PhYsik und Industrie - Felix Wuersten

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ZUSAMMENARBEIT KONKRET Erfolg mit kleinen Sensoren Das Kerngeschäft der Firma Sensirion bilden Chips, die sowohl einen Sensor als auch die dazugehörige Auswerteschaltung umfassen. Die Grundlagen dieser Technologie wurden an der ETH Zürich gelegt. Noch heute pflegt der ETH-Spin-off Kontakte zur Hochschule. Es ist ein sensitives Geschäft, das die Firma Sensirion in Zürich Oerlikon betreibt. Sie bietet Sensorsysteme an, mit denen man sehr präzise Feuchte, Temperatur, Massenflüsse von Gasen wie auch Flüssigkeiten und Differenzdrucke messen kann. Als konkretes Einsatzbeispiel erzählt einer der Firmengründer, der Physiker Felix Mayer, von seinen Gasströmungssensoren, die in Spitälern für die Sauerstoffmessung gebraucht werden. Die Flüssigkeitssensoren eignen sich gemäss dem Geschäftsmann mit ETH- Vergangenheit u. a. für die Hochdruck-Flüssigkeits-Chromatographie. In Wetterstationen für den Heimgebrauch finden sich dagegen Feuchtesensoren, die in vielen Fällen aus dem Norden Zürichs stammen. Der Kern der Sensirion-Produkte, der intelligente Sensorchip, ist nur einige Millimeter gross. Daraus resultieren, je nach Marktsegment, Geräte, die kaum grösser sind als eine Hand. Sensor auf Chip Die Basis für die Sensirion-Geräte wurde in den neunziger Jahren an der ETH gelegt. In der Gruppe von Professor Henry Baltes am Institut für Quantenelektronik zeigten die Forscher, dass es möglich ist, sowohl einen Sensor als auch die dazugehörige Auswertschaltung auf einen Chip zu integrieren. Dabei verwendeten die Wissenschaftler Chips, die auf der CMOS-Technologie basieren, einer industriellen Halbleiter-Standardtechnologie. Auf den CMOS-Chips wurden Sensorstrukturen implementiert, welche die gewünschten physikalischen Parameter wie Feuchte oder Flüssigkeitsdurchfluss erfassen. Durch die Verschmelzung von Sensor und Auswerteschaltung wird sichergestellt, dass die empfindlichen analogen Sensorsignale unmittelbar störungsfrei und präzise verstärkt und digitalisiert werden können. So entfallen viele Kontaktstellen, deren Anzahl die Zuverlässigkeit eines elektronischen Gerätes bestimmt. Durch diese Errungenschaften besitzen die von Sensirion angebotenen Chips zur Massenflussmessung nicht einmal die Grösse eines Daumennagels, können aber Massenflüsse von weniger als 50 Mikroliter pro Minute erfassen. Zudem weist die Elektronik auf einem solchen Chip eine Rechenleistung auf, die gemäss Mayer von keinem Computer in den siebziger Jahren erreicht wurde. Sensirion selbst wurde als Spin-off von den beiden Doktoranden aus der Baltes-Gruppe, Felix Mayer und Moritz Lechner, 1998 gegründet, nachdem sie den Business-Plan-Wettbewerb «Venture» gewonnen hatten. Mit Venture-Kapital, das einerseits von einer Privatperson, andererseits von einer Bank stammte, starteten die Jungunternehmer. Noch immer sind die beiden Investoren an der mittlerweile rentablen und gemäss Felix Mayer hoch bewerteten Firma beteiligt. Auf die Frage, wie sie das Vertrauen der Investoren gewinnen konnten, erwähnt Mayer, dass zur Gründungszeit ein gutes Investitionsklima geherrscht habe. Zudem sei es wichtig gewesen, dass man das Marktbedürfnis aufzeigen konnte. Für den Unternehmer mit seinen rund 50 Angestellten ist auch heute noch das «A und O» des Erfolges das Gespräch mit dem Kunden. Denn hier zeige sich, was wirklich gewünscht werde. Der Erfolg der ISOzertifizierten Sensirion manifestiert sich momentan in Wachstumsraten von 50 bis 100 Prozent, einer räumlichen Expansion nach Stäfa und dem Gewinn des «Swiss Economic Award 2004». Den Kontakt zur ETH Zürich will Sensirion weiter pflegen. Der Ansprechpartner ist mittlerweile ETH- Professor Andreas Hierlemann, der die Arbeit von Henry Baltes weiterführt. Der ETH-Forscher betont, dass das Implementieren mikromechanischer Elemente auf einem CMOS-Chip immer noch sehr anspruchsvoll sei. Vom Rolls Royce zum Smart Zurzeit ist die Gruppe