fraunhofer-Gesellschaft auf den Transfer von Entwicklungen und Innovationen anwendungsorientierter Forschung in die Wirtschaft sowie eine starke Vernetzung der Akteure. Dabei liefert das Institut in enger Kooperation mit Wirtschaft und Wissenschaft, insbesondere mit der Brandenburgischen Technischen Universität Cottbus-Senftenberg (BTU C-S), entscheidende Impulse für die Lausitz mit dem Ziel, zur nachhaltigen, regionalen Wertschöpfung und einer leistungsfähigen Wirtschaftsregion beizutragen.

Fraunhofer in der Lausitz

Die enge Verbindung des Fraunhofer IPMS mit der Brandenburgischen Technischen Universität Cottbus-Senftenberg (BTU C-S) ist über Jahre gewachsen. Institutsleiter Harald Schenk hat die Professur „Mikro- und Nanosysteme“ an der BTU C-S inne und betreibt dort Forschung und Lehre auf dem Gebiet siliziumbasierter MEMS-Bauelemente und darauf aufbauender Systeme. In einem engen Schulterschluss entstand so 2012 die Fraunhofer-Projektgruppe MESYS. Unter anderem auf deren Erfolgen aufbauend wurde 2018 der Institutsteil des Fraunhofer IPMS in Cottbus gegründet. In der Ausgründung Arioso Systems GmbH mit Betriebsstätten in Dresden und Cottbus wird die von MESYS entwickelte Technologie für die Produktentwicklung miniaturisierter Lautsprecher genutzt.

Eine weitere Aktivität des Fraunhofer IPMS in der Lausitz ist der „Innovationscampus Elektronik und Mikrosensorik Cottbus“ (iCampµs), eine Forschungskooperation gemeinsam mit den vier Partnern BTU Cottbus-Senftenberg, IHP – Leibniz-Institut für innovative Mikroelektronik, Ferdinand-Braun-Institut- Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) und Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration (IZM). Ziel von iCampµs ist es, vorhandene, verwertungsnahe Ergebnisse gemeinsam in Richtung potentieller Produkte weiterzuentwickeln, insbesondere sensorische Systeme für Anwendungen aus den Bereichen Industrie 4.0, Landwirtschaft 4.0 und Smart Health. Durch die Forcierung des Transfers von F&E-Ergebnissen will der Campus einen Beitrag leisten, die Innovations- und Wettbewerbsfähigkeit regionaler Unternehmen, der Forschungseinrichtungen und der Region Lausitz insgesamt zu steigern und Arbeitsplätze im Hochtechnologiesektor zu schaffen.

Zu den weiteren gemeinsamen Aktivitäten gehören u. a. Fraunhofer-Projektgruppen zur Vorentwicklungen für Technologien, Verfahren, Bauelemente und Systeme, für die in den nächsten 6-10 Jahren ein Bedarf seitens der Industrie entstehen wird und der Innovation Hub 13 mit einem Fokus auf der Vernetzung der Akteure und der Schaffung von Strukturen, die den Transfer von Wissen und Technologien begünstigen.

Sensoren und Aktoren

Für weitere Informationen zu den Technologien am Institutsteil ISS klicken Sie bitte die jeweiligen Kacheln an.

Komponenten & Systeme

Ultraschallsensoren

Komponenten & Systeme

Chemische Sensoren

Komponenten & Systeme

Optische Sensoren

Komponenten & Systeme

Elektrische Sensoren

Komponenten & Systeme

NED-basierter mikromechanischer Ultraschallwandler (NEDMUT)

Komponenten & Systeme

Mikromechanische Ultraschallwandler (CMUT)

Am Institutsteil Integrated Silicon Systems ISS in Cottbus bieten wir neueste Forschung auf dem aktuellsten Stand der Technik im Bereich mechanische und elektrische Charakterisierung einschließlich dynamischer Tests von Mikrobauteilen, der elektrostatischen Aktoren, insbesondere für Mikrofluidanwendungen, und Terahertz-Mikromodule an.

