Die Computer der Zukunft werden winzig sein. Sie schrumpfen zu Elektrokrümeln von Sandkörnchengröße. Mehr noch: Ohne unser Zutun nehmen die intelligenten Winzlinge per Funk Kontakt miteinander auf, verbinden sich zu einem unsichtbaren Netzwerk. Sie tauschen Daten aus, melden etwa Hitze oder Vibrationen.
Die künftigen Anwendungen scheinen schier unbegrenzt: Schäden an Bauteilen, Gebäuden oder stark beanspruchten Brücken würden in kürzester Zeit erkannt. In Lagerhallen prüfte das Mikronetzwerk, ob in jedem Winkel die optimale Temperatur herrscht.
Noch gibt es die elektronischen Körner nicht. Doch in Sachen Miniaturisierung machen ihre Entwickler vom Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM deutliche Fortschritte. Sie haben es geschafft, das Gesamtsystem aus Sensor, Prozessor, Speicher, Funkbaustein, Antenne und eigener Energieversorgung auf einen Kubikzentimeter zu konzentrieren, also etwa auf die Größe eines Stücks Würfelzucker.
eGrains in Tropfengröße
Ziel in den nächsten Jahren ist es, eGrains auf die Größe eines Streichholzkopfes zu schrumpfen. „Wir wollen Sensornetzwerke aufbauen, die aus einzelnen, autarken und stark miniaturisierten Mikrosystemen bestehen“, sagt Jürgen Wolf vom IZM. „Jedes einzelne eGrain verfügt über einen Sensor, eigene Rechenleistung, Energieversorgung und Kommunikationsmöglichkeiten.“ Dadurch können die Körner ein eigenständiges Netzwerk bilden und selbstständig Daten verschicken.
Um Platz zu sparen, gehen die IZM-Forscher ungewöhnliche Wege: Statt alle Komponenten nebeneinander auf einem Träger, dem Substrat, zu platzieren, stapeln sie die einzelnen Bestandteile – Batterie, Speicher, Prozessor, Funkbaustein – in Etagen, den funktionellen Lagen. Erst dadurch entsteht ein kompaktes Ganzes. Allerdings nur dann, wenn es gelingt, die einzelnen Lagen elektrisch zu verknüpfen.
Diese dreidimensionale Integration auf kleinstem Raum ist gänzlich neu. Wolf und seine Kollegen lösen das Problem mit einem Kunstgriff. Sie fertigen zunächst einzelne dünne Lagen und montieren diese mit der Flip-Chip-Technik. Bei diesem Verfahren wird ein Chip nicht über einzelne Mikrodrähte mit dem Substrat verbunden, sondern auf den Kopf gedreht und mit der Oberseite an kleinen Lötpunkten auf dem Träger fixiert. Versieht man alle Substratlagen auf der Ober- und Unterseite mit den kleinen Lötpunkten, entstehen durchgehende Kontakte, die sich durch den Stapel ziehen wie Heizungsrohre im Wohnhaus. Die Technologie für derartige dünne, funktionelle Lagen gibt es am IZM bereits: Eine Dünnschichtanlage, mit der hauchzarte Polymerfilme und Metalllagen abwechselnd übereinander geschichtet werden.
Problem Energieversorgung
Noch sind längst nicht alle Bauteile klein genug, die Verfahren noch nicht ausgereift. Dünne Polymerbatterien der erforderlichen Größe etwa, die für die eGrains in Frage kommen, gibt es noch nicht. Doch darin sieht Wolf kein prinzipielles Hindernis, denn der Weg sei das Ziel. Im Vordergrund stehe die Entwicklung verschiedener Integrationsverfahren, die sich in unterschiedlichen Bereichen einsetzen lassen. „Wir wollen keine eGrain-Unikate oder einmalige Prototypen schaffen, sondern in erster Linie Methoden und Technologien, mit denen man später in eine günstige Massenproduktion einsteigen kann.“
Seit zwei Jahren arbeitet das IZM in dem vom Bundesforschungsministerium geförderten Verbundprojekt „Autarke Verteilte Mikrosysteme“ (AVM) an der Entwicklung der Systemintegrationstechnologien. Mit von der Partie sind Forscher der Technischen Universität (TU) Berlin und des Berliner Ferdinand-Braun-Instituts (FBH). Jeder Partner konzentriert sich auf einen anderen Schwerpunkt. Die Kollegen von der TU etwa entwickeln die Netzwerk-Software und entwerfen neue miniaturisierte Antennen. Gemeinsam mit dem FBH entstehen neue leistungsarme Hochfrequenzschaltungen aus dem Halbleitermaterial Gallium-Arsenid sowie neue Systemintegrationskonzepte.
Anwendung könnten eGrains vor allem in der Logistik, in der Qualitätsüberwachung bei Produktionsprozessen, im Katastrophenschutz und bei der Erfassung von Umweltdaten finden. (ala)