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ZUSAMMENARBEIT KONKRET Spurennachweis mit Laserlicht Das farblose Gas Ethylen muss möglichst rein hergestellt werden, damit es zu Kunststoff weiterverarbeitet werden kann. Deshalb wird der Herstellungsprozess überwacht. Eine Forschungspartnerschaft zwischen der ABB und dem ETH-Labor für Laserspektroskopie und Analytik sucht nach einem neuen Analysegerät. 52 Zentimeter lang ist es und 3,8 breit: das Herzstück, festgeschraubt auf einem grünen Steintisch im ETH- Labor für Laserspektroskopie und Analytik auf dem Hönggerberg. An dieses Stahlrohr führt auf der linken Seite eine optische Faser heran, in der sich Laserlicht fortpflanzt. Auf der rechten Seite ist ein Detektor angebracht. Von ihm führt eine weitere Verbindung zu einem Oszilloskop, das rauschende Linien auf einen Monitor zeichnet und sie einem angeschlossenen Computer zur Auswertung weiterleitet. Im Stahlrohr selbst befinden sich zwei Spiegel, die den Lichtstrahl gefangen nehmen und zwischen sich hin und her reflektieren. Nur ganz wenig Licht gelingt es, auf der rechten Seite wieder auszutreten und auf dem Oszilloskop ebendiese charakteristischen Linien zu hinterlassen. Die Apparatur ist an sich nicht kompliziert, aber sie hat es in sich, im wahrsten Sinne des Wortes. Denn die Apparatur wird von einem Gas durchflutet – von Ethylen (C 2 H 4 ) und kleinsten Spuren an Acetylen (C 2 H 2 ), die es zu detektieren gilt. An einer solchen Anlage ist die Petrochemie interessiert, in diesem Fall Exxon Mobile. Der Erdölmulti gelangte an die ABB, der Technologiekonzern schliesslich an die ETH Zürich. Das war vor drei Jahren. Forschungsziel anpassen Inzwischen ist aus der Anfrage eine fruchtbare Partnerschaft zwischen dem ETH-Labor für Laserspektroskopie und Analytik und dem Forschungszentrum der ABB in Baden-Dättwil entstanden. «Die ABB hat uns die Finanzierung für eine Doktorandenstelle sowie für die nötigen Sachmittel zugesichert und den Themenbereich vorgegeben», erinnert sich Physikprofessor Markus W. Sigrist von der ETH. Ausgehend von einem KTI-Projekt mit der ABB studierten Sigrist und Doktorand Daniel E. Vogler zunächst minimalste Verluste in Glasfasern mit einer neuartigen (vorgängig durch die ETH patentierten) Methode mit faseroptischen Kavitäten sowie deren Verwendung für chemische Sensoren. «Als sich nach eineinhalb Jahren zeigte, dass das Forschungsziel angepasst werden musste, war dies für die ETH- ABB-Zusammenarbeit kein Problem. Gemeinsam haben wir uns auf die spektroskopische Konzentrationsbestimmung von Acetylen festgelegt, ein interessantes Forschungsgebiet.» Der Physiker Hubert Brändle von der ABB pflichtet bei: «Die Forschungspartnerschaft mit der ETH ist stimulierend, sie regt fachlich an und erlaubt es der ABB, Probleme zu lösen, für deren Bearbeitung wir keine Kapazität hätten.» Für den Technologiekonzern sei es zudem eine Chance, den Kontakt mit Wissenschaftlern der ETH zu intensivieren und gute Forscher für die ABB zu rekrutieren. Doktorand Vogler zum Beispiel hat von der Firma ein entsprechendes Angebot erhalten. Beachtliche Leistung «Was man nicht darf: Die ETH zu einer Entwicklungsabteilung der Industrie machen», warnt Brändle. Diese Einstellung findet Anerkennung bei Markus Sigrist, der für seine Forschungsprojekte auf Drittmittel angewiesen ist, aber auf keinen Fall die Forschungsfreiheit eingeschränkt haben will. Bei der Zusammenarbeit mit ABB war dies auch kein Problem, bestätigt Daniel Vogler. Zwar mussten Artikel vor der Publikation in einer Fachzeitschrift – wie kürzlich in einer Sondernummer von «Optics and Lasers in Engineering» – zuerst der ABB vorgelegt werden; eine Zensur gab es aber nicht. «Allenfalls hätten wir die Daten für einige Wochen zurückgehalten und sofort ein Patent eingereicht», sagt Brändle. Rückblickend bezeichnen sowohl Sigrist und Vogler als auch Brändle die 10