Der Institutsteil verfügt über mehre Labore an der Brandenburgischen Technischen Universität Cottbus-Senftenberg (BTU C-S), die zur Charakterisierung von Bauelementen und Subsystemen mit modernstem Messequipment ausgerüstet sind. Dazu werden Teile der Laborinfrastruktur in Reinraumumgebung versetzt. Das Messequipment dient der Charakterisierung optischer, elektrischer und mikrofluidischer Eigenschaften von Bauelementen. Dazu stehen u.a. ein digital-holografisches Mikroskop, ein Infrarotmikroskop, ein Terahertzsystem sowie vielfältige elektrische Messtechnik und in Kürze ein Rasterelektronenmikroskop bereit. Mit einem „Zwei-Photonen-Lithographiesystem“ mit bis zu 300nm Voxelgröße können Anpassungen in Form eines Rapid Prototyping an Mikrosensoren und Mikroaktoren vorgenommen werden.

Wir sind in der Lage, folgende Messungen und Dienstleistungen sowohl auf Wafer-Level sowie am einzelnen Bauteil durchzuführen: 

Digitales Holografisches Mikroskop (DHM)

Das Digitale Holografische Mikroskop (DHM) erfasst die gesamte Topografieinformation einer mikroskopischen Probe innerhalb einer Einzelbildaufnahme mit einer Höhenauflösung bis zu 0.2 nm (ca. zwei Atomlagen). So können schnelle Schwingungen nanometergenau erfasst und in 3D abgebildet werden. Typische Materialien sind: Metalle, Silizium, Gläser (z.B. optische Linsen), Silizium, abgeschiedene Schichten auf Substraten etc. Vermessen werden einzelne Chips sowie ganze Wafer.

Infrarot-Mikroskop mit Lock-In Thermografie

Mit dem Infrarot-Mikroskop mit Lock-InThermografie können lokale Hotspots bis zu 0,001°C registriert werden, was für die Thermoanalyse der verkapselten MEMS-Chips genutzt wird. Typische Proben sind: Halbleiterbauelemente, Leiterplatten (PCB), elektronische Schaltungen, MEMS-Elemente, einzelne Chips sowie ganze Wafer.

Zwei-Photonen-Lithographie

Unser hochauflösender 3D-Drucker für schnelle Mikrofabrikation verwendet eine Zwei-Photonen-Polymerisation, um Strukturen nahezu jeder dreidimensionalen Form mit glatten Oberflächen zu erzeugen, die für optische Anwendungen geeignet sind.

Finanzierung

Der Aufbau der Infrastruktur wurde vom 14.10.2016 – 30.04.2019 durch den Fond für regionale Entwicklung der Europäischen Union (EFRE) und Förderung der Infrastruktur für Forschung, Entwicklung und Innovation (InfraFEI) unterstützt.

Motivation

Dieses Projekt dient der Finanzierung der Infrastruktur in der Konrad-Zuse-Straße 1, 03046 Cottbus 

Ansatz

Das InfraFEI-Projekt dient der Projektgruppe Mesoskopische Aktoren und Systeme (MESYS) des Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS in Zusammenarbeit mit der Professur für Mikro- und Nanosysteme der Brandenburgischen Technischen Universität Cottbus-Senftenberg (BTU C-S) zur gerätetechnischen Unterstützung bei der Erforschung elektrostatischer Mikroaktoren, den sogenannten „Nano Electrostatic Drives“ (NED). Zu Beginn des Berichtszeitraums wurde durch die erfolgreiche Evaluierung der Projektgruppe MESYS das Geschäftsfeld „Monolithisch integrierte Aktor- und Sensorsysteme“ (MAS) am Institutsteil IPMS-ISS in Cottbus gegründet. Das Geschäftsfeld MAS führt die Arbeiten der Projektgruppe MESYS inhaltlich fort.

Die NED-Aktoren sollen in Mikrofluidiksystemen für Mikropumpen, Mikroventile und Mikrodosiersysteme sowie in Mikropositioniersystemen eingesetzt und weiterentwickelt werden.Die damit verbundenen messtechnischen Herausforderungen bedürfen neben der bereits vorhandenen Ausstattung weitere messtechnische Ausrüstungen. Diese werden durch das Investitionsprojekt "MESYS Infrastruktur" finanziert.

 

Mit Unterstützung des Projektes wurden folgende Geräte angeschafft:

Position 1: „IR-Mikroskop (inkl. Software)“

Das Infrarotmikroskop dient dem Projekt einerseits zur Identifizierung von Defekten, wie z. B. Kurzschlüssen, und andererseits der Beurteilung von Aktorbewegungen und Materialstömungen, also Strukturen und Vorgänge, welche sich an vergrabenen oder gekapselten Orten des Silizium-Chips abspielen. Dazu werden die Pumpen und Ventile elektrisch angesteuert und ihr Wärmebild analysiert. 

