Jahresbericht IMMS by fRanKon multimedia

ZUKUNFT IST JETZT

15 JAHRESBERICHT 2010

15 IMPRESSUM

Herausgeber Institut für Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme gemeinnützige GmbH

Lektorat Prof. Dr.-Ing. Ralf Sommer Dipl.-Ing. Hans-Joachim Kelm Dipl.-Medienwiss. Ines Lehrke

Fotos Frank Diehn • www.fRanKon.de IMMS GmbH Stefanie Theiß www.pixelio.de

Kontakt Dipl.-Medienwiss. Ines Lehrke PR / Marketing Manager

Layout und Illustration

Ehrenbergstr. 27, 98693 Ilmenau

Frank Diehn • www.fRanKon.de

Telefax: +49 (3677) 69 55 15

Dipl.-Medienwiss. Ines Lehrke

E-Mail: imms@imms.de

Übersetzung

Alle Rechte sind vorbehalten. Vervielfältigung und

Tatjana Baumgärtner • www.languewitches.de Dipl.-Medienwiss. Ines Lehrke

Druck

Telefon: +49 (3677) 69 55 13

Veröﬀentlichung nur mit Genehmigung der IMMS GmbH. Mai 2011

Brandtdruck e. K. • www.brandtdruck.de

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JAHRESBERICHT 2010

IMPRESSUM | INHALT

15 INHALT

Vorwort

.......................... 6

Zukunft ist jetzt – IMMS .............. 8 Testimonials

.................... 12

IMMS in Zahlen 2010.....................

Das IMMS-Team ..................

Auszeichnungen und Ehrungen......

IMMS-Events: Von „More than Moore“ bis Open Source .................

Institutsleben

................... 24

Steigerung der Energieeﬃzienz eingebetteter Systeme ............

Energieverbrauchsmessung und Smart-Grid-Integration ............

3D Positionier system für den Nanometerbereich ...............

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SMARTIEHS – Intelligentes MEMS-Testsystem auf Waferebene Mikroelektronische Lichtsensoren

.. 38 ... 42

Ambient Light Sensor – Schaltkreisentwicklung von der Idee bis zum Sample 46 Das Projekt OKTOPUS und die Weiterentwicklung der Messtechnik am IMMS .. 50 Neues IMMS-Messtechniklabor mit internationalem Reinraumstandard

.. 54

Literatur verzeichnis/Quellenangaben Organigramm

................... 58

Wissenschaftlicher Beirat

.......... 59

Aufsichtsrat ..................... Publikationen 2010

JAHRESBERICHT 2010

............... 60

15 VORWORT

Mit 2010 ging am IMMS wieder ein ereignisreiches

Institut: Mitarbeiter des IMMS gründeten gemeinsam

und bewegtes Jahr zu Ende, das für Sie in diesem

mit dem Ing.-Büro Eberhardt die THESYCON GmbH.

Jahresbericht zusammengefasst ist und Ihnen einen

Gleich im Dezember desselben Jahres folgte die

Einblick in die Forschungs- und Entwicklungstätigkeit

zweite Instituts-Ausgründung EMSYS GmbH – EMSYS

sowie in unser vielfältiges Institutsleben geben wird.

entwickelt Lösungen für High-Speed-Anwendungen

Unter dem Motto „Zukunft ist jetzt“ steht nicht nur

im Bereich Bussysteme und eingebetteter Systeme.

das erfolgreiche Jahr 2010, sondern auch das Jubilä-

Es wird deutlich, welche enormen Sprünge das Insti-

um des IMMS. In 2010 jährte sich der oﬃzielle Start

tut bereits in den ersten Jahren vollzogen hat. Heute

des IMMS als eigenständiges Thüringer Forschungs-

haben wir fast 100 Mitarbeiter und arbeiten intensiv

und Entwicklungsinstitut zum 15. Mal. „Zukunft ist

an vorderster Front des Freistaates, um die Industrie

jetzt“ hat damit eine mehr als 15jährige Vorgeschich-

zu unterstützen und moderne innovative Entwicklun-

te des Aufbaus und wir sind sehr stolz auf das Er-

gen auf den Markt zu bringen. Was und wie wir das

reichte!

erreichen, ﬁnden Sie gleich im Anschluss an dieses Vorwort.

Alles begann im September 1995 noch in den Räumen der Technischen Universität (TU) Ilmenau mit einer

Zuvor liegt es uns ganz besonders am Herzen, Dank

Handvoll Mitarbeitern. Am 19. Dezember 1995 gab

zu sagen: Zu allererst dem Freistaat Thüringen, durch

es dann den oﬃziellen Startschuss und die Gründung

dessen Förderung unsere Arbeit erst möglich wird.

des Institutes – was mit der Bereitstellung von 15 Mio.

Vielen Dank auch allen Geschäftspartnern, Freun-

DM durch den Freistaat einherging. Im Februar 1997

den, Förderern und Menschen, die uns den Rücken

wurde bereits eine Zweigstelle in Erfurt eingerichtet

stärken. An dieser Stelle möchten wir uns gleichfalls

– Büros in Erfurt-Süd-Ost im Zentrum der Mikroelek-

beim Aufsichtsrat und beim Wissenschaftlichen Bei-

tronik Thüringens. Weniger als zwei Jahre nach der

rat des IMMS bedanken, die uns in allen Fragen för-

Gründung des Institutes – im Oktober 1998 – hatte

dernd und beratend zur Seite stehen.

sich das IMMS bereits so etabliert und die Zusammenarbeit mit der TU Ilmenau gestärkt, dass es das erste An-Institut der Universität wurde. Zur gleichen Zeit kam es bereits zur ersten Ausgründung aus dem

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JAHRESBERICHT 2010

Der wichtigste Teil des Instituts sind aber unsere „Köpfe“ – Mitarbeiter, wie auch Studenten, die mit Kreativität, Engagement und hohem Einsatz unser Institut voran bringen und sich mit fachlicher Expertise und persönlichen Kompetenzen einbringen. Für die konstruktive und vertrauensvolle Zusammenarbeit im letzten Jahr möchten wir deshalb in besonderer Weise allen Mitarbeitern des IMMS danken. „Zukunft ist jetzt“ ist eine dauernde hochgesteckte Aufgabe, die ständig höchsten Einsatz erfordert und das können wir nur gemeinsam, als IMMS-Team, für unsere Kunden und für uns erreichen.

Dipl.-Ing. Hans-Joachim Kelm

Prof. Dr.-Ing. Ralf Sommer

VORWORT

15 ZUKUNFT IST JETZT – IMMS

Das IMMS hat seit seiner Gründung vor 15 Jahren als

der Arbeiten am IMMS. Die strategische Ausrichtung

angewandtes Forschungsinstitut das „Projekt Zu-

des Institutes – Technologien und Methodiken zu be-

kunft“ in den Mittelpunkt seiner Arbeiten gestellt. In

herrschen – orientiert sich an diesen Wachstums-

enger Kooperation mit der Technischen Universität

feldern: Präzisionsmaschinenbau, Automatisierung,

Ilmenau und seinen Industriepartnern arbeitet das

Kommunikationstechnik, Mess-, Steuer- und Rege-

Institut an der Anwendung, Verbreitung und Vertie-

lungstechnik, Mikro- und Nanotechnologien, Medizin-

fung von Forschungsergebnissen und leistet anwen-

technik, Automotive und Green Technology.

dungsorientierte Vorlauﬀorschung und Entwicklung im Bereich der Mikroelektronik und Systemtechnik

Die diesen Wachstumsfeldern übergeordneten Me-

sowie der Mechatronik.

gatrends geben nicht nur für das IMMS den Weg vor, sondern es wird – getreu dem Motto „Zukunft ist

Die IMMS-Strategie ist dadurch gekennzeichnet,

jetzt“ – auch schon in aktuellen Projekten und For-

durch anwendungsorientierte Forschung Lösungen

schungsarbeiten darauf abgestellt.

zu ﬁnden, die später in Produkte münden. Die Zukunft wird hier, an einem Thüringer Forschungs- und

Um diese Felder letztendlich für den Anwendungs-

Entwicklungsinstitut, „erarbeitet“ und befähigt unse-

partner nutzbringend bedienen zu können, bedarf es

re Industriepartner, Wettbewerbsvorteile zu gewin-

der genannten Beherrschung von Technologien, wie

nen. Gemeinsam werden so zukunftsfähige Produkt-

beispielsweise CAD (Computer-Aided-Design) von

innovationen entwickelt. Dabei rückte – nicht zuletzt

der Device-Modellierung auf Basis der Finite-Elemen-

durch die Hightech-Strategie der Bundesregierung

te-Methode bis zum rechnergestützten Design von

– der übergreifende Systemgedanke in den Mittel-

Schaltungen, Systemen und Maschinen, Präzisions-

punkt. Das heißt eine Gesamt-Systemkompetenz bei

und Hochtemperaturelektronik, Embedded Software

Verschmelzung von Mikroelektronik-und Mechatro-

Design und der Integration von Kommunikations- und

nik mit Interdisziplinarität und einem breiten Erfah-

Energy-Harvesting-Funktionen. Zur eﬀektiven An-

rungs- und Wissenspotenzial heranzubilden.

wendung dieser Technologien ist wiederum die tiefgehende Kenntnis von Methodiken Voraussetzung.

Die für Thüringen identiﬁzierten Zukunftstrends und

Dazu gehören u. a. Fähigkeiten der konstruktiven Ge-

daraus abgeleiteten Wachstumsfelder sind die Basis

staltung und Kenntnisse innovativer Entwurfsmetho-

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JAHRESBERICHT 2010

den, des modellbasierten Entwurfs mit System- und

zubringen, dabei neue und ungewöhnliche Zutaten

Komponenten-Modellierung einschließlich virtuel-

auszuprobieren und stets einen hohen Qualitätsan-

lem Prototyping sowie der Optimierung von einge-

spruch zu wahren. Es kommt auf die Spezialitäten

Starke Partner für innovative Entwicklungen

betteten elektronischen Plattformen für industrielle

und darüber hinaus auf den Mehrwert an. Auf das

Die Zusammenarbeit mit der Universität war in 2010

Einsatzfälle.

Institut übertragen sind dies beispielsweise Anwen-

wieder sehr vielfältig und fokussierte neben einer

dungen in der Medizintechnik und Bioanalytik oder

breiten wissenschaftlichen Zusammenarbeit gleich-

Wie erreicht das IMMS diesen Vorsprung? Das Ins-

energieeﬃziente Systeme. Wie auch der Trend bei

falls auf Lehre und Studentenförderung. Beides ist

titut hat sich schon seit Jahren dem Ansatz „More

guten Küchen dazu übergeht, die Nahrungsmittel

gemeinsam zu sehen, denn so wurde z. B. ein am

than Moore“ verschrieben, d.h. über die nach dem

aus der Region zu bevorzugen, so setzt das IMMS

IMMS arbeitender Student der Universität mit einem

Mooreschen Gesetz zunehmende Systemkomple-

schon immer auf die enge Kooperation mit regiona-

Best Paper Award für seine Forschungsarbeit in der

xität durch steigende Integrationsdichte hinaus

len Unternehmen. Neben dieser regionalen Einbin-

Analogschaltungsentwurfsmethodik ausgezeichnet.

gleichzeitig auch intelligentere Systeme zu entwer-

dung wird aber auch die nationale und internatio-

fen. Entwicklungen beginnen mit der Idee und dem

nale Sichtbarkeit angestrebt. Die Forschungs- und

Design. Das IMMS geht aber weiter, entwickelt die

Entwicklungsergebnisse des IMMS können sich in-

einzelnen Bauelemente und Baugruppen bis schließ-

ternational messen und

lich hin zur Integration des Systems und letztendlich

werden hier in Thüringen

zum Prototypen. Zukünftig wird das Institut sogar

einen Leuchtturm mit ei-

die Serienfertigung begleiten. Die Beherrschung

ner weiten Ausstrahlung

aller Stufen des Entwurfsprozesses gepaart mit

entstehen lassen. Hier in

innovativen Ideen für intelligentere Systeme ist das

Thüringen

Alleinstellungsmerkmal, welches das IMMS und sei-

schon jetzt“.

ist

„Zukunft

ne Partner für die Zukunft wappnet. Die Forscher und Entwickler des IMMS sind wie die Köche in einem Spezialitätenrestaurant – mit einer engen Verbundenheit zu den Erzeugern, aber auch zu den Gästen. Die Kunst besteht darin, die Zutaten immer wieder zu neuen Kreationen zusammen-

ZUKUNFT IST JETZT – IMMS

Vor allem in der Forschung bestehen ein breites Netz-

Aber auch in der gemeinsamen Lehre vermittelt das

werk und eine enge Zusammenarbeit mit der Univer-

IMMS theoretisch fundiertes Methodenwissen mit

sität. So befruchten Kontakte zu 28 Fachgebieten die

starkem Anwendungsbezug und verdeutlicht den Stu-

gegenseitige wissenschaftliche Arbeit – wie zum Bei-

dierenden damit bereits sehr früh die Praxisrelevanz

spiel in der Elektro- und Informationstechnik, im Ma-

des erlernten Stoﬀes. Auch bietet das IMMS fakulta-

schinenbau, in der Informatik und Automatisierung, in

tive Trainingskurse und Firmenbesichtigungen für die

der Mathematik aber auch bei den Medien- und Kom-

Studierenden an. Ganz besonders spiegelt sich der

munikationswissenschaften. Ausdruck dessen sind

enge Bezug zu den Studierenden aber darin wieder,

auch 12 Forschungsprojekte (Stand 2010) mit Betei-

sie als Praktikanten, wissenschaftliche Hilfskräfte

ligung des IMMS und der Universität. Projektschwer-

und im Rahmen von Studien-, Diplom-, Bachelor- und

punkte sind Nanopositionier- und Nanomessmaschi-

Masterarbeiten aktiv in die Forschungs- und Entwick-

nen (SFB 622), Multisensorik (u. a. zur Überwachung

lungsarbeit am Institut zu integrieren.

von Hochtemperaturprozessen), neue Methoden im integrierten Analogschaltungsentwurf, mehrere Aktivitäten in der Mikrosystemtechnik und im Bereich MEMS (mit Schwerpunkten auf systematischer Modellierung, Design und Test), Hochfrequenztechnik (u. a. Satellitennavigation),

Messungen

und

Parameter-

identiﬁkation an mechanischen und speziellen elektrischen Devices sowie in der Biomedizintechnik (z. B. die Entwicklung eines personalisierten miniaturisierten Audio-Dosimeters). Neben den laufenden Projekten wird bereits an neuen gemeinsamen Initiativen gearbeitet, wobei die Anwendungsorientierung im Sinne der Hightech-Strategie des Bundes immer stärker in den Mittelpunkt rückt.

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JAHRESBERICHT 2010

Netzwerke unterstützen Industrie und Forschung

Zur Netzwerkarbeit gehören auch gemeinsame

Die Kompetenzen des IMMS sind auch im Spitzen-

Messeauftritte zur Bündelung und Sichtbarmachung

custer „Cool Silicon“ gefragt. Hier geht es insbeson-

regionaler Kompetenzen sowie die Etablierung ak-

dere um eine massive Steigerung der Energieeﬃzi-

Getreu dem Motto “gemeinsam sind wir stark”

tueller Workshop-Themen für die Aus- und Weiter-

enz auf dem Gebiet der Mikro- und Nanoelektronik

wird es zunehmend wichtiger, dass sich Akteure

bildung.

für die Schlüsselbranche der IKT.

