Zeitung Heute : Mikroskopischer Beobachter

Groß wie ein Salzkorn: Forscher haben eine endoskopische Kamera „geschrumpft“. Sie ist das weltweit kleinste Gerät dieser Art

Katharina Jung
Winzig. Man braucht schon gute Augen, um die Minikamera überhaupt zu sehen. Foto: www.awaiba.com
Winzig. Man braucht schon gute Augen, um die Minikamera überhaupt zu sehen. Foto: www.awaiba.com

Der Begriff „klein“ ist relativ. So relativ, dass Oswin Ehrmann und seine Kollegen Martin Wilke und Michael Töpper vom Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration Berlin (IZM), eine Struktur als „Klotz“ bezeichnen, die der durchschnittliche Betrachter wohl eher mit dem Wort „winzig“ umschreiben würde. Der „Klotz“, um den es geht, ist deutlich kleiner als ein Kubikmillimeter und hängt an einem noch dünneren langen Kabel. „Diese Mikrokamera haben wir im Auftrag der Firma Awaiba für die Medizin entwickelt. Sie wird in der Endoskopie angewandt“, sagt Klaus-Dieter Lang, Leiter des IZM und des Forschungsschwerpunkts Technologien der Mikroperipherik der TU Berlin.

Die „Schlüssellochchirurgie“, bei der der Operateur den Eingriff im Körper auf einem Bildschirm verfolgt, ist auf leistungsstarke Minikameras angewiesen. „Endoskopische Kameras gibt es bereits seit knapp 30 Jahren“, erzählt Wilke, der das Projekt am IZM inhaltlich leitete. „Das Außergewöhnliche an unserer Kamera sind ihre Ausmaße und die hohe Auflösung der Bilder.“ Durch die von den IZM–Wissenschaftlern entwickelte Aufbau- und Verbindungstechnik sei es gelungen, das Volumen der Kamera um etwa das Dreifache zu verkleinern und dennoch die hohe Auflösung zu erhalten.

Größe ist ein entscheidender Faktor in der Medizin. Ob ein Patient ein herkömmliches Endoskop von rund 8 Millimeter Größe oder eines von rund 3 Millimeter schlucken muss, macht einen erheblichen Unterschied. Dabei haben die Wissenschaftler keine neue Kamera entwickelt. Vielmehr betätigten sie sich als „Verpackungskünstler“.

Vorhandene Komponenten wurden so „verdünnt“ und effizient „geschichtet“, dass das Produkt nicht nur kleiner, sondern auch leistungsstärker ist als bekannte Endoskope.

Die Produktion dieser Minikameras erinnert - stark vereinfacht - an eine hauchdünne Schichttorte. Auf einem Wafer, einer runden Silizium-Halbleiterscheibe von rund 20 Zentimetern Durchmesser, sind je nach Kameratyp mehrere tausend Chips untergebracht. Auf jeden einzelnen Chip werden die verschiedenen optischen Komponenten Schicht für Schicht mit speziellen Polymer-Klebern übereinander befestigt. So wird mit jedem Arbeitsschritt ein weiteres Teil des Kameraobjektivs aufgebaut. Pro Wafer können auf diese Art Tausende von Kameras gleichzeitig entstehen.

Zwei entscheidende Optimierungen bewirkten den deutlichen Sprung in der Miniaturisierung: „Zum einen konnten wir in den vergangenen Jahren Techniken entwickeln, um einen Wafer von 0,7 Millimeter Dicke auf rund 0,05 Millimeter zu ,dünnen’“, erläutert Töpper. Das war die Voraussetzung für die zweite Neuentwicklung, die die elektrischen Kontakte der Kamera betrifft. Bei der Produktion von herkömmlichen Endoskopen wird der Wafer erst in einzelne Chips zerteilt, bevor unter dem Mikroskop jeder Kontakt einzeln angeschlossen wird. Dabei werden die Drähte von außen über die Seite jedes Chips geführt und liegen dann auf dessen Oberfläche auf. Das wiederum stört die Montage des Kameraobjektivs, da keine glatte Oberfläche zur Verfügung steht. Jeder Kamera-Chip muss einzeln zusammengesetzt werden.

Der Arbeitsgruppe von Michael Töpper ist es gelungen, die Kontakte mit einer speziellen Plasma-Technik von hinten durch das Silizium des Wafers hindurch zu ätzen. Der Chip behält seine glatte Oberfläche, die optischen Komponenten können präzise unmittelbar auf den Sensoren befestigt werden. „Silizium anzubohren galt vor ein paar Jahren aufgrund der Unberechenbarkeit des Materials noch als ein Sakrileg“, sagt Töpper. „Die Idee dazu ist nicht neu, doch erst jetzt haben wir geeignete Verfahren dafür entwickelt.“

Die neue Fertigungstechnik der Kameras spart nicht nur enorm viel Platz. „Sie ermöglicht auch eine deutlich exaktere und effizientere Fertigung“, sagt Wilke. „Mit unserem Verfahren können Tausende von Kameras komplett montiert werden, solange sie noch fest auf dem Wafer fixiert sind.“ Erst danach werde der Wafer zersägt. Handarbeit ist nicht mehr nötig. Das spart Produktionskosten und erhöht gleichzeitig die Präzision mit der jede einzelne Kamera gefertigt wird.

Der Preis ist so gering, dass die Entwicklung von Einmal-Endoskopen möglich wird. Rund zwei Jahre Entwicklungsarbeit investierten die Wissenschaftler im Auftrag der Firma Awaiba in die Kamera. Zeit, die sich gelohnt hat. Die kleinste Kamera der Welt gilt nicht nur unter Fachleuten als Sensation. Sie wurde auch in dem Wettbewerb „Deutschland, Land der Ideen“ ausgezeichnet.

Zurzeit befinden sich die Kameras in der Erprobungsphase beim Kunden. Schon 2012 sollen sie erstmals in der Medizin eingesetzt werden.

„Die platz- und kostensparende Fertigung eröffnet noch zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten“, sagt Klaus-Dieter Lang. „Wir arbeiten zum Beispiel auch an einem Chip, der den Reifendruck in Autos misst und diesen drahtlos weitergibt, oder an Chips, die in speziellen technischen Umfeldern die Temperatur messen.“

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