des ETH- Forschers in Zusammenarbeit mit Sensirion dabei, chemische Sensoren zu entwickeln. Dabei gehe es an der Hochschule darum, das Prinzip zu beweisen. Gemäss Hierlemann werde dafür an der ETH meistens innerhalb von ungefähr drei Jahren eine «Rolls- Royce-Version» eines Sensorsystems entwickelt. Die Produktentwicklung und Fertigung einer breit verkaufbaren «Smart-Variante» sowie deren Qualitätssicherung sei dann Aufgabe von Sensirion. Felix Mayer bestätigt, dass sie in ihrer Forschungsabteilung vor allem Produktentwicklung betreiben. Das beinhalte aber immer noch einen beachtlichen Teil Forschung und sei nicht nur einfaches Optimieren. Für ihn ist die ETH neben der Entwicklung neuer Sensorsysteme vor allem wegen ihrer Absolventen von Bedeutung. Denn ein vergleichbares Knowhow sei sonst in der Schweiz nicht vorhanden. Andreas Hierlemann ist froh, dass das Hochschul-Wissen wie im Fall von Sensirion in die Industrie einfliessen kann. Für ihn sei es sehr lehrreich zu erfahren, was industriell machbar sei. Christoph Meier Kontakt: Prof. Andreas Hierlemann, Institut für Quantenelektronik, ETH Zürich. Web: www.iqe.ethz.ch/pel/ Dr. Felix Mayer, Sensirion AG, 8050 Zürich. Web: www.sensirion.ch/ 8
ZUSAMMENARBEIT KONKRET Ultraschnelle Festkörperlaser Eigentlich dachte man in den achtziger Jahren, es sei unmöglich, kompakte, verlässliche, ultraschnelle Festkörperlaser herzustellen. Doch die Physikerin Ursula Keller erfand Anfang der neunziger Jahre einen Halbleiter-Chip, der das Tor für den Alltagseinsatz von kurzgepulsten Festkörperlasern öffnete. Diese erzeugen regelmässige Pulse im Pico- und Femtosekundenbereich – also Zeitspannen kürzer als ein Milliardstel einer Sekunde. Kellers Forschungserfolge führten 1993 zu ihrer Berufung an die ETH Zürich. Bereits 1995 gründete sie mit ihrem Mann Kurt Weingarten den ETH-Spin-off «Time-Bandwidth Products» (TBWP). Innerhalb eines KTI-Projekts entwickelte TBWP den ersten kommerzielle Prototyp eines dioden-gepumpten Festköperlasers, basierend auf der so genannten SESAM-Technologie. Mittlerweile wurden verschiedene Geräte entwickelt. Bei den einen wurden die Leistungen, bei anderen die Taktraten um mehrere Grössenordnungen verbessert. Anwendungen finden sich in der Forschung oder im Telekommunikationsbereich. Als Beispiel erzählt Kurt Weingarten von einem Gerät, mit dem Kalziumionen in Neuronen in real time verfolgt werden können. Die Laser mit Leistungen von mehreren Gigawatt pro Quadratzentimeter seien auch interessant für die Materialbearbeitung im Mikro- und Nanobereich. Grundsätzlich ist der Firmenchef überzeugt, dass dank dem guten Preis-Leistung-Verhältnis seine Geräte vermehrt von der Industrie eingesetzt werden. Jenseits der heutigen Technik Rückblickend ist Weingarten mit dem Geschäftsgang von TBWP zufrieden. Hatte er basierend auf Eigenkapital im kleinsten Rahmen begonnen, arbeiten heute im Unternehmen, das schwarze Zahlen schreibt, rund 15 Personen. Die Einkünfte aus den hauptsächlich im Ausland verkauften Lasern investiert TBWP vorwiegend in die Forschung und Entwicklung. Für die Schweiz von Interesse sind neben den Geräten die Arbeitsplätze von TBWP für hoch qualifizierte Hochschulabsolventen. Die Zusammenarbeit mit der ETH ermöglicht der Firma einen Einblick, wo weiteres Entwicklungspotenzial vorhanden ist. Aus der Praxis kommen hingegen Impulse, welche Parameter theoretisch weiter abgeklärt werden sollten, ergänzt Keller. Kurt Weingarten und Ursula Keller sind sich bewusst, dass die momentane Win-win- Situation ändern kann. So erwähnt die ETH-Professorin, dass sie vermehrt die Grenzen der Laser jenseits der SESAM-Technologie ausloten möchte. Eventuell münden diese Erkenntnisse wiederum in neuartige Geräte. Christoph Meier Kontakt: Prof. Ursula Keller, Inst. für Quantenelektronik, ETH Zürich. Web: www.iqe.ethz.ch/ultrafast/ Dr. Kurt Weingarten, Time-Bandwidth Products Inc., 8005 Zürich. Web: www.tbwp.ch/ 9
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