ßen. So auch in Thüringen. Thüringen gehört zu

Als Mitglied des Wissenschaftsrates im AMA-Fach-

Aber nicht nur in der Region, sondern auch überregi-

den führenden Regionen in der Mikrosystemtech-

verband für Sensorik wurde eine Studie „Sensor-

onal engagiert sich das IMMS. Als Beispiele genannt

nik in Deutschland. Zahlreiche KMU stellen hoch

Trends 2014“ mit erarbeitet. Anhand ausgewählter

seien das edacentrum, das sich für die Entwurfsau-

spezialisierte Komponenten und komplexe Mikro-

Anwendungsgebiete bündelt die Studie Erfahrun-

tomatisierung (Electronic Design Automation, EDA)

systeme her. Das IMMS – als Vermittler zwischen

gen und Entwicklungstrends der Sensorik – Haus-

als Schlüssel zur Mikroelektronik und Mikrosystem-

Wissenschaft und Wirtschaft – bringt hier seine

haltstechnik, Sicherheitstechnik, Medizintechnik zur

technik einsetzt, sowie das internationale Cadence

Kompetenzen in den Branchen Elektrotechnik, Op-

Diagnostik und Therapie, Biosensorik und Fahrzeug-

Academic Network, in dem das IMMS gemeinsam

tik, Maschinenbau, Automotive, Informations- und

technik.

mit der TU Ilmenau eine der acht Lead Institutions

aus Wissenschaft und Wirtschaft zusammenschlie-

ist.

Kommunikationstechnologie (IKT) und Logistik ein. Dabei wirkt es seit Jahren aktiv an der Initiierung

Auch im Innovationsforum „Feinstaubarmes Fahr-

und Gestaltung von regionalen/überregionalen und

zeug“ des ACOD (Automotive Cluster Ostdeutsch-

Diese zukunftsorientierten Kooperationen von Wis-

branchenübergreifenden Clustern in den jeweiligen

land) bringt das IMMS seine Kompetenzen zur Sen-

senschaft und Wirtschaft zeigen, dass die techni-

Technologiefeldern mit. In Thüringen sind es Clus-

sorik und Signalverarbeitung ein.

sche, ökonomische und ökologische Leistungsfähigkeit noch eﬀektiver gestaltet und ausgebaut werden

ter-Initiativen, wie OptoNet (Netzwerk für optische Technologien), ELMUG (Elektronische Mess- und

Das IMMS ist ebenfalls Mitglied des Silicon-Saxony

kann – eine Chance und Herausforderung für nach-

Gerätetechnik in Thüringen), automotive thüringen

e.V, dem größten Industrieverband der Mikroelekt-

haltiges Denken und wirtschaftlichen Erfolg.

(Automobilzuliefer-Verband in Thüringen) oder MNT

ronik Europas. Durch die enge Zusammenarbeit im

(Mikro-Nanotechnologie

Gleichzeitig

Verein haben sich unter maßgeblicher Mitwirkung

sind die Universitäten und Forschungseinrichtungen

des IMMS u. a. anwendungsorientierte Arbeitskreise

wichtige Kompetenzträger in der Mikrosystemtech-

wie “RFID Saxony” und „SatNav Saxony“ gebildet.

Thüringen).

nik und Nanotechnologie.

ZUKUNFT IST JETZT – IMMS

15 TESTIMONIALS

IMMS ist seit vielen Jahren der wichtigste Forschungs-

Durch seine Kompetenz und Expertise im Bereich

partner der X-FAB AG. Die erfolgreiche Zusammen-

der integrierten Antriebe leistet das IMMS seit Jahren

arbeit wurde in 2010 auf vielen Gebieten fortgeführt

einen enorm wichtigen Beitrag zur Erforschung der

und in strategischen Richtungen vertieft. Dabei nutzt

Grundlagen für Nanopositionier- und Nanomessma-

X-FAB sowohl die speziellen Kompetenzen des IMMS

schinen in Ilmenau. Das nun realisierte System stellt

als Partner in öﬀentlich geförderten Forschungspro-

einen Meilenstein in dieser Entwicklung dar. Es de-

jekten als auch die ingenieurtechnischen Resour-

monstriert eindrucksvoll das Potential des vom IMMS

cen mit direkten Industrieaufträgen. Das IMMS ist

umgesetzten Antriebsprinzips in Verbindung mit

mit den Kompetenzfeldern Mikroelektronik, Mecha-

hochauﬂösenden Laserinterferometern als Messsys-

tronik und System Design gut aufgestellt, unsere

tem und ist so auch ein Musterbeispiel für die enge

„More-than-Moore“ Roadmaps zu unterstützen. Der

und erfolgreiche Zusammenarbeit zwischen dem

Trend zu heterogenen Systemen ist auch an den For-

IMMS und unserem Fachgebiet an der Universität.

schungs- und anderen Kooperationsprojekten ablesbar, sie reichen von analog/mixed-signal Design über integrierte Optoelektronik und Mikromechanik hin bis zu Aufgabenstellungen der Zuverlässigkeit von Hochtemperaturanwendungen. Als industrienahes Forschungsinstitut ist das IMMS bestens aufgestellt, sowohl die Anforderungen der Großindustrie als auch der überwiegend klein- und mittelständischen Anwender zu erfüllen.

DR. JENS KOSCH CHIEF TECHNICAL OFFICER X-FAB SEMICONDUCTOR FOUNDRIES AG

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JAHRESBERICHT 2010

DR.-ING. HANS-JOACHIM BÜCHNER PROJEKTLEITER LASERINTERFEROMETRIE INSTITUT FÜR PROZESSMESS- UND SENSORTECHNIK, TU ILMENAU

Im Rahmen vieler Gespräche mit unseren Kunden

Das Institut für Mikroelektronik- und Mechatronik-

haben wir erkannt, dass zur Entwicklung von zuneh-

Systeme (IMMS) ist im Januar 2009 dem Open Source

mend komplexer werdenden industriellen Elektro-

Automation Development Lab (OSADL) beigetreten

niksystemen vor allem hervorragend ausgebildete

und trägt seitdem zur Entwicklung von Open-Sour-

Ingenieure benötigt werden, die über ein breit ange-

ce-Software-Komponenten

legtes Wissen und hohe Technologiekompetenzen

rungsindustrie bei. Für diese Beteiligung danken

verfügen. Das Cadence Academic Network bietet

wir dem IMMS im Namen unserer Mitglieder und der

in diesem Zusammenhang eine optimale Plattform

weltweiten Community sehr. Darüber hinaus haben

zum Austausch von Expertenwissen innerhalb der

IMMS und OSADL gemeinsam zwei Veranstaltungen

Hochschulen und zwischen der Industrie, den Uni-

im Jahre 2010 zum Thema „Embedded Linux“ in den

versitäten und Cadence. Das IMMS und die Tech-

Räumen des Unternehmens durchgeführt. Bei die-

nische Universität Ilmenau ist als eine der acht

ser Gelegenheit konnte ich mich von der hervorra-

Lead-Institutions ausgewählt worden, weil sie eine

genden Infrastruktur des IMMS sowie von der hohen

Vorreiterposition für die Entwicklung, Weitergabe

fachlichen Kompetenz und den außerordentlichen

und Vermittlung modernster Design-Methodiken

organisatorischen und didaktischen Fähigkeiten der

einnehmen.

Mitarbeiter des IMMS überzeugen.

DR. PATRICK HASPEL COORDINATOR OF THE CADENCE ACADEMIC NETWORK (CAN)

für

die

Automatisie-

DR. CARSTEN EMDE GESCHÄFTSFÜHRER OSADL E. G.

TESTIMONIALS

2010 waren im IMMS 100 Mitarbeiter beschäftigt.

Die Einnahmen aus industrieller Auftragsforschung

Hiervon waren 59 Wissenschaftler und als FTE 28

haben sich um ca. 30 Prozent erholt. Dennoch ha-

Studenten in der Forschung und Entwicklung tätig,

ben sie den Stand vor der Weltwirtschaftskrise noch

was ca. 87 Prozent aller IMMS Mitarbeiter entspricht.

nicht erreicht. Die wirtschaftliche Lage 2010 hat sich auf einem unerwartet hohen Niveau stabilisiert und

Wie bereits in den letzten Jahren haben insgesamt

steht kurz davor an den Stand vor der Krise aufzu-

eine große Zahl von Studenten (ca. 58) die Angebote

schließen. Die Stimmung in der Wirtschaft ist gut.

des IMMS wahrgenommen, ihre Ausbildung in praxi-

Das lässt in der Zukunft auf eine rasche Zunahme der

sorientierter Forschung zu vertiefen und zu vervoll-

industriellen Auftragsforschung hoﬀen. Strategisch

ständigen: 33 Studenten absolvierten Praktika, 8

hat sich das IMMS konsequent auf die Zukunftsthe-

Diplomarbeiten, 3 Bachelorarbeiten und 4 Master-

men Gesundheit, Sicherheit, Energie, Mobilität, Kom-

arbeiten wurden betreut und 3 Mitarbeiter sind ge-

munikation und Automatisierung als Anwendungsge-

genwärtig als Doktorand an einer Universität einge-

biete seiner Forschungsergebnisse konzentriert. Ziel

schrieben.

ist die nachhaltige und dynamische Entwicklung des Transfers von Forschungsleistungen in die Industrie. Die Einnahmen aus öﬀentlicher Projektförderung waren 2010 stabil.

Personalentwicklung Studenten

27 %

15 %

in Mio €

IMMS IN ZAHLEN 2010

Projekteinnahmen

2,5

Industrieeinnahmen Projektförderung Sonstige

58 %

1,5 1 0,5

Sonstige Wissenschaftler

0 Ist05

Ist06

Ist07

Ist08

Jahre

IMMS | ZUKUNFT IST JETZT |

JAHRESBERICHT 2010

Ist09

Ist10

Die positive Entwicklung der Projektförderung kenn-

Der Freistaat Thüringen hat 2010 für verlässliche

zeichnet die Akzeptanz des IMMS als Forschungs-

Bedingungen für die institutionelle Zuwendung ge-

partner. Nahezu alle dieser Projekte sind Verbund-

sorgt. Das hat insbesondere die Zusammenarbeit

projekte. Dem IMMS ist es gelungen, durch seine

mit den kleinen und mittelständischen Betrieben

Netzwerkaktivitäten die Projektaktivitäten sichtbar

gefördert.

zu steigern. Der Rückgang industrieller Auftragsforschung wird nicht von Dauer sein. Seine Überwindung bedeutet für das IMMS jedoch eine große Herausforderung. Erträge aus dieser Tätigkeit dienen

Finanzierungssäulen

zur Finanzierung deﬁzitärer öﬀentlich geförderter Projekte.

Durch sein großes Engagement in der studenti1,5

schen Ausbildung konnte das IMMS ausreichend die Qualität von wissenschaftlichen Mitarbeitern sicherzustellen. Damit war es möglich, die wachsende Zahl öﬀentlich geförderter Forschungsprojekte bearbeiten zu können.

in Mio €

Absolventen werben, um die notwendige Zahl und 1

0,5

0 Ist05

Ist06

Ist07

Ist08

Jahre Industrieeinnahmen

Projektförderung

Ist09

Ist10

Grundﬁnanzierung

IMMS IN ZAHLEN 2010

15 DAS IMMS-TEAM

„Wir bringen Ideen auf den Weg, die ihrer Zeit voraus sind.“

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JAHRESBERICHT 2010

„Zukunft ist jetzt!“

DAS IMMS-TEAM

wissenschaft zu begeistern. Andere brachten sich in besonderer Weise bei der Neugestaltung des Mathematikstudiums ein oder arbeiteten neue Lehrveranstaltungen und Lehrformen aus.

Die Technische Universität Ilmenau hat 2010 erstmals den Lehrpreis vergeben. Er wird künftig jedes Jahr für besondere Leistungen in der Lehre an Hochschullehrer und Mitarbeiter der fünf Fakultäten der Universität verliehen. Darunter war in diesem Jahr auch Prof. Dr.-Ing. Ralf Sommer, der wissen-

Die Universität stellt für den Lehrpreis jährlich insgesamt 10.000 Euro Preisgeld bereit. Der Lehrpreis 2010 wurde am 9. Oktober im Rahmen der Feierlichen Immatrikulation an insgesamt 11 Preisträger überreicht.

schaftliche Geschäftsführer der IMMS GmbH. Alle Preisträger zeichnet aus, dass sie sich mit großem Engagement um ihre Studierenden kümmern. Die Preisträger seien, wie es in der Begründung für die Verleihung heißt, „unentwegt

und

unermüdlich

Foto: Kathrin Pöhler

AUSZEICHNUNGEN UND EHRUNGEN

Institutsleiter des IMMS erhielt Lehrpreis der TU Ilmenau

Ansprechpartner

für die Studierenden“ und setzten sich für die Betreuung und Vermittlung von Studien- bzw. Bachelor- und Masterarbeiten sowie von Praktikumsplätzen ein. Vor allem bei der Förderung begabter Nachwuchstalente engagierten sie sich stark.

Einigen Preisträgern sei es in „lebendiger Weise“

Ein Teil der Lehrpreisträger: (von links) Dr. Karsten Henke, Prof. Horst-Michael Groß, Dr. Thomas Kups, Marko Hennhöfer & Prof. Ralf Sommer

gelungen, Wissen des ingenieurwissenschaftlichen Studiums „stets verständlich und anschaulich zu vermitteln“ und die Studierenden für die jeweilige Fach-

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JAHRESBERICHT 2010

Professor Töpfer wird Board-Mitglied des FLUXONICS e. V. Der Leiter des Fachgebietes Theoretische Elektrotechnik der TU Ilmenau und Mitarbeiter des IMMS, Professor Hannes Töpfer, ist Ende

Die Wahl des Ilmenauer Wissenschaftlers erfolgte in

die Gebiete der Veriﬁkation, des Designs und der

Anerkennung exzellenter Forschung auf dem Gebiet

Implementation von Mikroelektronischen Systemen.

der supraleitenden Elektronik. In diesem Bereich

Neben verschiedenen Aktivitäten, wie Beiträge zur

zählt die TU Ilmenau zu den führenden Forschungs-

Konferenz CDNLive 2010, organisierte das IMMS in

einrichtungen weltweit.

2010 zwei Workshops zusammen mit Cadence, in denen der AMS-Designer sowie ein Assessment zur

Prof. Töpfer arbeitete bis zu seinem Ruf an die Uni-

Design-Infrastruktur und Anwendungsmethodik im

versität in 2009 als Themenbereichsleiter System

Mittelpunkt standen.

Design am IMMS und begleitet seit dem wissenschaftliche Projekte am Institut.

führenden Herstellern aus dem Bereich der EDA

2010 in das Board des FLUXONICS e. V. gewählt worden.