Position 2: „Mikromanipulatoren“

Die Mikromanipulatoren werden insbesondere zur elektrischen Kontaktierung der Ventile und Pumpen in der Testphase unter dem IR-Mikroskop oder dem Micro-PIV (Micro Particle Imaging Velocimitry) verwendet.

Position 3: „Graphic-Processor-Unit (GPU)“

Die Graphic-Processor-Unit dient der Beschleunigung der Fluidik-Simulationen mit der Simulationssoftware ANSYS auf einem Computer. 

Position 4: „Micro-PIV“

Das Micro-PIV (Micro Particle Imaging Velocimitry) wird genutzt, um die Geschwindigkeitsverteilung eines strömenden Materials in einem Mikrokanal zu ermitteln. Anhand dieser Daten kann nicht nur die Flussrate bestimmt, sondern insbesondere auch die Kanalgeometrie optimiert werden.

Position 5: „Source Measure Unit (SMU)“

Eine Source-Measure-Unit (SMU) misst hoch präzise die elektrische Spannungs-Strom-Kennlinie der Pumpen und Ventile. Dies ermöglicht uns u.a. die Einschätzung von Herstellungsprozessschwankungen und das Auffinden etwaiger elektrischer Schwachstellen und Kurzschlüsse. 

Die SMU der Serie B2900A von Keysight haben eine breite Spannungs- (210 V) und Strom- (3 A dc und 10,5 A gepulst) Sourcing-Fähigkeit, ausgezeichnete Präzision (mindestens 10 fA/100 nV Sourcing- und Messauflösung) und verfügen über eine überlegene grafische Farb-LCD Benutzeroberfläche. Zusätzlich verbessern mehrere aufgabenorientierte Anzeigemodi die Produktivität erheblich für Prüfung, Debugging und Kennzeichnung. Die B2900A bietet ausgezeichneten Messungs-Durchsatz und unterstützt den konventionellen SMU SCPI-Befehlssatz für einfache Testcode-Migration. Diese Funktionen erhöhen die Produktivität beim Testen und senken die Betriebskosten bei der Integration der SMU in Systeme für Produktionstests. B2900A Messgeräte sind besonders geeignet für Fertigungsprüfungen von Bauteilen (z. B. LEDs, Solarmodule) und werden häufig bei IV-Tests der Herstellung von elektronischen Modulen und Untersystemen eingesetzt. Die Serie B2900A besteht aus vier Modellen: B2901A (888-2355); B2902A (888-2358), B2911A (888-2352) und B2912A (888-2361); sie unterscheiden sich in ihren Messspezifikationen und in der von der Anzahl der jeweils unterstützten SMU Kanäle (1 oder 2). Dies erleichtert die Auswahl der besten Preis/Leistungs-Option für die spezifischen Prüfungsanforderungen des jeweiligen Benutzers.

  • Unterstützt Ein-Kanal Konfiguration
  • Mindest-Quellenauflösung 1 pA/1 μV, Mindest-Messauflösung 100 fA/100 nV
  • Maximale Ausgangsleistung: 210 V, 3 A dc/10,5 A Impuls
  • Arbiträrsignalgenerations- und Digitalisierungsfähigkeiten ab 20 μs-Intervall
  • Integrierte 4-Quadranten-Quell- und Messmöglichkeiten
  • 4,3-Zoll-Farbdisplay unterstützt grafische und numerische Anzeigemodi
  • Anwendungssoftware zur Vereinfachung der PC-basierten Gerätesteuerung
  • Hoher Durchsatz und SCPI-Unterstützung von herkömmlichem SMU Befehlssatz

Position 6: „Kapazitätsmessgerät (LCR)“

Das Kapazitätsmessgerät erlaubt die Bestimmung der elektrischen Impedanz der Ventile und Pumpen. Dieser Wert gestattet u.a., Aussagen über die elektronische Ansteuerung der mikrofluidischen Bauelemente zu treffen. 

