Die Mikroelektronik gilt als eine der wichtigsten Schlüsseltechnologien für smarte Systeme. Sie liefert die verschiedenen Bausteine, mit denen ein Objekt intelligent wird.
Schon heute durchdringt Mikroelektronik alle Lebensbereiche: Sensoren und Chips ermöglichen, dass sich Industrieprozesse bis hin zur völligen Selbstregulierung effizient automatisieren oder Ströme im Straßenverkehr erfassen und optimieren lassen. Mikroprozessoren steuern die zahlreichen Assistenzsysteme im Auto, mit dem autonomen Fahren wird der Bedarf noch weiter steigen. Auch im Gesundheitssektor spielt Mikroelektronik eine entscheidende Rolle: Nur mit der passenden Hard- und Software lassen sich zum Beispiel Bio- und Vitaldaten vom Patienten-Smartphone an Ärzte übermitteln. Spezielle Sicherheitschips schützen und steuern dabei den Zugriff auf wichtige Daten – bei Privatanwendern genauso wie in Unternehmen. Mit dem Trend hin zu smarten Systemen steigt nicht nur die Nachfrage nach elektronischen Komponenten, auch die Anforderungen wachsen: Die Miniaturisierung schreitet weiter voran, die Leistung und die Kommunikationsfähigkeit der Komponenten steigen, gleichzeitig sollen jedoch der Energieverbrauch und die Stückkosten sinken.
Verschiedene Funktionen auf einem Chip
Ein Weg, die Kosten zu reduzieren, ist die Integration verschiedener Funktionen auf einem Chip. Als Beispiel nennen die Marktforscher von Emitt Solutions Microcontroller, auf deren Chip gleich auch ein Funk-Interface integriert ist. Damit können Entwicklungsingenieure nicht nur die Materialkosten senken, sondern auch die Entwicklungskosten – und sparen Platz auf der Leiterplatte. Wird dann noch ein Sensor mit auf dem Chip platziert, entsteht ein „Smart Sensor“, für den die Marktforscher ein vielversprechendes Wachstum in den nächsten Jahren vorhersagen. Denn im Gegensatz zu herkömmlichen Sensoren erfassen sie Informationen nicht unbewertet, sondern können dank ihrer grundlegenden Intelligenz die entscheidungsrelevante Information aus der erfassten Menge an Daten herausfiltern und weiterleiten. Das entlastet die übergeordneten Steuerungssysteme – ein wichtiger Aspekt gerade im Hinblick auf autonome Systeme, die sich selbstständig in ihrer Umgebung zurechtfinden müssen. Denn hier muss eine Vielzahl an Daten von den unterschiedlichsten Sensoren möglichst in Echtzeit verarbeitet werden. Dieses Zusammenspiel diverser Sensoren, Sensor-Fusion genannt, ist eine Voraussetzung für smarte Systeme. „Vom smarten Toaster und Smartwatch bis hin zur Telemedizin – die Sensor-Fusion spielt eine kritische Rolle in einer wachsenden Zahl von Anwendungen und Industrien“, so Karen Lightman, Executive Director der MEMS Industry Group.
MEMS-Markt wächst
Gerade MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) profitieren von der „Sensorisation“ der Welt, die mit der Verbreitung von smarten Geräten einhergeht. Diese Mikrosysteme, die mechanische Strukturen im Mikrometerbereich und elektronische Strukturen auf einem Chip vereinen, sind preiswert, robust und vor allem äußerst kompakt. Jean-Christophe Eloy, Präsident und CEO des Marktforschungs- und Beratungsunternehmens Yole, prognostiziert daher auch einen rasant wachsenden Markt für MEMS: „Bei Yole Développement erwarten wir ein 20-Milliarden-Dollar-Geschäft mit 30 Milliarden Einheiten.“ Allerdings sinken die Preise für MEMS seit Jahren mit durchschnittlich fünf Prozent pro Jahr. Ein Beschleunigungssensor kostet zum Beispiel gerade einmal 0,025 Dollar. Um trotz der niedrigen Preise ausreichend Gewinn zu erwirtschaften, setzen die Hersteller zum einen auf höhere Produktionsvolumen. Zum anderen integrieren sie verschiedene Sensoren in ein System oder sogar in ein gemeinsames Gehäuse.
Autonome Mikrosysteme dank Energy Harvesting
Der Einsatz verteilter und eingebetteter Mikrosysteme wie MEMS hängt unmittelbar von einer zuverlässigen und langlebigen Energieversorgung ab. Hier wächst die Bedeutung der Gewinnung geringer Energiemengen aus der Umgebung, denn so ist eine aufwändige, die Mobilität einschränkende Verkabelung oder eine platzraubende Batterie nicht notwendig. Dieses Micro Energy Harvesting „erntet“ Energie zum Beispiel aus Quellen wie Umgebungstemperatur, Bewegungen, Vibrationen oder Luftströmungen.