CADENCE ACADEMIC NETWORK Lead Institution

Der Verein ist international aufgestellt und widmet

2010 wurde die Technische Universität Ilmenau

sich der Entwicklung von Sensoren und Elektronik

gemeinsam mit dem IMMS als eine der acht Lead-

auf Basis der Einzelﬂuss-Quantentechnologie. Das

Institutions im internationalen Cadence Academic

Ziel ist es, die Entwicklung vor allem in Europa vo-

Network aufgenommen. Das akademische Netz-

ranzutreiben und – damit verbunden – technologi-

werk wurde bereits 2007 durch Cadence Europe ins

sche Innovationen durch Forschung, Training und

Leben gerufen. Das Ziel war es, Leading-Edge-Tech-

Wissenstransfer zu promoten. FLUXONICS setzt

nologien und Methoden an Universitäten zu proﬁlie-

sich aus universitären Laboratorien, nationalen For-

ren, die für ihre Spitzenleistung in den Ingenieurwis-

schungszentren sowie Industrieunternehmen ver-

senschaften und im elektronischen Design bekannt

schiedener europäischer Länder zusammen.

sind. Somit wurde ein Wissensnetzwerk initialisiert,

Website: www.ﬂuxonics.org

Durch die enge Zusammenarbeit des IMMS mit den (Electronic Design Automation) wurden die Technischen Universität Ilmenau und das IMMS weiterhin mit der besten heutzutage verfügbaren kommerziellen Entwurfssoftware (Cadence sowie MunEDA) ausgestattet.

dem ausgewählte europäische Universitäten, Forschungsinstitute, Industriepartner und Cadence angehören. Die Schwerpunkte des Austauschs von technologischer Fachkompetenz betreﬀen vor allem

AUSZEICHNUNGEN UND EHRUNGEN

15 IMMS-EVENTS: VON „MORE THAN MOORE“ BIS OPEN SOURCE

Analog 2010 – Mit dem Leitmotto „More than Moore“

Systeme. Auf der Analog 2010 wurden insgesamt 30 Beiträge über aktuelle Forschungsarbeiten aus diesem Themenfeld präsentiert. Ergänzt wurde das wissenschaftliche Programm durch eingeladene Vorträ-

In Zusammenarbeit mit der Informationstechnischen Gesellschaft im VDE (ITG) und der VDE/VDI-Gesellschaft für Mikroelektronik, Mikro- und Feinwerktechnik (GMM) richtete das IMMS die 11. ITG/GMM-Fachtagung „ANALOG 2010 – Entwicklung von Analogschaltungen mit CAE-Methoden“ vom 22. bis 24. März 2010 in Erfurt aus. Die Konferenz stand in diesem Jahr unter dem Leitthema „More than Moore“. Dieser sich in den letzten Jahren abzeichnende Trend in der elektronischen Schaltungstechnik zur Diversiﬁkation der Technologien und Integration heterogener Funktionalität erfordert eine entsprechende Erweiterung des Entwurfsprozesses für integrierte Analog/Mixed-Signal-

ge und Tutorials. Ein Tutorial behandelte das Thema „Elektronik für die Medizintechnik“. In diesem erläuterte Prof. Dr. Maurits Ortmanns von der Universität Ulm den „Schaltungsentwurf für implantierbare Neurostimulatoren“ – speziell die besonderen technischen und wissenschaftlichen Herausforderungen beim Entwurf elektronischer Systeme in diesem Anwendungsbereich. Mit Prof. Ortmanns kooperiert das IMMS auch im Rahmen eines Forschungsprojekts zur Entwicklung eines elektronischen Retina-Implantats; das Institut ist hier für die Entwicklung eines energieeﬃzienten Detektor-ICs für Infrarot-Datensignale verantwortlich. Weitere Tutorials beschäftigten sich mit dem „Rechnergestützten Entwurf wieder verwendbarer Analogschaltungen“ und „MEMS-Technologien in einer PurePlay Wafer Foundry“. Nahtlos schloss der einführende Gastvortrag unter dem Titel „More than Moore: Trend or Hype?“ an. Dr. Jens Kosch von der X-FAB Semiconductor Foundries AG umriss den derzeit wachsende Bedeutung erlan-

IMMS | ZUKUNFT IST JETZT |

JAHRESBERICHT 2010

IMMS bietet WorkshopReihe für die Industrie

chen Elementen eingebetteter Systeme sowie zu-

Um die Zusammenarbeit zwischen dem Thüringer

aus Forschung, Entwicklung, Fertigung und Vertrieb

Forschungs- und Entwicklungsinstitut und der an-

von Sensorherstellern sowie industrielle Anwender

sässigen Industrie weiter zu befördern, initiierte das

von Sensoren und Designer von eingebetteten Sys-

IMMS in 2010 eine Workshop-Reihe im Bereich Sys-

temen – waren begeistert von diesem Hands-On-

tem Design.

Wissenstransfer.

gehörigen Technologien und relevanten Standards. Die Teilnehmer – meist Entscheider und Mitarbeiter

So fanden im Juli und November 2010 zwei weitere Workshops – diesmal in Zusammenarbeit mit dem genden Themenbereich „More than Moore“ mit Sys-

OSADL e. G. (Open Source Automation Development

temintegration von analogen Komponenten, aber

Lab) – zu „Embedded Linux“ statt. Mit jeweils 20 Teil-

auch von Sensoren, Aktoren sowie biotechnischen,

nehmern waren die Workshops ein voller Erfolg. In

optischen und MEMS-Elementen. „More than Moore“

den Workshops informierten die Vortragenden über

werde laut Kosch eine wachsende Bedeutung für die

Chancen, praktische Lösungsansätze und rechtliche

Halbleiterindustrie erlangen.

Aspekte von Open Source – gefolgt von ersten praktischen Schritten im Umgang mit echtzeitfähigem

Die Konferenz bestätigte ihre Bedeutung – wie auch

Embedded Linux. Die Teilnehmer aus dem gesam-

bereits in der Vergangenheit – als wichtige Veran-

ten Bundesgebiet und natürlich auch Ilmenau und

staltung für die Darstellung der Förderprojektland-

Umgebung konnten sich selbst ausprobieren und ihr fachliches Know-how einbringen.

schaft Deutschlands im Bereich der EDA-Methodik-

Bereits im Februar 2010 organisierte das IMMS ge-

forschung. Der große Anteil von Teilnehmern aus

meinsam mit dem AMA Fachverband für Sensorik

Industrieunternehmen belegt die nach wie vor hohe

e. V. einen Workshop in Erfurt. Die Zielsetzung reich-

Lobendes Feedback der Teilnehmer ermutigte die

und weiterhin wachsende Bedeutung der Entwurfs-

te von einem allgemeinen Überblick zum technolo-

Mitarbeiter des IMMS, diese Workshops fortzufüh-

automatisierung für die wirtschaftliche Entwicklung

gischen Stand, über die Vorstellung typischer, aber

ren und zukünftig auch andere Themen in Angriﬀ

der Mikro- und Nanoelektronik und -systemtechnik

auch neuartiger Anwendungsszenarien im Bereich

zu nehmen. So wurde dann bereits im Dezem-

in Deutschland.

der Sensorik bis hin zu Informationen zu wesentli-

ber ein weiterer Workshop – nun mit dem Thema

IMMS-EVENTS: VON „MORE THAN MOORE“ BIS OPEN SOURCE

„Modulare Plattformen in der Entwicklung eingebetteter Systeme“ – in Zusammenarbeit mit Arrow Electronics angeboten. Da die Anforderungen an eingebettete Systeme, aber auch deren Realisierungsmöglichkeiten immer vielfältiger werden, wurden die Vorteile modularer Ansätze herausgearbeitet und zur Diskussion gestellt.

Lange Nacht der Technik 2010 – „Glanzlichter“ auch am IMMS

•

2010, erlebten mehr als zehntausend Besucher auf

Weiterhin wurden einige Zukunftstrends auf dem Gebiet der Entwicklung eingebetteter Systeme aufgezeigt und Arrow Electronics präsentierte das Embedded Platform Concept (EPC) und die entsprechenden Hardware-Komponenten.

für Kinder mit Sensortechnik (IMMS/Sportident) durch einen kleinen Parcours auf dem Außen-

Zur Langen Nacht der Technik in Ilmenau – organisiert von der Technischen Universität Ilmenau – am 28. Mai

den „Ilmenauer Speedway“ – einen Wettlauf

gelände vor dem EAZ

•

den „Kugelstoßer“ – eine kleine und höchst

•

zwei Stationen, an denen Sensoren Beschleuni-

•

den Planarmotor PPS 100, welcher zeigte, wie

präzise Wurfmaschine mit Magnetantrieb

gung und Treﬀ sicherheit ermittelten

mit Hilfe moderner Fertigungstechnologien haargenau gemessen, positioniert und geschnitten werden kann.

Das IMMS möchte vor allem der ansässigen Industrie eine Plattform bieten, um direkt mit dem Institut ins Gespräch zu kommen und auf ganz praktische Art und Weise – mit vielen Anwendungsbeispielen – die Kompetenzen des IMMS kennenzulernen. Gleichzeitig soll das vorhandene Know-how an Industriepartner weitergeben und somit einen Wissenstransfer geschaﬀen werden. Aber auch die bestehenden Verbindungen mit Industrie- und Netzwerk-Partnern werden dadurch gestärkt. Für 2011 sind weitere Workshops in Planung.

der Technologiemeile eine Inszenierung aus Wissenschaft, Technik, Kultur und Gaumenfreuden mit insgesamt 12 Stationen und über 150 interessanten und spektakulären Präsentationen und Vorführungen. Eine Station war das IMMS im Ernst-Abbe-Zentrum. Ab 18 Uhr öﬀ nete das IMMS die Türen und präsentierte:

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JAHRESBERICHT 2010

Außerdem zeigte die Heinz-Firmengruppe zusammen mit dem IMMS, wie Temperaturen drahtlos mit Sensoren an schwer zugänglichen Teilen oder in extremen Temperaturbereichen z. B. unter -40 °C und über 125 °C gemessen werden. Fast 1.000 Besucher konnte das IMMS an diesem Abend begrüßen und viele Gespräche zeigten, wie groß das Interesse an den technischen Hintergründen war. So haben die Exponate nicht nur die Jüngeren angezogen, sondern auch die Älteren zum Nachfragen und Diskutieren angeregt.

IMMS-EVENTS: VON „MORE THAN MOORE“ BIS OPEN SOURCE

15 INSTITUTSLEBEN

RUN – Wir waren Klasse!

Lauf sollte in erster Linie Spaß machen. Und das ju-

Unter dem Motto „Working together to win! Running

der Fall war.

belnde Publikum konnte bezeugen, dass dies auch

together to win!“ fand am 9. Juni der zweite Thüringer Unternehmenslauf RUN in Erfurt statt. Rund fünf Kilometer führte die neue, optimierte Strecke

IMMS/IDMT-Grillfest

durch die historische Erfurter Innenstadt – mit Start und Zieleinlauf am Dom. Bei 28 Grad im Schatten waren aber auch diese fünf Kilometer keine Kleinigkeit. Über 2.300 Läufer von 190 Firmen spurteten los, als Oberbürgermeister Andreas Bausewein um 19 Uhr den Startschuss gab.

Im August nutzte man das hervorragende Sommerwetter und tat sich mit dem benachbarten Fraunhofer-Institut für Digitale Medientechnologie zu einem Grillfest zusammen. Die Mitarbeiter des Fraunhofer IDMT und des IMMS kamen sich auf diesem Wege bei Bratwurst und Bier näher und das „NachbarschaftsGrillfest“ wurde zu einem Erfolg, der 2011 wiederholt

Auch das IMMS war in diesem Jahr mit einem eige-

werden soll.

nen kleinen Team vertreten. Murat Isikhan, Torsten Reich, Jacek Nowak, Glenn Methner und Andre Jäger (von links nach rechts) gaben ihr Bestes und beendeten den Lauf im vorderen Mittelfeld. Tolle Leistung! Dabei stand der Team-Gedanke im Mittelpunkt – der

IMMS | ZUKUNFT IST JETZT |

JAHRESBERICHT 2010

IMMS – Präzision in jeder Position

IMMS verbindet Wissenschaft mit Kunst – Über Institutsstandorte hinweg

... und auf jeder Oberﬂäche,

sollte

Das IMMS hat sich seit Jahren dem Anspruch ver-

man

Denn

schrieben, Kultur und Kunst zu fördern und in das

BVMW-Rodel-

alltägliche Institutsleben zu integrieren. So hat das

beim Cup

sagen. 2010

20.

IMMS in diesem Jahr eine Ausstellung mit modern

August waren unter

bearbeiteten Fotograﬁen in seine Räume geholt.

den ca. 80 Teilnehmern von Thüringer Unternehmen

auch

zehn Mitarbeiter des IMMS. Die zwei IMMS Mannschaften – die Damen mit dem Motto „Ilmenauer Mädels Mögens Schnell (IMMS)“ und

Auch Ehrengäste nahmen an der Veranstaltung teil.

Das Besondere der diesjährigen Kunstschau war die

So waren Ute Oberhoﬀ ner, u. a. Bronzemedaillenge-

gleichzeitige Durchführung an beiden Standorten

winnerin bei den Olympischen Spielen 1984 in Sa-

des IMMS – in Ilmenau und in Erfurt.

rajevo und Olympia-Zweite 1988 in Calgary, sowie Hans Rinn, u. a. Olympiagewinner 1976 in Innsbruck und Goldgewinner 1980 in Lake Placid, auch beim Rodel-Cup zugegen.

die Herren mit dem Motto: „Präzision in jeder Position“ – konnten sich bei der ersten IMMS-Teilnahme am Rodel-Cup gut im Mittelfeld positionieren. Gegen die starke Konkurrenz erzielte Franziska Schonert sogar den 3. Platz in der Dameneinzelwertung.

Bereits im März 2010 fand die Vernissage im Anwendungszentrum Mikrosystemtechnik in Erfurt statt. Das dort mit einem Institutsteil ansässige IMMS und das Forschungsinstitut für Mikrosensorik und

INSTITUTSLEBEN

Standort Erfurt-Südost die Fotoschau unter dem Na-

IMMS hat ein Herz für Kinder

men „Dialoge – Fotograﬁsche Bilder“.

Das IMMS rief dieses Jahr alle Mitarbeiter auf, sich an

Photovoltaik GmbH (CiS) sowie der Forschungs- und Industriezentrum (FIZ) Erfurt e. V. organisierten am

einer Weihnachtsaktion für bedürftige Kinder in ErMit der Ausstellungseröﬀ nung waren ausgewählte

furt zu beteiligen. Diesem Aufruf folgten viele – sie

Stücke des Künstlers Dieter Müller auch in Ilmenau in

packten und beklebten liebevoll Weihnachtspäckchen

den Gängen des IMMS zu bewundern. Anlässlich der

für Kinder aller Altersstufen. Anfang Dezember wur-

„Langen Nacht der Technik“ am 28. Mai lud das IMMS

den die Überraschungspakete an die Evangelische

alle Kunst-, Fotograﬁe- und natürlich auch Technikin-

Stadtmission Erfurt übergeben. Dort wurde dann am

teressierten zur Finissage der Ausstellung ein.

10. Dezember eine Weihnachtsfeier für bedürftige Kinder der Landeshauptstadt Erfurt ausgerichtet, bei

Die fotograﬁschen Arbeiten Dieter Müllers fordern

der auch die im IMMS gesammelten Geschenke den

zum Dialog mit dem Betrachter auf. Gestaltungskraft

Kindern überreicht wurden.

entsteht mit den Möglichkeiten der digitalen Fotocollagen, ebenso wie mit dem Fotograﬁeren aus ungewohnten Sichten.