  • Test Frequenzbereich:10Hz bis 2 kHz (Genauigkeit: ± 0.01%, Auflösung: 4 Digits
  • Testfrequenz ist fortlaufend über gesamten Frequenzbereich oder ein Frequenzpunkt
  • 10 anwendungsspezifische Testparametersets lassen sich speichern und fortlaufend aufrufen
  • Grundgenauigkeit: 0.05% 
  • Maximale Messgeschwindigkeit: 25ms 
  • Kombination von 16 Haupt- und Neben-Parameter-Messungen und zusätzliche Überwachung von zwei Parametern. Maximal können auf dem Display 4 unterschiedliche Parameter gleichzeitig dargestellt werden. 
  • DC-Widerstandsmessung und interne DC-Spannungsquelle mit ± 2,5 V
  • PASS/FAIL Entscheidungen
  • Automatische Pegelkontrolle (Auto Level Control / ALC) 
  • BIN–Funktion bietet 9BIN und 1AUX, insgesamt 10 BIN, entspricht Bauteilesortierung in 10 Klassen 
  • 10 Stufen für Testabfolgen, wobei 10 Testparametersätze wie Frequenz, Spannung und Strom eingestellt und gespeichert werden können. 
  • Farb-LCD-Display: 8,9 cm-Diagonale, (3,5 Zoll)
  • Standard Interface: RS-232C, USB-Speicher und Handler-Interface

Position 7: „Mikrofluidik Ausstattung“

Bei der mikrofluidischen Ausstattung handelt es sich um Geräte und Sensoren für die kontrollierte Bereitstellung der zu pumpenden oder zu steuernden Medien (Flüssigkeiten und Gase). Die Sensoren dienen zur Bestimmung von Flussraten und Drücke.

Dieser Sensor-Leser erreicht eine 11 Bits-Auflösung mit einer Abtastrate von bis zu 100 kHz und einem Sub-Auflösungsrauschen für Genauigkeitsstufen bei Sensormessungen bis zu 0,05% der vollen Skala und Reaktionszeiten bis zu 0,1 ms.

  • Abtastrate bis 10 kHz
  • Auflösung: 11 Bits (2048 cts)
  • 3 Bereiche: 0-1 V, 0-5 V, 0-10V
  • Kompatibel mit anderen Elveflow-Instrumenten
  • Messgeräusch unter Auflösung
  • Rauschunterdrückung mit einem 60-Grad-Tiefpassfilter 3. Ordnung

Position 8: „Hochvoltansteuerungen“

Die elektrostatischen NED-Antriebe der Pumpen und Ventile arbeiten mit höheren Steuerspannungen, so dass zu ihrem experimentellen Betrieb eine steuerbare Hochvoltansteuerung genutzt wird. 

Position 9: „FPGA- / DSP–Station“

Die FPGA- / DSP-Station dient im Projekt dem Austesten einer Ansteuerelektronik, bevor sie als Siliziumstruktur in die Mikropumpe bzw. ins Mikroventil integriert wird. 

Position 10: „DAQ-Einheiten“

Data-Aquisitions-Einheiten (DAQ-Einheiten) werden zur computergestützten Signalerzeugung und zur Datenerfassung bei einer Vielzahl von Experimenten benutzt. 

  • 8 Analogeingänge (14 bit Auflösung, 20 kS/s), 2 Analogausgänge (14 bit, 5 kS/s pro Kanal), 13 Digital-I/O-Leitungen
  • Lizenz für interaktives Messprogramm DAQExpress™
  • Geringes Gewicht und Busbetrieb für mobile Handhabung; USB-Kabel enthalten
  • Einfaches Verbinden von Sensoren und Signalen mithilfe von Schraubklemmanschlüssen
  • OEM-Ausführung erhältlich
  • Hinweis: Die Modelle USB-6002 und USB-6003 bieten höhere Abtastraten und Auflösungen.
  • Unterstützt ANSI C, C# .NET, VB .NET, LabVIEW, LabWindows™/CVI und Measurement Studio

Position 11: „Waferlevel-Prober-Station“

Die Waferlevel-Prober-Station wird eine Spezialanfertigung sein, welche uns ermöglicht, die Mikromanipulatoren (Position 2 in der Tabelle) flexibel am Mikroskop einzusetzen. Sie steht für die Bauelementecharakterisierung auf Waferlevelniveau zur Verfügung.

Position 12: „Reinraumzelt mit Ausrüstung“

Im Projekt erfolgen Messungen an offenen Silizium-Chips, welche gegen Umwelteinflüsse empfindlich sind, z. B. gegenüber Staubpartikeln. Das Reinraumzelt ermöglicht es, diese Umwelteinflüsse zu minimieren bzw. zu kontrollieren. 