ZUSAMMENARBEIT KONKRET Zusammenarbeit als gute, problemlose Erfahrung, die man auch mit anderen Projekten fortführen will. Im ETH-Labor für Laserspektroskopie und Analytik wird in der Zwischenzeit am Feinschliff gearbeitet. Letzte Versuche werden im Stahlrohr durchgeführt, die Apparatur – im Jargon als Cavity-Ring-Down-Spektroskopie bezeichnet – an ihre Grenzen geführt. Die Messung, das zeigt das Signal auf dem Computerschirm, kann zuverlässig weniger als 60 Acetylenteilchen in 1 Milliarde Gasteilchen nachweisen! Eine beachtliche Leistung und gute Voraussetzungen, dass die Apparatur zur Marktreife weiterentwickelt wird. Für die ETH ist das Projekt mit dem Abschluss der Dissertation von Daniel Vogler vorerst beendet. Sollte die Apparatur dereinst tatsächlich in einem petrochemischen Betrieb stehen, wird sie den Herstellungsprozess von Ethylen überwachen. Denn kleinste Verunreinigungen von Acetylen haben einen grossen ökonomischen Verlust zur Folge: die ganze Charge muss verbrannt werden. Michael Breu Kontakt: Prof. Markus W. Sigrist, Institut für Quantenelektronik, ETH Zürich. Web: www.iqe.ethz.ch/irp/ Dr. Hubert Brändle, ABB Schweiz AG, Corporate Research, 5405 Baden-Dättwil Web: www.abb.ch/ Gut verbunden Die Herstellung von elektrischen Verbindungen zu integrierten Schaltkreisen erfordert höchste Präzision. Das Labor für Physikalische Elektronik der ETH Zürich entwickelte zusammen mit der Firma ESEC Mikrosensoren, welche diesen Prozess überwachen. Drahtverbindungen, so genannte Wirebonds, werden in der Mikroelektronikfertigung benutzt, um elektrischen Kontakt zu integrierten Schaltkreisen herzustellen. Der Physiker Michael Mayer, der bis 2004 selbst bei der Firma ESEC AG in Cham tätig war, ist mit den Raffinessen von Bondprozessen bestens vertraut. Bereits während seiner Doktorarbeit an der ETH Zürich hat er zusammen mit der Firma ESEC an einem gemeinsamen Forschungsprojekt gearbeitet. Die Firma, mittlerweile Teil der Unaxis-Division «Unaxis Assembly and Packaging», stellt so genannte Bondautomaten her. Dabei will sie eine möglichst hohe Präzision und Geschwindigkeit beim Ziehen der Bonds erzielen. Mayer schildert, dass sich die ESEC mit einer klar definierten Idee an die ETH gewandt hat, nämlich Mikrosensoren zu entwickeln, die Temperatur, Bondstärke und Anpressdruck beim Erstellen der Wirebonds registrieren. «Mittels Mikrosensoren wollten wir das Prozessfenster beim Erstellen der Bonds genau charakterisieren. Uns ging es darum, optimale Bondqualität in möglichst kurzer Zeit zu erzielen.» Die Kollaboration mit den Professoren Henry Baltes und Andreas Hierlemann sowie zeitweise Oliver Paul und Oliver Brand, die mittlerweile Professuren im Ausland angenommen haben, bezeichnet Mayer als sehr bereichernd – nicht nur, weil die ETH über einzigartige Mikrosensor-Technologie verfügte. Attraktiver Partner «Die Zusammenarbeit mit der ESEC lief über mehrere Jahre hinweg», erinnert sich ETH-Professor Hierlemann. «In den letzten vier Jahren hat Michael Mayer zusammen mit Professor Baltes und dem Doktoranden Jürg Schwizer das Projekt verfolgt.» Baltes und Hierlemann bestätigen, dass die Entwicklung der Mikrosensoren im Auftrag der ESEC stattgefunden hat. «Die Forschung im Bereich Mikrosensor-Technologie hat uns zu einem attraktiven Partner für die Industrie gemacht.» Allerdings wäre es nicht sinnvoll, ausschliesslich Auftragsforschung für 11
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