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JAHRESBERICHT 2010

15 STEIGERUNG DER ENERGIEEFFIZIENZ EINGEBETTETER SYSTEME

Computer oder Laptop sind als Arbeitsmittel und ste-

der zur Verfügung stehenden Energie auf immer leis-

tiger Begleiter aus dem heutigen Alltagsleben kaum

tungsfähigeren eingebetteten Systemen ist daher

noch wegzudenken. Bei über 90 Prozent der weltweit

unabdingbar.

eingesetzten Rechnersysteme handelt es sich jedoch um so genannte eingebettete Systeme. Im Jahr 2008

Das IMMS widmet sich seit längerer Zeit diesem zen-

wurden 3 Milliarden eingebettete Systeme und Kom-

tralen Zukunftsthema und arbeitet dazu im Rahmen

ponenten weltweit verkauft. Eingebettete Systeme

mehrerer Verbundprojekte mit Partnern aus Indust-

überwachen, steuern und regeln – oft im Verborge-

rie und Forschung zusammen. Ausgangspunkt sämt-

nen – Prozesse und Anlagen. Bekannte Beispiele sind

licher Maßnahmen zur Steigerung der Energieeﬃzi-

das Mobiltelefon, die Überwachung der Vitalfunktio-

enz sind detaillierte Kenntnisse zu den beteiligten

nen beim Menschen durch medizinische Geräte, eine

Hardware- und Softwarekomponenten, zu deren

Vielzahl unterschiedlicher Sicherheits- und Komfort-

Zusammenspiel und zum jeweiligen Applikationsum-

systeme im Automobil (ABS, ESP) oder Steuerungen

feld, in dem das eingebettete System zum Einsatz

für Maschinen und Anlagen in der Industrie.

kommen soll. Die Analyse der Komponenten und ihres Verhaltens ermöglicht sowohl deren eﬃzienten

Ob mit Strom aus der Steckdose oder batteriebe-

und ressourcensparenden Betrieb als auch deren

trieben – jedes dieser Systeme benötigt Energie. So

Optimierung. Besondere Einsparpotenziale eröﬀ net

kommt die Arbeitsgruppe „High-Tech-Strategie für

ein intelligentes Power-Management eingebetteter

die Informationsgesellschaft“ des Nationalen IT-Gip-

Systeme, welches über die präzise Steuerung des

fels zu dem Schluss, dass „innovative Technologien

Energiebedarfs von Einzelsystemen hinaus auch eine

beim Entwurf von Hardware als auch Software, aber

zunehmend wichtige Rolle im Bereich verteilter Sys-

auch beim Betrieb der Embedded Systems benötigt

teme spielt.

werden.“ Parallel dazu geht das Bundesministerium für Bildung und Forschung in seiner Hightech-Strategie 2020 davon aus, dass in den nächsten zehn Jahren der Anteil der durch Systeme der Informations-

und Kommunikationstechnik benötigten Energie auf 20 Prozent steigen wird. Ein eﬃzienter Umgang mit

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JAHRESBERICHT 2010

hin zu energieautarken Systemen. Innerhalb des

Wärme, Schwingungen) mittels Energy-Harvesting-

Teilprojektes

(Förderkennzeichen

Lösungen soll Batterien ablösen. Dies stellt jedoch

13N10401) werden energieeﬃziente Funksensor-

weitreichende, bisher ungelöste Anforderungen an

systeme erforscht, welche für die Zustandsüber-

das Energiemanagement solcher eingebetteter Sys-

wachung technischer Systeme eingesetzt werden

teme, da die Verfügbarkeit von Energie nicht garan-

sollen. Die IMMS-Spezialisten sind im Projekt u. a.

tiert werden kann und diese oft sehr unregelmäßig

für die detaillierte energetische Analyse ausge-

zur Verfügung steht. Deshalb werden in „CoolCon-

wählter Sensor-, Signalverarbeitungs- und Funk-

Sens“ Lösungen erforscht, welche die zur Verfü-

komponenten verantwortlich. Dabei werden u. a.

gung stehende Energie innerhalb der vorgegebenen

Energieverbrauchsproﬁle kompletter eingebetteter

Messparameter und Quality-of-Service (QoS) Anfor-

Funksensorsysteme sowie ihrer wesentlichen Ein-

derungen optimal nutzen.

„CoolConSens“

zelkomponenten untersucht. In Abbildung 1 ist im Abbildung 1: Analyse des Energiebedarfs eines Funksensors

oberen Teil beispielhaft der Gesamtenergiebedarf eines Funksensors während eines typischen Ar-

Forschungsprojekte für Energieeﬃzienz „CoolConSens“ – Energieeﬃziente Funksensorsysteme

beitszyklus dargestellt, wobei im unteren Teil der

Als Partner im vom Bundesministerium für Bildung

nur auf einzelne Teilnehmer in einem Funknetzwerk.

und Forschung geförderten Spitzencluster „Cool Si-

Im Forschungsprojekt geht man jedoch ein Schritt

licon“ [1] entwickelt das IMMS gemeinsam mit nam-

weiter, indem die zur Verfügung stehende Energie

haften Unternehmen und Forschungseinrichtungen

des gesamten Netzwerkes – unter gleichzeitiger

technische Lösungen, die den Energieverbrauch

Beachtung der zu erzielenden Messgenauigkeit des

im Bereich der Informations- und Kommunikations-

Sensorsystems – eﬀektiv genutzt wird. Die Nutzung

technologien (IKT) deutlich senken werden – bis

von Energie aus der Systemumgebung (z. B. Licht,

Abbildung die Aktivitätsdauer und -häuﬁgkeit wesentlicher Systemkomponenten erkennbar sind. Auf

„Smart Home Services“ – Gebäudemanagement und -automation

Grundlage dieser Messungen und der damit erstellten Energieverbrauchsproﬁle werden neue PowerManagement-Algorithmen

erforscht.

Herkömmli-

ches Energiemanagement beschränkt sich häuﬁg

Abbildung 2: Batterielebensdauer eines Funksensorsystems

STEIGERUNG DER ENERGIEEFFIZIENZ EINGEBETTETER SYSTEME

losen Kommunikation. Optimierungen auf Systeme-

(SHS) [2] geht es um das intelligente Haus von mor-

bene müssen die Tatsache berücksichtigen, dass

gen, indem innovative Systemlösungen für Gebäu-

die lokale Verarbeitung von Sensordaten ca. 100- bis

demanagement und Gebäudeautomation entwickelt

1.000-mal weniger Energie benötigt, als deren Über-

werden. Auch in diesem Bereich kommt eine Viel-

tragung per Funk. Im Ergebnis der IMMS-Forschungs-

zahl eingebetteter Systeme für sensorische, Steue-

arbeiten wird eine Verlängerung der Batterielaufzeit

rungs- und Kommunikationsaufgaben zum Einsatz,

intelligenter Sensorsysteme von mehreren Wochen

deren Energieverbrauch unmittelbaren Einﬂuss auf

auf über zehn Jahre angestrebt. Insbesondere die

tatsächlich nutzbare Einsparpotenziale beim Primär-

Ruhestromaufnahme der Schaltung und der Arbeits-

energiebedarf von Gebäuden hat. Im vom Bundesmi-

intervall des Systems müssen dazu reduziert bzw.

nisterium für Wirtschaft und Technologie geförderten

optimiert werden (Abbildung 2). Die besondere Her-

Forschungsprojekt „SHS: Home“ (Förderkennzeichen

ausforderung im Umfeld der Gebäudeautomation ist,

KF2534502KM9) erforscht das IMMS energieeﬃziente

zum einen den Langzeitbetrieb zu gewährleisten und

Kommunikationslösungen für die Gebäudeautomati-

zum anderen eine bidirektionale Kommunikation bis

on, wobei insbesondere drahtlos kommunizierende,

hin zu einem Weiterleiten der Daten über mehrere

Im Wachstumskern „CBS Customer Bautronic Sys-

batteriebetriebene Geräte für Mess- und Überwa-

Zwischenstationen zu ermöglichen.

tem“ [3] werden durch Thüringer Unternehmen und

In der Netzwerkinitiative „Smart Home Services“

Wachstumskern „CBS Customer Bautronic System“

Forschungseinrichtungen für ausgewählte Anwen-

chungsaufgaben (z. B. Verbrauchszähler, Klimasensoren) im Fokus stehen. Charakteristisch für diese

Parallel dazu erforscht das IMMS innerhalb eines wei-

dungsbereiche Gebäudeautomationssysteme entwi-

Systeme ist der Aufbau aus verschiedenen, im Zu-

teren, von der Thüringer Aufbaubank mit dem Titel

ckelt, die bestehende Deﬁzite vorhandener Angebote

sammenspiel

welche

„SHS: Facility“ (Projektnummer 2010FE9073) geför-

hinsichtlich Systemintegration und Nutzerintegration

Messwerte aufnehmen, aufzeichnen, verarbeiten und

derten Projektes eine energieeﬃziente Hardware-/

überwinden. Innerhalb des IMMS-Teilprojektes (BMBF-

versenden. Deren gezielte Aktivierung und Deaktivie-

Software-Plattform. Durch deren Realisierung soll ein

Förderkennzeichen 03WKBD3C) wurde eine Lösung

rung muss im Sinne einer Reduzierung des Energie-

zentraler Sammelpunkt für Messdaten in Wohnungen

zur drahtlosen Vernetzung von Sensoren und Aktoren

bedarfs gewährleistet werden. Im Detail ergeben sich

und Gebäuden und ein Gateway zu anderen Kommu-

im Gebäude entwickelt, welche einer nutzerorientier-

daraus Forschungszielstellungen für diesbezüglich

nikationsnetzen zur Verfügung gestellt werden.

ten Gebäudesteuerung dient. Eine Vielzahl von Sen-

arbeitenden

Komponenten,

optimierte Schaltungen und Hardwarekomponenten,

soren (u. a. für Temperatur, Feuchte, Licht, Gas, Bewe-

für energieeﬃziente Verarbeitungsalgorithmen und

gung, Beschleunigung) und Aktoren ermöglichen es,

für neuartige Funkprotokolle im Bereich der draht-

das Raumklima und weitere Umgebungsbedingungen präzise zu erfassen und die Gebäudetechnik – unter

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JAHRESBERICHT 2010

Beachtung des Nutzerverhaltens – entsprechend zu

onen von Funk-Transceivern und Mikro-Controllern

steuern. In Kombination mit der am IMMS entwickel-

Potenzial für weitere Energieverbrauchsreduzierun-

ten Lokalisierungslösung kann zusätzlich die Positi-

gen bei gleichzeitiger Erhöhung der Stabilität und

on einzelner Nutzer raumgenau bestimmt und somit

Störunempﬁndlichkeit erwarten lassen. Zum ande-

individuelle Anpassungen der Klima- und Lichtver-

ren werden die Arbeiten im Bereich intelligenter

hältnisse vorgenommen werden. Die Mehrzahl der

Sensorsysteme fortgeführt, um die Möglichkeiten

eingesetzten Sensoren arbeitet batteriebetrieben

neuartiger und wesentlich leistungsfähigerer Sen-

und deren Kommunikation erfolgt auf Basis des In-

sor- und Verarbeitungsarchitekturen zur Steigerung

ternetprotokolls (Version IPv6). Der Energiebedarf

der Energieeﬃzienz zu erforschen. Die energieef-

bzw. das Konzept und die Arbeitsweise dieser Sen-

ﬁziente Umsetzung rechenintensiver Algorithmen

soren wurden für den Langzeitbetrieb optimiert.

zur schnellen und hochgenauen Sensorsignalver-

Die Ergebnisse der F&E-Arbeiten werden u. a. im

arbeitung sowie zur sicheren Kommunikation in

Institutsgebäude des IMMS in Form eines umfang-

Funksensorsystemen kann vollkommen neue An-

reichen, multi-hop-fähigen, drahtlosen Netzwerkes im Dauerbetrieb demonstriert.

wendungsbereiche für derartige eingebettete SysAbbildung 4: Umfangreiche Visualisierungsmöglichkeiten der Sensordaten

Innovative Systemlösungen zur Energieeinsparung

teme erschließen. Das IMMS bietet einen großen Erfahrungsschatz auf diesem, im aktuellen Umfeld immer wichtiger werdenden Gebiet der Energieefﬁzienz. Dies bildet eine hervorragende technologische Basis für neue innovative und zukunftsfähige Lösungen, die gemeinsam mit unseren Kunden entwickelt werden.

Die zukünftigen F&E-Arbeiten des IMMS zu energieeﬃzienten eingebetteten Systemen konzentrieren sich zum einen auf die Adaptierung und Optimierung

Kontakt:

neuer Technologien im Bereich der Hardware und

Dipl.-Ing. Tobias Rossbach

Software. In naher Zukunft werden beispielsweise neue, standardisierte Funkprotokolle zur Verfügung Abbildung 3: Simuliertes Sensor-Netzwerk im Wohnzimmer

stehen, welche in Kombination mit neuen Generati-

tobias.rossbach@imms.de

Dr.-Ing. Tino Hutschenreuther tino.hutschenreuther@imms.de

STEIGERUNG DER ENERGIEEFFIZIENZ EINGEBETTETER SYSTEME

15 ENERGIEVERBRAUCHSMESSUNG UND SMART-GRIDINTEGRATION

Das klassische Stromnetz beruht auf einer klaren Struktur von großen Energieerzeugern wie Kohle-, Gas-, Wasser- oder Kernkraftwerken auf der einen und den Energieverbrauchern auf der anderen Seite. Im Zeitalter erneuerbarer Energie wandelt sich dieses Bild. Viele kleine, zum Teil private Wind- und Solarkraftwerke erzeugen Strom und speisen diesen in das Netz ein – in Mengen, die je nach Tageszeit und Wetterlage stark variieren [4]. In jedem Moment muss aber genau so viel Energie in das Netz eingebracht werden, wie aus ihm entnommen wird. Aus diesem Grund werden neue Konzepte zur bedarfsgerechten Steuerung der Energieerzeugung und des Energieverbrauchs benötigt. Erste Ansätze,

Abbildung 1: BASe-Meter-Funksteckdosen

den Verbrauch zu regeln (Laststeuerung), existieren bereits in Form des billigeren Nachtstroms. Für den Verbraucher lohnt es sich demnach ﬁnanziell, elektrische

Verbraucher

zu bestimmten Zeiten zu aktivieren; die Energieversorger ihrerseits proﬁtieren von einem ausgeglicheren Netzhaushalt dank der Realisierung ei-

nes „Smart Grids“. Abbildung 2: Aufbau des Gesamtsystems

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JAHRESBERICHT 2010

Intelligente Steuerung für Endverbraucher

Um ein genaueres Bild vorhandener Verbraucher

Das Energiewirtschaftsgesetz EnWG schreibt seit

und ihres Verhaltens zu bekommen, hat das IMMS

dem 1. Januar 2010 vor, „dem jeweiligen Anschluss-

gemeinsam mit dem Ilmenauer Fraunhofer-Anwen-

nutzer den tatsächlichen Energieverbrauch und

dungszentrum Systemtechnik ein drahtloses Netz-

die tatsächliche Nutzungszeit“ zur Verfügung zu

werk zur Energiemessung als Pilotprojekt aufgebaut

stellen. In Neubauten müssen daher speziell dafür

[5]. Die einzelnen Teilnehmer sind in Form von Zwi-

ausgerüstete Stromzähler eingesetzt werden. Mit

schensteckdosen (Abbildung 1) realisiert und können

Zählern, die den Verbrauch je Wohneinheit erfas-

ohne größeren Installationsaufwand nachgerüstet

sen, sind jedoch Aussagen über die Verbräuche ein-

werden. Sie erlauben die hochpräzise Messung des

zelner Geräte nur sehr eingeschränkt ableitbar [5].

Energiebedarfs und, in der aktuellen Version, einzel-

Das hier vorgestellte System ermöglicht es, diese

ne Verbraucher ferngesteuert an- und abzuschalten.

digitalen Messeinrichtungen im Rahmen eines so

Die Messdaten werden drahtlos an eine zentrale Sta-

genannten Sub-Meterings zu erweitern und sowohl

tion weitergeleitet und dort zur Anzeige, Analyse und

ein Monitoring einzelner Verbraucher als auch eine

Weiterverarbeitung aufbereitet. Dabei kommt neben

intelligente Steuerung bereitzustellen. Darüber hin-

der am IMMS entwickelten Hard- und Software des ei-

aus soll ergründet werden, inwieweit sich zusätzli-

gentlichen Sensornetzes eine Gateway-Lösung zum

che sensorische Informationen z. B. zum Raumklima

Einsatz, die auf einer besonders ﬂexiblen Anwen-

nutzbringend einsetzen lassen.

Netzwerk zur Energiemessung

dungsarchitektur basiert [6]. Mit der Kombination aus beidem ist es möglich, kunden- bzw. projektspeziﬁsche Systemanpassungen mit geringem Aufwand

Kontakt:

umzusetzen. Auf diese Weise wurden hier einerseits

Dipl.-Ing. Wolfram Kattanek

objektspeziﬁsche Optimierungen der Netzwerkinf-

wolfram.kattanek@imms.de

rastruktur und andererseits eine Anbindung an das Energiedatenmanagement-System

Siemens

PRO-

PHET Solutions realisiert.

ENERGIEVERBRAUCHSMESSUNG UND SMART-GRID-INTEGRATION

15 3D POSITIONIERSYSTEM FÜR DEN NANOMETERBEREICH

Sonderforschungsbereich 622 „Nanopositionier- und Nanomessmaschinen“ Das rasante Entwicklungstempo in den Zukunftstechnologien, wie beispielsweise der Nanotechnologie, den optischen Hochtechnologien oder der Mikrosystemtechnik stellt immer höhere Anforderungen an die zur Inspektion und Analyse eingesetzten Positioniersysteme. Immer größere Objekte mit Ausdehnungen von hunderten Millimetern müssen hierzu mit Präzisionsanforderungen im Nanometerbereich positioniert und vermessen werden.