  • Außenmaße: 2.460 x 1.860 x 2.650 mm (L x B x H)
  • Innenmaße: 2.400 x 1.800 x 2.200 mm (L x B x H)
  • Die Konstruktion besteht aus eloxierten Reinraum-Aluminiumprofilen, mit umlaufend 4 Ständerprofilen auf Stellfüßen, freitragend und selbststehend
  • 3 St. in die Decke eingelegte kompakte EC-Filter-Fan-Units 1.140 x 540 mm mit H14-Hochleistungsfilter für gleichmäßige Durchströmung des Zeltes
  • Die restliche Deckenfläche ist mit weißen, allseitig umleimten, Melaminplatten verschlossen
  • 4 St. gekapselte Unterbauleuchten mit je 28 W T5
  • Umlaufend PVC-Lamellenvorhänge, 1,0 mm dick, transparent, antistatisch, oben mit Klettband am Gestell befestigt, unten Bleiband, Vorhänge enden ca. 200 mm über dem Boden für Luftauslass
  • Umlaufend Kranzbleche, Farbe weißaluminium (RAL 9006), Deckenkonstruktion mit Trägerblechen aus verzinktem Stahlblech verstärkt
  • Der stufenlose Drehzahlsteller (Poti 0-10V) der FFU's und der Lichtschalter befinden sich an einem der Ständerprofile

Position 13: „Schwingungsgedämpfter Tisch“

Der schwingungsgedämpfte Tisch minimiert Erschütterungen und damit den Störeinfluss auf Bewegungsmessungen der Aktoren in der Mikropumpe und dem Mikroventil mit dem Micro-PIV und dem IR-Mikroskop.

Innovationscampus Elektronik und Mikrosensorik Cottbus (iCampus)

Der Innovationscampus Elektronik und Mikrosensorik Cottbus ist eine Forschungskooperation der  fünf Partner BTU Cottbus-Senftenberg, IHP – Leibniz-Institut für innovative Mikroelektronik, Ferdinand-Braun-Institut- Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH), Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration (IZM) und Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme(IPMS) in Cottbus. Die vier Institute, die seit Jahren führend in der Mikrosystemtechnik sind, werden jeweils an ihrer Außenstelle in Cottbus an sensorischen Systeme für Anwendungen aus den Bereichen Industrie 4.0, Landwirtschaft 4.0 und Smart Health arbeiten.Seitens der BTU sind zehn Professorinnen und Professoren aus dem Fakultäten 1 und 3 beteiligt. 

Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert die zweite Phase des Projekts „Innovationscampus Elektronik und Mikrosensorik (iCampµs Cottbus)“ von 2022 bis 2026 mit 20 Millionen Euro. In der ersten Phase von 2019 bis 2021 hat das BMBF die fünf Konsortialpartner mit 7,5 Millionen Euro aus dem Sofortprogramm zur Umsetzung der Empfehlungen der Kommission „Wachstum, Strukturwandel und Beschäftigung“ unterstützt. Auf den hier erreichten Forschungsergebnissen baut nun die zweite Phase auf, in der die Ergebnisse für die wirtschaftliche Verwertung weiterentwickelt werden.

Der Transfer von F&E-Ergebnissen und insbesondere technologieorientierte Ausgründungen soll so forciert werden. Der Campus soll einen Beitrag leisten, die Innovations- und Wettbewerbsfähigkeit regionaler Unternehmen, der Forschungseinrichtungen und der Region Lausitz insgesamt zu steigern und Arbeitsplätze im Hochtechnologiesektor zu schaffen.

 

Projektzeiträume:

  • Phase 1: 2019 - 2022
  • Phase 2: 2022 - 2026

Webseite: https://www.icampus-cottbus.de/

Projektziele

  • Transfer in Wirtschaft und Gesellschaft
  • Unterstützung der Anschlussfähigkeit vor allem für KMUs bei der Entwicklung von Hochtechnologie und insbesondere der Digitalisierung
  • Beitrag zur Erhöhung der Wettbewerbsfähigkeit regionaler Unternehmen
  • Beitrag zur Begegnung des Fachkräftemangels
  • Schaffung von Arbeitsplätzen (direkt und indirekt) im Hochtechnologiesektor
  • Initiierung und Realisierung von Ausgründungen
  •  Beitrag zur Steigerung der Attraktivität der Region Lausitz für Forschungskooperationen
  •  Beitrag zur Steigerung der Attraktivität der BTU Cottbus-Senftenberg für Studierende und Lehrende und der Attraktivität der außeruniversitären Forschungseinrichtungen
  • Know-how der Partner nutzen, um Synergien in der Region zu generieren

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iCampus Cottbus - Innovationscampus Elektronik und Mikrosensorik

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