Technologien der Mikroperipherik : Kamera in Salzkorngröße

Seit mehr als 25 Jahren werden die Grenzen der Miniaturisierung ausgelotet.

U-Professor Klaus-Dieter Lang.
U-Professor Klaus-Dieter Lang.Foto: Jacek Ruta

Seine Handschuhe nutzt ein Chirurg im Operationssaal nur ein einziges Mal, um Infektionsrisiken zu mindern. Die Endoskope, mit denen Ärzte ohne größere Schnitte bis in die innersten Regionen des Körpers vordringen, mussten dagegen nach dem Einsatz bis vor Kurzem sehr aufwendig gereinigt werden, weil sie einfach zu teuer zum Wegwerfen nach einmaligem Gebrauch waren. Das änderte sich erst, als die Forscher am Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM in Wedding 2011 winzige Kameras produzierten und sie in die Endoskope montierten. „Seither haben diese Winzlinge mit einer Größe von einem Millimeter gerade noch die Dimensionen eines Salzkorns, liefern gestochen scharfe Bilder aus dem Körperinneren und passen in extrem dünne Einmal-Endoskope, die nur wenige Euro kosten“, erklärt IZM-Institutsleiter und TU-Professor Klaus-Dieter Lang.

Solche extremen Miniaturisierungen gehören seit mehr als einem Vierteljahrhundert zum Markenkern des 1993 gegründeten Fraunhofer IZM. In enger Zusammenarbeit mit der TU Berlin, an der Klaus-Dieter Lang den Forschungsschwerpunkt „Technologien der Mikroperipherik“ mit 50 bis 60 TU-Wissenschaftlern leitet, entwickeln die Ingenieure winzige Komponenten für sehr komplexe Anwendungen. „Längst integrieren wir auch die Firmware in diese Systeme“, sagt Lang. So schafften es die Forscherinnen und Forscher nicht nur mit einer völlig neuen Technik, gleich 22 000 der Mini-Kameras für die Einmal-Endoskope auf einem einzigen Silizium-Wafer zu fertigen und damit die Herstellungskosten stark zu senken. Sie bauten in das winzige Ding auch gleich noch die Sensorik ein, aus deren Signalen eine Software vor Ort Bilder macht, die dann durch das Endoskop aus dem Körper in den Operationssaal übertragen werden.

Mit Sensoren kann man den Stromfluss bei Hochspannungsleitungen anpassen

Für den Straßenverkehr haben die IZM-Forscher solche Kameras in der Größe eines Würfelzuckers mit einem fünf Megapixel-Sensor entwickelt. Sie weisen den Fahrer zum Beispiel auf wichtige Verkehrszeichen hin, die auf den Straßen leicht übersehen werden. Solche Fahrerassistenzsysteme können aber auch ganz konkrete Entscheidungen treffen und zum Beispiel bremsen, wenn unverhofft ein spielendes Kind vors Auto läuft.

Ein ganz anderes Problem lösten die Forscher bei Hochspannungsleitungen: Früher leiteten die Betreiber durch diese Kabel nur so viel Strom, wie diese unter ungünstigen Umständen, zum Beispiel bei einer Hitzewelle und Flaute, problemlos vertragen. Weht im kühlen Herbst ein kräftiger Wind, könnten die Leitungen dagegen bis zu 20 Prozent mehr Strom leiten. „Wir haben daher Sensoren entwickelt, die alle 500 Meter Temperatur, Wind, Stromfluss und Neigungswinkel der Leitung messen und diese Daten an das Umspannwerk übermitteln“, erklärt Klaus-Dieter Lang. Mit Hilfe dieser Daten können die Betreiber den Stromfluss an die tatsächlichen Verhältnisse anpassen.

Andere Sensoren aus IZM-Entwicklungen werden mittlerweile in die Schutzanzüge von Feuerwehrleuten integriert. Diese „intelligente Kleidung“ misst nicht nur Temperaturen, Rauchentwicklung und andere Brandwerte, sondern auch wichtige Körperfunktionen. Diese werden zum Einsatzleiter übertragen, der seine Leute bei Gefahr rechtzeitig zurückrufen kann. In die Schlagzeilen der Medien schaffte es 2009 auch ein Taschenbuch-großes IZM-Gerät, das mit Hilfe von zwei Lasern sofort erkennt, ob noch gut aussehendes Fleisch bereits verdorben ist und nicht mehr verzehrt werden sollte.