Das IMMS arbeitet im Teilprojekt A5 wesentlich an diesen herausragenden Ergebnissen mit. Dabei ist es das Ziel der Arbeiten des IMMS, die Grundlagen zur Gestaltung von Nanopositioniersystemen für große Verfahrbereiche von mehreren 100 mm zu erforschen. Die besondere Herausforderung hierbei liegt darin, das Antriebssystem so zu gestalten, dass trotz der großen Dimensionen und Massen, die die Forderung nach großen Verfahrbereichen mit sich bringt, eine Positionsstabilität im Nanometerbereich sowie eine nanometergenaue Bewegung des Positioniertisches realisierbar ist. An dieser Stelle stoßen konventionelle Systeme mit

Im Sonderforschungsbereich 622 „Nanopositionierund Nanomessmaschinen“ der Technischen Universität Ilmenau arbeiten Wissenschaftler seit Jahren sehr erfolgreich daran, die wissenschaftliche Basis für die benötigte nanotechnologische Ausrüstungen zu schaﬀen. Als einen „Leuchtturm mit unerreich-

Wälzkörperführungen und seriell angeordneten Linearachsen an ihre Grenzen. Lange kinematische Ketten, mechanische Resonanzen und nicht zuletzt die Reibkräfte in den Führungselementen zählen zu den kritischen Faktoren und begrenzen die erreichbare Genauigkeit.

ter Präzision“ schätzten die Gutachter der Deutschen Forschungsgemeinschaft DFG den Sonderforschungsbereich im Jahr 2009 ein und stimmten einer Fortsetzung der Förderung für die nächsten vier Jahre zu.

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JAHRESBERICHT 2010

Planares luftgeführtes Direktantriebssystem

Abbildung 1 zeigt schematisch den Aufbau eines Läufer wird über Luftlager praktisch reibungsfrei

Minimierung der Störungen

Ein planares Direktantriebssystem mit aerostati-

abgestützt und kann sich in x, y und r z bewegen. Die

Geht es um höchste Genauigkeiten bis in den Nano-

scher Führung bietet gegenüber konventionellen

Antriebskraft entsteht als Lorentzkraft zwischen

meterbereich, wächst die Bedeutung externer, wie

Systemen völlig neue Möglichkeiten und beste Vo-

den gestellfesten Flachspulen und den mitbeweg-

auch interner Störungen, und deren Eliminierung

raussetzungen für eine Nanometerpräzise Bahnbe-

ten Dauermagnetkreisen an der Läuferunterseite.

bzw. Reduzierung trägt maßgeblich zu der erreich-

wegung mit minimaler Reibung.

Im geregelten Betrieb wird die z-Rotation des Läu-

baren Genauigkeit bei. Besonders starken Einﬂuss

fers r z durch Feldkräfte gesperrt. Die x, y-Position

auf die Qualität der Positionierung haben die Reib-

des Läufers, wie auch die Rotation r z, werden durch

kräfte. Durch die planare Luftführung des Läufers

hochauﬂösende Planspiegelinterferometer erfasst.

entfallen diese bei dem hier vorgestellten System

Das im Rahmen der Forschungsarbeiten am IMMS

fast vollkommen, was gegenüber den in konventi-

realisierte System besitzt folgende Eigenschaften:

onellen Antriebssystemen vielfach eingesetzten

• • • • • •

Wälzführungen einen entscheidenden Unterschied

Abbildung 1: Prinzip des planaren Antriebssystems

integrierten planaren Direktantriebssystems. Der

Verfahrbereich

100 mm

Beschleunigung

max. 500 mm/s

ausmacht. Bei reibungsbehafteten Systemen führen 2

insbesondere bei einem Richtungswechsel der Achsenbewegung die Reibungskräfte und vor allem der

Messauﬂösung x, y 0,1 nm

Stick-Slip-Eﬀekt zu erheblichen Bahnfehlern. Diese

Geschwindigkeit

max. 30 mm/s

Messauﬂösung r z

0,001 arcsec

fehler der kontinuierlichen Bewegung. Luftgeführte

bewegte Masse

9.6 kg

Systeme bieten hier entscheidende Vorteile.

sind meist um ein Vielfaches größer, als die Bahn-

In dieser Form realisiert, ermöglicht die einfache kinematische Struktur mit dem direkt angetriebenen Läufer als einzigem bewegten Teil eine Kombination von hoher Dynamik und höchster Präzision.

3D POSITIONIERSYSTEM FÜR DEN NANOMETERBEREICH

Abbildung 2 zeigt das am IMMS aufgebaute luftgeführte Planarantriebssystem.

Positionierung im Nanometerbereich

Abbildung 3 zeigt eine 25-Nanometer-Kreisfahrt dieses Systems. Die Darstellung der Positionssignale und des Bahnfehlers verdeutlicht die Leistungsfähigkeit des Systems und vor allem das problemlose Durchfahren der Umkehrpunkte der Achsbewegung. Während der gesamten Bewegung bleibt die Abweichung von der Sollbahn kleiner als 1,8 Nanometer. Das aktuelle System besitzt dabei einen Verfahrbereich von Ø 100 mm. Ein noch größeres System beﬁndet sich derzeit im Aufbau. Die Arbeiten des SFB 622 und speziell des IMMS zielen darauf ab, an die Grenzen des technisch Machbaren vorzustoßen. Auch wenn andere technische Lösungen in der Halbleitertechnik schon mit ca. 1 m/s bei Bahnfehlern von 4 nm – oder noch genauer – arbeiten, so kann doch das Erreichte als ein großer und

Abbildung 2: Planares Nanopositioniersystem

wichtiger Entwicklungssprung bezeichnet werden. Vor allem wenn es um die Kombination von sehr hoher Positionsauﬂösung und großen planaren Fahrbereichen (einige 100 mm in x und y) geht, liegen die Ergebnisse des IMMS im internationalen Spitzenfeld.

Abbildung 3: Kreisfahrt mit Planarantriebssystem (Kreis Ø 25 nm, v = 100 nm/s)

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Know-how für neue Produkte Für das IMMS stellen die Grundlagenforschung und die Ergebnisse auf diesem Gebiet die Basis für zahlreiche Innovationen und Weiterentwicklungen dar. Das hier gewonnene Know-how wird, übertragen auf völlig neue Aufgabenstellungen und Anwendungen unserer Industriepartner, zum Grundstein für die Entwicklung neuartiger Positioniersysteme mit Nanometer-Präzision und damit zum Ausgangspunkt für neue innovative Produkte und Verfahren.

Kontakt: Dipl.-Ing. Steﬀen Hesse steﬀen.hesse@imms.de

3D POSITIONIERSYSTEM FÜR DEN NANOMETERBEREICH

MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) bestehen aus einem oder mehreren Sensoren, Aktoren und einer Steuerungselektronik auf einem Substrat bzw. einem Chip und sind meist nur wenige Mikrometer groß (Beispiel siehe Abbildung 1). Diese winzigen Systeme erschließen sich seit einigen Jahren immer neue Anwendungsgebiete und sind heute aus dem täglichen Leben nicht mehr wegzudenken. Sie begegnen uns als Druck- und Kraftsensoren in Haushaltgeräten, aber auch zum Beispiel in Autoreifen, um vor einem plötzlichen Druckabfall zu warnen. Ihre geringe Größe macht sie zu idealen Mikrofonen in Handys,

Abbildung 1: MEMS-Chain nur 500 Mikrometer groß

da hier eine immer kompaktere Bauweise wesent-

Quelle: www.sandia.gov/media/NewsRel/NR2002/images/jpg/chain1.jpg

lich ist. Auch bringen sie trotz ihrer geringen Größe neue Funktionalitäten mit sich, wie zum Beispiel die Möglichkeit, dass ein Bewegungssensor die Lage des Telefons erkennt und den Bildschirminhalt danach ausrichtet. Aber auch als Beschleunigungssensoren in Airbags, in Inkjet-Druckköpfen und vielem mehr werden MEMS eingesetzt. MEMS zu integrieren macht eine Vielzahl von Geräten kompakter, zuverlässiger, eﬃzienter und leistungsfähiger.

SMARTIEHS – INTELLIGENTES MEMS-TESTSYSTEM AUF WAFEREBENE

Abbildung 2: Typische Applikationen von MEMS

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Optimierter Test von MEMS

Das IMMS bearbeitet eine Reihe verschiedener an-

gen gestattet. Die Auswertung der Interferometer-

spruchsvoller konstruktiver und regelungstechni-

signale erfolgt jeweils durch eine 5 x 5 Matrix von

scher Entwicklungsaufgaben im Projekt SMARTIEHS.

Smart-Pixel-Kameras.

Die Herstellungsprozesse von MEMS erfordern eine

So wurde zum Beispiel die Gesamtkonzeption des

Reihe von Testschritten zur Überwachung der Qua-

Testsystems erarbeitet, welche die Komponenten

lität und zur Sicherung der Leistungsparameter.

der Projektpartner integriert. Eine weitere Teilauf-

Bisher angewandte Testverfahren für MEMS stützen

gabe ist die Entwicklung der Regelung der Scan-

sich dabei auf eine sequentielle Messung einzelner

Einheit. Das IMMS bringt aber auch die vorhanden

Bauelemente und sind daher sehr zeit- und kosten-

Kompetenzen bei der Entwicklung von Hard- und

aufwändig. Im Projekt SMARTIEHS wird das Konzept

Software zur Verarbeitung der Kamerasignale ein

eines parallelen Messsystems umgesetzt, welches

und koppelt das MEMS-Testsystem softwareseitig

gestattet, bis zu 100 MEMS-Strukturen gleichzeitig

mit einer SÜSS-Prober-Station PA200.

zu vermessen. Die Messung der Parameter erfolgt dabei direkt auf dem Wafer, wodurch nachfolgende Fertigungsschritte wie Vereinzelung, Kontaktierung

Neuartiges Messverfahren

und Einhausung entfallen können, sofern der Defekt

Kernkomponenten des Systems sind mikrooptisch

eines Bauelementes detektiert wird.

prozessierte Interferometer-Matrizen, die im aufgebauten Labormuster jeweils 25 Dies (MEMS-Struktur

Neben der Erfassung von geometrischen und topo-

im Waferverbund) parallel messen.

logischen Parametern gestattet das System mittels einer statischen und dynamischen Anregung der

Das Inspektionssystem (Abbildung 3) besitzt dabei

meist membranartigen Strukturen auch die Bestim-

zwei verschiedene 5 x 5 Interferometer-Matrizen,

mung von Eigenfrequenzen und Eigenformen der

die als „Probing-Wafer“ realisiert sind. Ein Laser-

Messobjekte. Diese sind wiederum ein sehr guter

Interferometer (LI) in Twyman-Green-Konﬁguration

Indikator für das korrekte Verhalten des MEMS-Bau-

ermöglicht die Messung dynamischer Parameter,

elements.

wie Eigenfrequenzen und Eigenformen, während ein

Abbildung 3: Prinzipaufbau des SMARTIEHS Instruments: optische Einheit (oben), Gesamtsystem (unten)

Low-Coherence-Interferometer (LCI) in Mirau-Konﬁ guration die Messung von Proﬁlen bzw. Verformun-

SMARTIEHS – INTELLIGENTES MEMS-TESTSYSTEM AUF WAFEREBENE

Mit Hilfe der LI-Konﬁguration kann aus der Bestim-

Die vom IMMS realisierte Scan-Einheit zur Bewegung

mung der Eigenfrequenzen der Strukturen z. B. auf

der optischen Einheit besteht aus drei Tauchspul-

deren Materialspannungen geschlossen werden, die

antrieben, deren Position über drei hochauﬂösende

ein wichtiger Indikator für einen korrekten Herstel-

Laserinterferometer geregelt wird. Als Festkörper-

lungsprozess sind (Abbildung 4). Dazu werden die im

führung der Scan-Einheit dienen drei sternförmige

Test beﬁndlichen MEMS elektrostatisch angeregt und

Blattfedern, die ein sehr hohes Steiﬁgkeitsverhältnis

die entstehenden Schwingungen über die LI-Matrix detektiert.

Abbildung 5: Interferenzbild (links) und Phasenbild (rechts) eines IR-Sensors gemessen mit einem LCI-Kanal

Präzisionsantrieb ermöglicht höchste Genauigkeit Beide Messverfahren erfordern eine hochpräzise

in und quer zur Bewegungsrichtung ermöglichen. Damit gelingt eine sehr steife mechanische Verkopplung der nicht aktiv geregelten Achsen zwischen optischer Einheit und Messobjekt. Zusätzliche Schraubenfedern kompensieren das Gewicht der Anordnung und führen zu einer drastischen Energiereduktion in den Tauchspulantrieben.

Ausrichtung der optischen Einheit (Beleuchtung, Strahlführung und Interferometer-Matrizen) zum zu

Die Grobpositionierung des MEMS-Wafers relativ zur

testenden MEMS-Wafer. Für die topologischen Mes-

Scan-Einheit erfolgt durch eine Probe-Station der Fir-

sungen mit der LCI-Anordnung muss zusätzlich eine

ma SÜSS (PA200), in die der gesamte Messaufbau in-

Relativbewegung mit 0,1 bis 1 mm/s bei einer Kons-

tegriert ist.

tanz von unter einem Prozent gewährleistet werden, wobei die Ausrichtung zum Testobjekt nicht durch Abbildung 4: Interferenzbilder von fünf Kanälen der LI-Matrix

störende Verkippungen beeinträchtigt werden darf.

Die zweite Konﬁguration (LCI) dient u. a. den Topologiemessungen der MEMS-Strukturen. Während einer

Die Messung mit der LI-Matrix erfordert eine Positio-

Messfahrt mit konstanter Geschwindigkeit werden

niergenauigkeit von unter 10 nm, wobei für die prä-

mit Hilfe der LCI-Matrix äquidistante Interferenzbil-

zise parallele Ausrichtung der optischen Einheit zum

der (Abbildung 5) der MEMS-Strukturen erfasst, aus

MEMS-Wafer Nick- und Roll-Bewegungen um ± 0,02

denen sich das Höhenproﬁl sehr präzise rekonstru-

Grad ermöglicht werden müssen.

ieren lässt.

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JAHRESBERICHT 2010

Abbildung 6: Tauchspulantriebe der Scan-Einheit (links); schematischer Aufbau der am IMMS entwickelten Scan-Einheit (rechts), welche die optische Einheit relativ zum MEMS-Wafer ausrichtet und präzise bewegt

Parameteridentiﬁkation mittels dynamischer Messungen Neben der Erfassung topologischer Eigenschaften

Die zunächst nicht eindeutige Zuordnung von Peaks

Das Projekt SMARTIEHS wird gefördert von der EU/

aus der Frequenzantwort zu Eigenfrequenzen des

FP7-ICT2007-2, Projekt ID 223935.

Systems erfolgt zusammen mit der eigentlichen Parameteridentiﬁkation in einem Optimierungssubmodul.

Dr.-Ing. Christoph Schäﬀel

der MEMS-Objekte sind insbesondere die Materialspannungen innerhalb der meist aus mehreren Layern aufgebauten MEMS für deren korrekte Funktion bestimmend. Weichen Prozessparameter während

Kontakt:

Eﬃziente und schnelle Tests

der Herstellung von der Norm ab, können uner-

Das SMARTIEHS-Konzept ermöglicht einen eﬃzien-

wünschte mechanische Verspannungen und Verfor-

ten und deutlich beschleunigten Test von MEMS auf

mungen zum Fehlverhalten und zum vorzeitigen

Wafer-Level durch die simultane Messung mehrerer

Ausfall der Elemente führen.

dutzend Dies in einem Zeitschritt. Neben topologi-

christoph.schaeﬀel@imms.de

schen Parametern können über FrequenzmessunMit Hilfe der Messung von Eigenfrequenzen der

gen auch Schichtdicken und Schichtspannungen

MEMS-Elemente kann auf Basis eines FE-Modells auf

auf Basis eines parametrischen FE-Modells erfasst

deren Spannungszustand geschlossen werden.

werden.

Ein am IMMS entwickeltes Identiﬁkationstool gestat-

Die weiteren Arbeiten konzentrieren sich nun auf

tet nun die Ermittlung eigenfrequenzabhängiger Pa-

die schrittweise Optimierung des Zusammenspiels

rameter, wie z. B. Schichtdicke oder Schichtstress,

aller Module des Testsystems und die Einbindung in

aus der Frequenzantwort des MEMS-Elementes. Der

eine übergeordnete Steuerung. In Fortführung soll

durch die Messungen zu erfassende Parameterraum

das System an einer Vielzahl von MEMS-Systemen

wird zuvor mittels FE-Simulationen abgescannt und

auf seine Eignung überprüft werden. Die Bestim-

zur leichteren Handhabbarkeit polynomial approxi-

mung der Schichtspannungen und des Elastizitäts-

miert.

moduls in sehr dünnen Schichten sind ein Schwerpunkt dieser Arbeiten.

SMARTIEHS – INTELLIGENTES MEMS-TESTSYSTEM AUF WAFEREBENE

Licht ist für uns Menschen das wichtigste Medium zur Wahrnehmung unserer Umwelt. Den überwiegenden

Fotodioden im Alltag

Teil aller Sinneseindrücke, die wir zur Orientierung in

Lichtbasierte

unserer Umgebung und zur Kommunikation mit ande-

und Kommunikationssysteme erfordern sowohl Licht

ren Menschen nutzen, erhalten wir auf dem visuellen

aussendende Komponenten, z. B. Leuchtdioden oder

Weg. Über unsere Augen erfassen wir die räumliche

Displays, als auch Bauelemente namens Fotodioden,

Verteilung und zeitliche Änderung von Intensität und

die Lichtsignale empfangen und zu ihrer Weiterver-

Farbe des Umgebungslichts und gewinnen daraus

arbeitung in elektrische Signale umsetzen können.

Erkenntnisse über die Distanzen, Bewegungen und

Auch wenn es nicht immer so oﬀensichtlich ist wie

Eigenschaften von Objekten sowie über die Inhalte

im Fall der Megapixel-Bildsensoren in Digitalkameras:

schriftlicher und symbolischer Kommunikationsfor-

Lichtsensoren – bestehend aus Fotodioden und elek-

men. In unserem von elektronischer Informations-

tronischen Schaltungen zu deren Auswertung – ﬁn-

und Automatisierungstechnik geprägten Leben spielt

den sich heute in einer Vielzahl von Alltagsgeräten,

daher der Umgang mit Licht als Informationsträger

wie zum Beispiel TV-Fernbedienungen, DVD-Spielern,

für die Kommunikation zwischen Menschen und elek-

Heimkino-Anlagen, Notebooks oder Mobiltelefonen,

tronischen Geräten, von Geräten untereinander und

wieder. In dem Maße, wie diese Geräte gleichzeitig

für die Maschine/Umwelt-Interaktion eine bedeuten-

kleiner, leistungsfähiger, energieeﬃzienter und preis-

de Rolle.

werter werden sollen, steigen auch die entsprechen-

MIKROELEKTRONISCHE LICHTSENSOREN

elektronische

Messwert-Erfassungs-

den Anforderungen an die Lichtsensoren. Auch sie müssen auf immer engerem Raum integriert werden, hohe Empﬁndlichkeit und Schaltgeschwindigkeit aufweisen und dabei wenig Strom aufnehmen. Im Hinblick auf eine ökonomische Serienproduktion sollten die Sensoren dabei möglichst ausschließlich unter Verwendung von Standard-Fertigungsprozessen für Halbleiterschaltungen auf Basis des Materials Silizium hergestellt werden.

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JAHRESBERICHT 2010

Optimierung integrierter Fotodioden Im Rahmen eines vom Land Thüringen geförderten industriellen Verbundforschungsprojekts wurde in Zusammenarbeit mit der X-FAB Semiconductor Foundries AG untersucht, wie sich Fotodioden eﬃzient in bestehende, kostengünstige CMOS- und BiCMOS-Prozesse

zur

Fertigung

mikroelektroni-

scher Schaltungen integrieren lassen. Ziel des Projekts war es dabei, die Lichtempﬁndlichkeit und Schaltgeschwindigkeit von Silizium-Fotodioden über ein weites Farbspektrum von langwelligem roten bis hin zu kurzwelligem blauen Licht zu optimieren und die Anwendbarkeit der Forschungsergebnisse in industriellen Applikationen nachzuweisen. Als besonders herausfordernde Leitanwendung wurden hierzu Lichtsensoren gewählt, wie sie in Computerlaufwerken zum Lesen und Beschreiben von Blu-ray Disc-, DVD- und CD-Medien eingesetzt werden. Auf der Grundlage der ersten Zwischenresultate aus der Fotodiodenentwicklung wurde im ersten Projektjahr ein Fotodetektor (PDIC) für HochgeschwindigkeitsBlu-ray-Disc-Laufwerke am IMMS entworfen und von X-FAB erfolgreich gefertigt; hierüber wurde bereits im Jahresbericht 2009 ausführlich berichtet.

Weitere Anwendungen für Lichtsensoren

Abbildung 1: Integrierter optischer Datenempfänger D3005A

Im abschließenden zweiten Projektjahr wurden weitere Anwendungsfelder für CMOS-Lichtsensoren erschlossen, die sich in Bezug auf die Anforderungen an die Fotodioden z. T. erheblich von der Applikation Blu-ray Disc unterscheiden. So wurden unter anderem ein integrierter Empfänger für die faseroptische Datenkommunikation mit Datenraten von 100 MBit/s sowie ein Ambient Light Sensor (ALS) entwickelt.

Messtechnik zur Charakterisierung und Modellierung von Fotodioden

Der ALS bewertet die Helligkeit des Umgebungslichts nach dem Empﬁnden des menschlichen Auges und kann damit zur Einsparung von Energie bei der Beleuchtung von Räumen oder Displays beitragen (siehe Seite 46 in dieser Publikation). Während Bluray-Disc-PDICs und Datenempfänger in erster Linie hohe Schaltgeschwindigkeiten erfordern, kommt es bei einem Umgebungslichtsensor hingegen auf eine auf die Farbwahrnehmung des menschlichen Auges abgestimmte spektrale Empﬁndlichkeit sowie auf sehr geringen Energiebedarf der Schaltung an. Die Schaltgeschwindigkeit spielt hier nur eine untergeordnete Rolle. Im Rahmen des Projekts konnten für alle betrachteten Anwendungsfälle funktionsfähige Lösungen auf der Basis monolithisch integrierter Fotodioden und CMOS/BiCMOS-Auswerteschaltungen demonstriert werden.

Abbildung 2: Strahlproﬁl der Laserabbildung auf dem Wafer (λ = 400 nm)

Darüber hinaus konzentrierten sich die Arbeiten des IMMS auf die für den industriellen Entwurf von Lichtsensoren notwendige Methodik zur Messung und

MIKROELEKTRONISCHE LICHTSENSOREN

Modellierung der Eigenschaften optoelektronischer

Um diese Fragen jeweils gezielt beantworten zu kön-

Bauelemente und Schaltungen. Zur Unterstützung

nen, wurden mehrere Teststrukturen für die Charak-

des Entwurfs ist es erforderlich, das physikalische

terisierung von Fotodioden und Laserstrahlproﬁlen in

Innovative Sensorik-Systeme

Verhalten von Fotodioden und Sensorschaltungen

diversen Fertigungsprozessen der X-FAB entworfen

Im Verlauf des Projekts konnten die am IMMS bereits

genau zu vermessen und in mathematischen Mo-

und vermessen. Mit Hilfe der Resultate konnte die

vorhandenen Kompetenzen im Entwurf, in der Simula-

dellen nachzubilden, die Schaltungsentwickler zur

optische Messtechnik kalibriert werden, so dass an-

tion und im Test von integrierten CMOS-Lichtsensoren

Simulation ihrer Entwürfe verwenden können. Eine

schließend die präzise Bestimmung der Eigenschaf-

weiter erheblich ausgebaut werden. Das bei der Ent-

präzise Vermessung optoelektronischer Bauelemen-

ten der im Projekt entworfenen optoelektronischen

wicklung und der Charakterisierung der Demonstrator-

te erfordert aber auch eine sehr gute Kenntnis der

Bauelemente und Schaltungen erfolgen konnte.

schaltungen (PDIC, Datenempfänger, ALS) gewonnene

Eigenschaften der Messapparatur selbst. So muss un-

Know-how lässt sich auf weitere Anwendungsfelder

ter anderem genau bekannt sein, welchen Durchmes-

übertragen und ermöglicht innovative Sensorik-Sys-

ser und welche Helligkeitsverteilung der zur Beleuch-

temlösungen u. a. im Bereich der industriellen Mess-,

tung der Fotodioden verwendete Laserstrahl hat und

Steuer- und Regelungstechnik, der Medizintechnik und

welchen Einﬂuss die auf dem zu vermessenden Chip

der Bioanalytik. Die hiermit verbundenen Erfahrungen

verarbeiteten Materialien auf die Präzision der Mess-

und Leistungen stellt das IMMS nationalen und interna-

ergebnisse haben.

tionalen Projektpartnern im Rahmen von Forschungskooperationen zur Verfügung. Förderprojekt: “Modellierung und Optimierung von Fotodioden und DVD-Front-End-Verstärkerschaltungen“

Abbildung 4: Gemessenes Augendiagramm des Datenempfängers D3005A für PRBS-Muster bei 100 MB/s

Kurztitel: TAB DVD Fotodiode Förderkennzeichen 2006 VF 0046

Kontakt: Abbildung 3: Optimierung mikroelektronischer Schaltungen am IMMS

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JAHRESBERICHT 2010

Dr.-Ing. Eckhard Hennig eckhard.hennig@imms.de

ÂŠ Rainer Sturm / Pixelio

Mit dem Ambient Light Sensor D3010A ist ein innovativer Schaltkreis entstanden, der zugleich zeigt, wie

Vielzahl an Anwendungen

Schaltkreisentwicklungen von der Idee bis zum Sam-

Der Ambient Light Sensor ﬁndet seine Anwendung

ple im IMMS umgesetzt werden. Der Ambient Light

überall dort, wo Sichtverhältnisse an das menschli-

Sensor (ALS) ermöglicht es, wie in der Abbildung 1

che Auge angepasst werden müssen. In Abbildung

dargestellt, die Helligkeit des Umgebungslichtes

2 sind exemplarisch ein Laptop und Mobiltelefon zu

nach dem Empﬁnden des menschlichen Auges zu de-

sehen. Bei solchen Produkten ist das Kontrastver-

tektieren und zu bewerten. Diese Bewertung erfolgt

hältnis der Displays ab-

über eine Schwellwertkontrolle, wobei der ALS als

hängig von dem Umge-

Ausgangssignal die Information „dunkles“ oder „hel-

bungslicht.

les“ Umgebungslicht zur Verfügung stellt.

Abbildung 1: Funktionsweise des Ambient Light Sensor D3010A

Der ALS D3010A ist aufgrund seines geringen Leistungsbedarfs von 40 µW (Betriebsspannung: 2,0 V), welcher durch den Modus Sleep auf unter 5 nW reduziert werden kann, sowie seiner geringen Chipﬂäche (ohne Ritzgraben) von 0,64 mm² ideal geeignet für mobile Anwendungen. Zudem sind bisher extern benötigte Bauelemente zur Festlegung der Schaltschwellen bereits integriert.

Abbildung 2: Anwendung des ALS D3010A

Ist der ALS im Handy oder Laptop integriert, so kann das Umgebungslicht mit der Empﬁndlichkeit des menschlichen Auges erfasst und durch die Schwellwertkontrolle bewertet werden. Mit der vom ALS ausgegebenen Information „dunkles“ oder „helles“ Umgebungslicht ist es möglich eine Hintergrundbeleuchtung für optimale Kontrastverhältnisse ein- und

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15 AMBIENT LIGHT SENSOR – SCHALTKREISENTWICKLUNG VON DER IDEE BIS ZUM SAMPLE

auszuschalten sowie dabei den Energiebedarf des

den Störeinﬂüsse, welche durch die Netzfrequenz

Displays zu reduzieren.

von

künstlichen

Beleuchtungen

hervorgerufen

werden, mittels eines Filters unterdrückt. Am AusDes Weiteren ist der Einsatz in der SMART-Sensorik

gang OUT wird bei Lichtverhältnissen oberhalb des

denkbar. Im Vergleich zu anderen Herstellern bietet

Schwellwertes ein High-Signal (helles Umgebungs-

der ALS D3010A die Möglichkeit das Umgebungs-

licht) und bei Lichtverhältnissen unterhalb des

licht zu bewerten und dabei nur einen geringen Leis-

Schwellwertes ein Low-Signal (dunkles Umgebungs-

tungsbedarf abzufordern. Die geringe Chipﬂäche

licht) ausgegeben.

führt zur Kostenersparnis bei der Produktion. Der

Abbildung 4: Spektrale Empﬁndlichkeit des ALS D3010A Quelle: X-FAB Semiconductor Foundries AG

Endkunde proﬁtiert bei Einsatz eines ALS in vielerlei Hinsicht. Mobile Anwendungen können z. B. mit

Der Schaltkreis ist für eine Betriebsspannung von

einer Akkuladung, durch das Abschalten nicht be-

2,0 V bis 3,6 V ausgelegt und hat im Modus Sleep

nötigter Hintergrundbeleuchtungen, deutlich länger

eine Stromaufnahme von unter 1 nA. Die Chipﬂäche

genutzt werden.

(ohne Ritzgraben) des entstandenen Samples beträgt, unter Verwendung des Prozesses XH035 der

Technische Umsetzung der Schaltkreisentwicklung

X-FAB Semiconductor Foundries AG, 0,8 mm x 0,8 mm und ist zum Größenvergleich in der nachfolgenAbbildung 3: Blockschaltbild des ALS D3010A

In der Abbildung 3 ist der schematische Aufbau

Die spektrale Empﬁndlichkeit des im ALS beﬁndli-

des ALS dargestellt. Mit G1 und G0 kann zwischen

chen Sensors ist dem menschlichen Auge angepasst

drei Schwellwerten und dem Modus Sleep gewählt

und hat dementsprechend seine maximale Empﬁnd-

werden. Die drei Schwellwerte entsprechen unter-

lichkeit, wie in Abbildung 4 zu sehen, bei etwa der

schiedlichen Hellempﬁndlichkeiten des menschli-

Wellenlänge 555 nm.

den Abbildung einer Münze gegenüber gestellt. Abbildung 5: Sample im Vergleich mit einer 1-Cent-Münze

chen Auges und werden durch eine veränderbare Strombank umgesetzt. Der nachfolgende SchmittTrigger dient zur Erzeugung steilerer Schaltﬂanken sowie der Unterdrückung von durch Rauscheﬀekte hervorgerufenen Schaltvorgängen. Hiernach wer-

AMBIENT LIGHT SENSOR – SCHALTKREISENTWICKLUNG VON DER IDEE BIS ZUM SAMPLE

Von der Idee zum Sample

Ausgehend von der Markt- und Machbarkeitsanalyse

Die Entwicklung eines Samples setzt die Umsetzung

tion generiert. Dem folgt im „elektrischen Design“

der Prozesse Ideenﬁndung, elektrisches Design,

eine Systemsimulation, wodurch eine optimale Sys-

physikalisches Design (Layout), Wafer-Fertigung, Pa-

temarchitektur ausgewählt bzw. frühzeitig etwaige

ckaging sowie Samples voraus. Der Prozessablauf

Schwachpunkte erkannt werden. Hieraus resultiert

und die Kompetenzen des IMMS in den jeweiligen Pro-

eine manuelle Dimensionierung sowie Optimierung

zessen sind in der Abbildung 6 zu sehen.

mittels neuster EDA-Methodiken. Sowohl im elektri-

wird in dem ersten Prozess, der Idee, eine Speziﬁka-

schen wie auch im physikalischen Design bietet das IMMS das komplette Portfolio. Flächenplanung, Block- und Toplayout im physikalischen Design werden ebenfalls durch neueste Methodiken wie „Floorplanner“ und „Autorouter“ unterstützt. Bei der Wafer-Fertigung und dem Packaging kooperieren wir mit unseren Partnern, wobei die Ablaufsteuerung durch das IMMS realisiert wird. Die im Prozess „Packaging“ notwendige Gehäusetypwahl sowie die Entwicklung der Testfassung erfolgen ebenfalls durch das IMMS. Die darauf folgende Veriﬁkation übernimmt die IMMS-Messtechnik, die auf über 120 qm Laborﬂäche ChaAbbildung 6: Kompetenzen des IMMS innerhalb des Flows

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JAHRESBERICHT 2010

rakterisierung, Funktions- sowie

Produktionstest ausführt. Darüber hinaus sind Feh-

Förderprojekt: “Modellierung und Optimierung von

leranalysen und Alterungstests möglich. Zum getes-

Fotodioden und DVD-Front-End-Verstärkerschaltun-

teten Sample stellt das IMMS auf Wunsch ein Daten-

gen“

blatt und Demonstratoren bereit. Kurztitel: TAB DVD Fotodiode

Zusammenfassung

Förderkennzeichen 2006VF0046

Die korrekte Funktion der Samples wurde durch die

Autor:

interne Messtechnik nachgewiesen, womit das IMMS über einen innovativen Ambient Light Sensor verfügt. Der Sensor zeichnet sich neben der leistungs-

Dipl-Ing. (FH) Glenn Methner

armen und ﬂächensparenden Bauweise auch durch

Kontakt:

die integrierten Schaltschwellen aus. Insbesondere

Dipl.-Ing. Holger Pless

der energiearme Entwurf bietet zukünftigen Wei-

holger.pless@imms.de

terentwicklungen die Möglichkeit, ein Energy-Harvesting-System zu integrieren. Ein energieautark funktionierender ALS würde die Anwendungsmöglichkeiten und Einsatzgebiete sicherlich vielfältiger gestalten. Damit ist auch der ALS ein Beispiel dafür, dass ein Chipentwurf am IMMS – wie es ein Kunde auch erwarten darf – von der Idee bis hin zum Sample unter Einsatz modernster Entwurfsmethodik realisiert werden kann.

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a dL

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AMBIENT LIGHT SENSOR – SCHALTKREISENTWICKLUNG VON DER IDEE BIS ZUM SAMPLE

15 DAS PROJEKT OKTOPUS UND DIE WEITERENTWICKLUNG DER MESSTECHNIK AM IMMS

Das BMBF–Forschungsprojekt OKTOPUS (Optimal Konﬁgurierbare

Test-Organisations-Plattform

mit

Charakterisierung von HF-IPs

Unterstützung der Synthese) wurde im September 2010 erfolgreich beendet, wird aber auch weiterhin die Entwicklung und den Ausbau der Messtechnik am IMMS vorantreiben. Von 2007 bis 2010 untersuchten die Projektpartner – der Testerhersteller Konrad Technologies, die Halbleiterﬁrmen Atmel Germany GmbH, X-FAB Semiconductor Foundries AG und Melexis GmbH sowie der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg und das IMMS – modulare Testplattformen und ihren Einsatz im Halbleitertest. Zu den Forschungsinhalten gehörten skalierbare Testerarchitekturen, produktionstaugliche Adaptions- und Kalibrierlösungen und ein durchgängiger Testﬂow.

Anwendung: On-Wafer-Test mit automatischer Probersteuerung.

Eine Plattform – vielfältige Anwendungen

Testerkonﬁguration mit 2,7 GHz HF-Suite und PMU.

Das Prinzip für ﬂexible und kostengünstige Testan-

•

Testzeiteinsparung gegenüber

•

Flexible Messdatenformate und

•

Reuse für mehrere IPs

wendungen basiert darauf, dass die Plattform – bestehend aus PXI-Chassis und Embedded Controller sowie der Entwicklungsumgebung LabVIEW (National Instruments) – durch die Testerinstrumente ergänzt wird, die für die Aufgabenstellung erforderlich sind.

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Vorteile: Messungen mit IC-CAP 50 %

automatisierte Analysen

JAHRESBERICHT 2010

Test optoelektronischer ICs

MEMS-Test Anwendung:

Entwicklung

Qualitätssicherung von

Verfahren

zum

Paralleltest von MEMS on-Wafer im Rahmen eines EU-Forschungsprojektes. Test mit automatischer Probersteuerung.

Vorteile:

Anwendung: Untersuchungen an Lichtfeldsensoren.

•

Einbindung der Testplattform in einen

•

Synchronisation der Komponenten

komplexen Prüfstand

Anwendung: Überwachung von Parametern bei der Prozessierung von Wafern.

Testerkonﬁguration mit Digitalpins und PMU. Testerkonﬁguration mit Digitalpins und PMU.

Vorteile:

• • • •

Einbindung eines Industrie-Loadboards Kompakter und mobiler Messplatz

Vorteile:

•

Großflächige optische Stimulierung wie im Produktionstest Anwendungsspezifische Bedienoberfläche

Testzeiteinsparung gegenüber Lösung mit HP82000 und externen Messgeräten um Faktor 6

• •

Low-Cost-Lösung Reuse für mehrere Halbleiter-Technologien

DAS PROJEKT OKTOPUS UND DIE WEITERENTWICKLUNG DER MESSTECHNIK AM IMMS

Know-how-Transfer

Instrumente für eine Anpassung an verschiedene Schaltkreistypen gefordert werden.

Der breite Einsatz der neuen Technik erfordert auch den Wissenstransfer von den OKTOPUS-Projektmitarbeitern zu allen weiteren Mitarbeitern des Fachbereiches Industrielle Elektronik und Messtechnik des IMMS. Für die momentan zur Verfügung stehenden vier PXI- bzw. PXIe-Testplattformen, die mit weiteren Testerinstrumenten ausgestattet werden, sind auch Weiterbildungsangebote für Industriepartner in Vorbereitung. Die Inhalte der internen und externen Weiterbildung sind die Systemkonﬁguration, die Einführung in die Programmierung und die Hardwarekomponenten des IMMS einschließlich Kalibrierung und Testmethodik für die bereits genannten Anwendungsfelder. Ein weiteres System steht für die studentische Ausbildung, für Praktika und die Bearbeitung von Bachelor- und Masterarbeiten sowie für Machbarkeitsanalysen zur Verfügung.

Von der Forschung zum Industrieeinsatz Mit diesen neuen Testplattformen ist eine Migration vom Labor in die Produktion gegeben, da Testmethoden und Adaption denen der Produktionstestsysteme adäquat sind. Bereits 2010 konnten erste Industrieprojekte mit den neuen PXI-Testsystemen des IMMS für den HF-Bereich und für Aufgabenstellungen der Qualitätssicherung in der Halbleiterfertigung bearbeitet werden. Mit diesen Testsystemen ist das IMMS in der Lage, eﬃziente Testmethoden und -lösungen auf modernstem Stand der Testtechnologie zu entwickeln und bereitzustellen. Neue Forschungs- und Industrieprojekte werden zukünftig auf diesen Testsystemen implementiert. Kriterien dafür sind Hard-

Zukunftssicherheit

rung der Testzeiten.

Zur weiteren Performance-Steigerung dieser Testsys-

Das Projekt OKTOPUS wurde gefördert vom BMBF

teme wird am IMMS die Entwicklung und der Einsatz

Förderkennzeichen: 13 N 10345

von FPGA-basierten Testerinstrumenten vorangetrieben. Der Einsatz derartiger Testhardware ist überall dort vorteilhaft, wo erhöhte Testzeitanforderungen, asynchrone Testaufgaben und softwaredeﬁnierte

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Dr.-Ing. Klaus Förster Klaus.foerster@imms.de

warekosten, Flexibilität und eine deutliche Reduzie-

Kontakt:

JAHRESBERICHT 2010

15 NEUES IMMSMESSTECHNIKLABOR MIT INTERNATIONALEM REINRAUMSTANDARD

Im dritten Quartal 2010 wurde in Erfurt-Südost ein

ckeln

und

herzustellen.

neues erweitertes Reinraum-Messtechniklabor er-

Der Reinraum bietet opti-

öﬀ net. Damit kann das IMMS die Charakterisierung

male und den internatio-

und den Test von integrierten Schaltungen sowie

nalen

Untersuchungen zur Zuverlässigkeit elektronischer

entsprechende Arbeitsbe-

Baugruppen und Systeme auf internationalem Niveau

dingungen für die Mitar-

durchführen.

beiter des IMMS und seine

Qualitätsstandards

Partner.

Am IMMS Institutsteil Mikroelektronik bieten nun 120 qm neu eingerichtete Laborﬂäche ausreichend Platz

Die

für die Charakterisierung und den Test von integrier-

Technik und Technologi-

ten Schaltungen bereits auf dem Siliziumwafer oder

en – wie hier in ein neues Messtechniklabor – stärken

für Untersuchungen zur Zuverlässigkeit elektroni-

den Mikroelektronik-Standort Erfurt-Südost und sind

scher Baugruppen und Systeme.

gleichsam ein Stück umgesetztes Zukunfts- und In-

neue

ums für Wirtschaft, Arbeit und Technologie. Darin bekennt sich Thüringen zur Förderung von Forschung und Technologien in den zukunftsträchtigen Schwer-

Ein wichtiger Schritt für das IMMS ist, dass das Labor die Anforderungen nach DIN ISO 14644-1 Klasse 7 erfüllt. Das heißt, dass sich in einem Kubikdezimeter Luft weniger als 400 Partikel mit einem Durchmes-

punkten Mess-, Steuer- und Regelungstechnik, aber gleichermaßen auch Optik/Photonik, Medizin-, Energie- und Umwelttechnik sowie Medientechnologie und energieeﬃziente Antriebssysteme.

ser von 0,5 bis 5 µm beﬁnden. Verunreinigungen und Staubpartikel können die Zuverlässigkeit von Elektronik stark beeinträchtigen. Daher sind solche Arbeitsumgebungen eine wesentliche Voraussetzung, um zukunftsfähige integrierte Schaltungen und Systeme mit immer kleineren Strukturbreiten zu entwi-

IMMS | ZUKUNFT IST JETZT |

novationsprogramm (ZIP) des Thüringer Ministeri-

Internationale Qualitätsstandards

Investition

JAHRESBERICHT 2010

Erweiterung der Tätigkeitsfelder des IMMS

Investition in Innovation

Das neue Messtechniklabor wird die Tätigkeitsfelder

innovative und komplexe Lösungen mit Systeman-

Durch alle Ebenen – vom integrierten Schaltkreis bis

des IMMS erweitern und zukünftig die Lösung fol-

satz, in ganzheitlicher Betrachtungsweise. Aus einer

hin zur Gesamtlösung – zieht sich dabei der Quali-

gender Aufgabenstellungen ermöglichen:

Idee oder einer industriellen Aufgabenstellung resul-

tätsanspruch des IMMS. Diese Möglichkeiten unter

tieren Lösungsansätze, die mittels Simulation und

einem Dach zu vereinen, ist die Speziﬁk des Institu-

Schwerpunkt sind Untersuchungen von

eﬀektiven Designmethoden in integrierte Schaltun-

tes und bietet so die Voraussetzung, dass aus Ideen

Halbleiterwafern mit dem Ziel des Funkti-

gen umgesetzt werden. Dabei sind Produzierbarkeit

auch Produkte entstehen.

onsnachweises integrierter Schaltungen und

und Ausbeute durch robuste Schaltungstechniken

der Vervollkommnung von Technologie- und

abzusichern. Komplettiert mit Leiterplatten (Hard-

Design-Prozessen der Mikroelek tronik und Mik-

ware) und Intelligenz (Software) entstehen daraus

rosystemtechnik.

elektronische Baugruppen und Systeme.

•

Weiterhin steht die Erforschung neuartiger und eﬃzienterer Testmethoden in Bezug auf die Testzeit, des Einsatzes kostenoptimaler Testplattformen sowie die Entwicklung von speziﬁscher intelligenter Testhardware im Mittelpunkt.

•

zur Verfügung.

Die Mitarbeiter des IMMS erforschen und entwickeln

Diese nach industriellen Maßstäben zu testen ist ein wichtiger Baustein in der Entwicklung. Nachprüfbarkeit, Reproduktion und der genaue Abgleich mit vorgegebenen Speziﬁkationen sind unabdingbar und werden durch die IMMS-interne elektronische Mess-

Ebenfalls sind durch die neue Messtechnik

technik abgesichert. Das neue Messtechniklabor er-

Temperaturuntersuchungen für Wafer und für

öﬀ net somit neue Möglichkeiten für eine Umsetzung

Bauelemente in einem Bereich von – 40 °C bis

der Tests auf höchstem Niveau.

Dank gilt der Betreibergesellschaft für Applikationsund Technologiezentren Thüringen (BATT) für die

zu 300 °C möglich.

•

Durchführung von Testdienstleistungen für KMUs

Für integrierte Schaltkreise, Baugruppen und

Die Anwendungsgebiete der Arbeiten im IMMS sind

wertvolle Unterstützung beim Aufbau der erforder-

Systeme werden Zuverlässigkeitsuntersuchun-

Sensorik, Optronik, Industrie- und Automobilelekt-

lichen Infrastruktur.

gen und Langzeittests nach den internationalen

ronik sowie Kommunikationselektronik und Medi-

Standards ausgebaut und Aufgabenstellungen

zintechnik. Neben der Bearbeitung von Forschungs-

der Qualitätssicherung bearbeitet.

projekten steht das Messtechniklabor auch für die

NEUES IMMS-MESSTECHNIKLABOR MIT INTERNATIONALEM REINRAUMSTANDARD

15 LITERATURVERZEICHNIS / QUELLENANGABEN

[1] Cool Silicon, Energieeﬃziente Informationstechnologien durch Mikro- und Nanotechnologie, http://www.cool-silicon.de

[2] Gunnar Weiß, SHS – Smart Home Services Next Generation Technologieplattform, Vortrag, ELMUG Technologiekonferenz Suhl 22., 23. Juni 2010 http://www.elmug4future.de/programm/23-juni-2010.html

[3] CBS – Customer Bautronic System, Nutzerintegrierende Gebäudesteuerung, http://www.customerbautronic.de

[4] Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie, Primärenergieentwicklung in Deutschland, Energiedaten – ausgewählte Graﬁken, S. 8, September 2010

[5] M. Götze, T. Rossbach, A. Schreiber, S. Nicolai, H Rüttinger, Distributed in-house metering via self-organizing wireless networks, IWK Technische Universität Ilmenau, September 2010 [6] S. Engelhardt, E. Chervakova, A. Schreiber, T. Rossbach, W. Kattanek, M. Götze, BASeKit – Ein mobiles Messsystem für die Gebäudeautomation, Sensor+Test, Mai 2010

IMMS | ZUKUNFT IST JETZT |

JAHRESBERICHT 2010

15 ORGANIGRAMM

Gesellschafter Land Thüringen TFM

Aufsichtsrat TKM (Vorsitz) TMWAT

MAZeT, X-FAB

TFM

TU Ilmenau

wissenschaftlicher Geschäftsführer

kaufmännischer Geschäftsführer

Professor TU Ilmenau

Forschungsbereiche

• • • •

Mikroelektronik System Design Mechatronik Industrielle Elektronik und Messtechnik

Verwaltung

• • • • •

Wissenschaftlicher Beirat

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Planung/Controlling/Dok Lohn- und Finanzbuchhaltung Projektabwicklung Sekretariate, Beschaﬀ ung Auftragsabwicklung Systemadministration

JAHRESBERICHT 2010

Marketing

• •

New Business Technologies Öﬀentlichkeitsarbeit

WISSENSCHAFTLICHER BEIRAT Vorsitzender: Herr Prof. Dr. Christian Brecher, Institutsdirektor des WZL der RWTH Aachen, Forschungsbereich Werkzeugmaschinen

stellvertretender Vorsitzender: Herr Olaf Mollenhauer, Geschäftsführender Gesellschafter der TETRA GmbH, Ilmenau

Ehrenmitglied: Herr Prof. Dr. habil. Eberhard Kallenbach,

AUFSICHTSRAT

Herr Prof. Dr. habil. Matthias Hein, TU Ilmenau, Fachgebiet Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

Vorsitzender:

Frau Prof. Dr. Olfa Kanoun, TU Chemnitz, Prodekanin der Fakultät für Elektrotechnik und Informati-

Herr Dr. Jörg Prinzhausen,

onstechnik, Lehrstuhl für Mess- und Sensortechnik

Thüringer Ministerium für Bildung, Wissenschaft und Kultur

Herr Dr. Norbert Lenk,

Herr Univ. Prof. Dr.-Ing. Klaus Augsburg,

Geschäftsführer AJ IDC Geräteentwicklungsgesellschaft mbH Langewie-

Prorektor Wissenschaft, TU Ilmenau, Fak. Maschinenbau

sen, ein Unternehmen der Analytik Jena AG

Herr Dr. Erich Hacker,

Herr Prof. Dr. Andreas Tünnermann,

PolymerMat e. V., Kunststoﬀcluster Thüringen

Wissenschaftlicher Direktor der Friedrich-Schiller-Universität Jena, Lehrstuhl für Angewandte Physik

Herr Dr. Michael Trutzel, Carl Zeiss Jena GmbH, Jena

Herr Dr. sc. Wolfgang Hecker, Geschäftsführer, MAZeT GmbH Thüringen

Herr Dr. Jens Kosch, Chief Technical Oﬃcer, X-FAB-Semiconductor Foundries AG

Leiter des Steinbeis-Transferzentrums Mechatronik, Ilmenau

Herr Prof. Dr. Erich Barke,

Herr Thomas Weißenborn, Thüringer Finanzministerium

Präsident der Leibniz Universität Hannover, Fachbereich Informatik

Herr Dr. Herwig Döllefeld, Leiter Forschung der X-FAB-Semiconductor Foundries AG, Erfurt

Herr Prof. Dr. Günter Elst, Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS/EAS, Direktor des Institutsteils Entwurfsautomatisierung EAS, Dresden

Herr Dr. Fred Grunert, Technischer Geschäftsführer MAZeT GmbH, Jena

WISSENSCHAFTLICHER BEIRAT | AUFSICHTSRAT

15 PUBLIKATIONEN 2010

A. AMAR & T. COHRS (22.03.-24.03.2010). Adaptive gain

Fachartikel

control for high dynamic range optical receivers. Erfurt: in

Evaluation of Low Leakage Currents using a Floating Gate Transistor. Glasgow, United Kingdom: in Proceedings of the 11th ULIS, International Conference on Ultimate Limits on Silicon 2010.

NER4, J. ALBERO5, S. BEER6, R. MOOSBURGER7 & M. PIZZI8 (23.03.-24.03.2010). SMARTIEHS – a European Project for Parallel Testing of M(O)EMS. Como, Italy: Smart Systems Integration.

7 Heliotis, Root Längenbold, Switzerland 8 Techfab s.r.l., Chivasso, Torino, Italy

ceedings 11. ITG/GMM-Fachtagung ANALOG 2010. D. KIRSTEN & Dr. D. NUERNBERGK (22.03.-24.03.2010). ProNutzung eines analogen Floating-Gate-Speicherelements. Erfurt: in Proceedings 11. ITG/GMM-Fachtagung ANALOG 2010. Dr. B. DIMOV, Dr. C. LANG & Dr. E. HENNIG (22.03.for Optoelectronic Receiver Applications – Symbolic Analysis and Design Rules. Erfurt: in Proceedings 11. ITG/GMMFachtagung ANALOG 2010. E. SCHÄFER, D. KRAUßE, Prof. Dr. R. SOMMER & Dr. E. HENtoptimierung zur Frequenzgangskompensation linearer

2 SINTEF IKT Optical measurement systems and data analysis, Trondheim, Norway

6 CSEM SA, Zurich, Switzerland

in Package (SiP) Design and Package Eﬀects. Erfurt: in Pro-

NIG (22.03.-24.03.2010). Gradientenbasierte Eigenwer-

1 IMMS Institut für Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme gemeinnützige GmbH, Ilmenau, Germany

5 CNRS FEMTO-ST, Besançon, France

EM Simulation in Research of Integrated Inductors, System

24.03.2010). A CMOS/BiCMOS Current Ampliﬁer Topology

S. MICHAEL1, K. GASTINGER2, M. KUJAWINSKA3, U. ZEIT-

4 Fraunhofer IOF, Jena, Germany

W. WU & M. ISIKHAN (22.03.-24.03.2010). Application of 3-D

grammierbare Präzisionsreferenzspannungsquelle durch

D. KIRSTEN & Dr. D. NUERNBERGK (17.03.-19.03.2010).

3 Warsaw University of Technology, IMiF, Warsaw, Poland

Proceedings 11. ITG/GMM-Fachtagung ANALOG 2010.

Analogschaltungen. (Kooperation der TU Ilmenau & IMMS GmbH). Erfurt: in Proceedings 11. ITG/GMM-Fachtagung ANALOG 2010. D. KRAUßE, E. SCHÄFER, Prof. Dr. R. SOMMER & Dr. E. HENNIG (22.03.-24.03.2010). Hierarchische Entwurfsmethodik mit automatischer Bottom-Up-Topologiemodiﬁkation und speziﬁkationsgetriebener Dimensionierung. (Kooperation der TU Ilmenau & IMMS GmbH). Erfurt: in Proceedings 11. ITG/GMM-Fachtagung ANALOG 2010.

IMMS | ZUKUNFT IST JETZT |

JAHRESBERICHT 2010

A. RICHTER (22.03.-24.03.2010). Symbolische Analyse von

Dr. C. SCHÄFFEL1, S. MICHAEL1, B. LEISTRITZ1, M. KATZ-

eﬃzienten Y/S-Parameter-Umrechnungen für N-Ports. Er-

SCHMANN , N. ZEIKE , K. GASTINGER , M. KUJAWINSKA ,

furt: in Proceedings 11. ITG/GMM-Fachtagung ANALOG

M. JOZWIK & S. BEER (31.05.-04.06.2010). Optical, me-

2010.

chanical and electro-optical design of an interferometric

M. REINHARD, U. LIEBOLD, G. METHNER, M. MEISTER & Dr. D. NUERNBERGK (22.03.-24.03.2010). Testfeld zur Charakterisierung von Laserspot-Größen zur Untersuchung und Modellierung des HF-Verhaltens von pin-Fotodioden. Erfurt: in Proceedings 11. ITG/GMM-Fachtagung ANALOG 2010. P. FEBVRE1 & Dr. T. REICH² (01.04.2010). Superconductive Digital Magnetometers with Single-Flux-Quantum Electronics. In: IEICE TRANSACTIONS on Electronics, Vol.E93-C, No.4, pp.445-452. Tokyo, Japan: Maruzen Co., Ltd. 1 IMEP-LAHC, UMR CNRS 5130, University of Savoie, Le Bourget du Lac Cedex, France 2 IMMS Institut für Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme gemeinnützige GmbH, Ilmenau, Germany

Dr. V. BOOS (18.05.-19.05.2010). EDADB – eine Infrastruktur zur Dokumentation und Wiederverwendung von Schaltungstopologien. Dresden: in Proceedings DASS 2010. S. HESSE1, H.-J. BÜCHNER2, Prof. Dr. G. JÄGER2, Dr. C. SCHÄFFEL1, H.-U. MOHR1 & B. LEISTRITZ1 (31.05.04.06.2010). First results of an interferometric controlled planar positioning system for 100 mm with zerodur slider. Delft, NL: 10. International Conference of the Euspen Society for Precision Engineering & Nanotechnology. 1 IMMS Institut für Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme gemeinnützige GmbH, Ilmenau 2 Institut für Prozessmess- und Sensortechnik, TU Ilmenau, Ilmenau

test station for massive parallel inspection of MEMS and MOEMS. Delft, NL: 10. International Conference of the Euspen Society for Precision Engineering & Nanotechnology. 1 IMMS Institut für Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme gemeinnützige GmbH, Ilmenau, Germany

1 LZS Universität Erlangen, Erlangen 2 IMMS Institut für Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme gemeinnützige GmbH, Ilmenau 3 Konrad GmbH, Radolfzell

S. HESSE. (11/2010). Auf den Punkt gebracht – Nahezu reibungsfreies Nanopositioniersystem mit großem Verfahrbereich. Erschienen in Antriebstechnik – Kostruktion, Entwicklung und Anwendung von Antrieben und Steuerungen.

2 SINTEF IKT Optical measurement systems and data analysis, Trondheim, Norway 3 Institute of Micromechanics and Photonics, Warsaw University of Technology, Warsaw, Poland 4 CSEM Center Suisse d’Electronique et de Microtechnique SA, Zurich, Switzerland

D. KIRSTEN, A. ROLAPP & Dr. D. NUERNBERGK (13.09.15.09.2010). Testmethodik zur Untersuchung von geringen Leckströmen. Wildbad Kreuth: 4. GMM/GI/ITG-Fachtagung – ZuE (Zuverlässigkeit und Entwurf) 2010.

B. BIESKE1 & K. GILLE2 (11/12-2010). Design & Charakterisierung von HF-IPs verschiedener Technologien unter Nutzung modularer PXI-Testsysteme bis 6GHz. Erschienen in HF-Report. München: Baltz-Verlag. 1 IMMS Institut für Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme gemeinnützige GmbH, Ilmenau 2 X-FAB Semiconductor Foundries AG, Erfurt

S. ANDERS1, M.G. BLAMIRE2, F.-I. BUCHHOLZ3, D.-G. CRÉTÉ4, R. CRISTIANO5, P. FEBVRE6, L. FRITZSCH1, A.

(20.10-

HERR7, E. IL’ICHEV1, J. KOHLMANN3, J. KUNERT1, H.-G. MEY-

21.10.2010). Stressidentiﬁkation dünner Membranstruktu-

ER1, J. NIEMEYER3, T. ORTLEPP8, H. ROGALLA9, T. SCHU-

ren mittels dynamischer Messungen. Chemnitz: 10. Chem-

RIG10, M. SIEGEL11, R. STOLZ1, E. TARTE12, H.J.M.ter BRAKE

nitzer Fachtagung Mikromechanik & Mikroelektronik.

S. MICHAEL , S. VOIGT 1

& Dr. R. KNECHTEL

1 IMMS Institut für Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme gemeinnützige GmbH, Ilmenau 2 TU Chemnitz, Professur Mikrosystem- und Gerätetechnik, Chemnitz 3 X-FAB Semiconductor Foundries AG, Erfurt

D. GLASER1, P. LU1, K. HELMREICH1, I. GRYL 2, M. MEISTER2, A. LECHNER3, M. JEGLER3 & Z. KISS3 (27.10.-28.10.2010). Themenkreis Virtual Test und automatische Testplangenerierung aus ATML. München: in Proceedings Virtuelle Instrumente in der Praxis VIP 2010.

, Prof. Dr. H. TÖPFER8,13, J.-C. VILLEGIER14, A.M. ZAGOS-

KIN15 & A.B. ZORIN3 (15.12.2010). European roadmap on superconductive electronics – status and perspectives. In: Physica C: Superconductivity, Volume 470, Issues 23-24, Pages 2079-2126. Amsterdam, NL: Elsevier Science BV. 1 Institute of Photonic Technology (IPHT), Department of Quantum Detection, Jena, Germany 2 University of Cambridge, Department of Materials Science, Cambridge, United Kingdom 3 Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), Braunschweig, Germany 4 Unité Mixte de Physique CNRS/THALES, Palaiseau, France

PUBLIKATIONEN 2010 | PATENTE | MESSEN & EVENTS

5 Istituto di Cibernetica CNR, Napoli, Italy 6 University of Savoie, IMEP-LAHC, Le Bourget du Lac Cedex, France 7 Chalmers University of Technology, Department of Microtechnology and Nanoscience – MC2, Göteborg, Sweden 8 Technische Universität Ilmenau, Theoretische Elektrotechnik, Ilmenau, Germany 9 University of Twente, Fac. Science and Technology, Enschede, The Netherlands 10 Physikalisch–Technische Bundesanstalt (PTB), Berlin, Germany 11 Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Institut für Mikro- und Nanoelektronische Systeme, Karlsruhe, Germany

S. SCHRAMM (23.04.2010). Optimierung industrieller Echt-

und Systemen“ (TuZ 2010).

zeitanwendungen auf Basis von Open-Source-Technologi-

I. GRYL, G. KROPP & R. PARIS (28.02.-02.03.2010). Entwurf und Einsatzerfahrungen eines ﬂexibel konﬁgurierbaren PXI Paderborn: 22nd ITG/GI/GMM Workshop „Testmethoden

nagement for wireless sensor systems. Dresden: 4. Innova-

und Zuverlässigkeit von Schaltungen und Systemen“ (TuZ

tionsforum „Software Saxony“, TU Dresden.

vention of noise-induced hearing impairment. Nürnberg:

14 CEA Grenoble, Nanosciences & Cryogenics Institute, Grenoble, France 15 Loughborough University, Department of Physics, Loughborough, United Kingdom

Embedded World Conference. S. LANGE (09.03.2010). Entwurf eines PDICs für 12fach Bluray Schreib- und Leselaufwerke. Erfurt: 45. Mikroelektronik-

Vorträge

Seminar.

Dr. W. SINN (23.02.2010). GALILEO – Regionale Initiativen in Deutschland & Konvergenz zur Identiﬁkation. Berlin: AMAWissenschaftsrat. B. BIESKE & K. GILLE (28.02.-02.03.2010). Charakterisie2

rung von HF-Zellen verschiedener Technologien unter Nutzung modularer PXI-Testsysteme. Paderborn: 22nd ITG/GI/ GMM Workshop „Testmethoden und Zuverlässigkeit von Schaltungen und Systemen“ (TuZ 2010). 1 IMMS Institut für Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme gemeinnützige GmbH, Ilmenau

Dresden. W. KATTANEK (23.04.2010). Software-based energy ma-

T. ELSTE (03.03.2010). Mobile Audio Dosimeter for the pre-

13 IMMS Institut für Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme gemeinnützige GmbH, Ilmenau, Germany

en. Dresden: 4. Innovationsforum „Software Saxony“, TU

Testsystems für on-wafer Messungen im Halbleiterbereich.

2010).

12 The University of Birmingham, Electronic, Electrical & Computer Engineering School of Engineering, Birmingham, United Kingdom

shop „Testmethoden und Zuverlässigkeit von Schaltungen

M. MEISTER (05.05.2010). Testmöglichkeiten auf Waferebene am IMMS. Erfurt: 49. Mikroelektronik-Seminar. Dr. V. BOOS (18.05.-19.05.2010). EDADB – eine Infrastruktur zur Dokumentation und Wiederverwendung von Schaltungstopologien. Dresden: DASS 2010. Dr. E. HENNIG (19.05.2010). Ein Fotodetektor-IC für Blu-rayDisc-Laufwerke mit 12-facher Schreib- und Lesegeschwin-

S. LANGE, H. PLEß & Dr. E. HENNIG (11.03-12.03.2010).

digkeit. Dresden: 5. Silicon Saxony Day, Mikroelektronik-

Entwurf eines PDICs für 12fach Blu-ray Disc Schreib- und

Forum.

Leselaufwerke. Ulm: 12. Workshop Analogschaltungen.

Dr. W. SINN (19.05.2010). Konvergenz von Navigation und

S. MICHAEL (24.03.2010). Parameter Identiﬁcation of Mem-

Sensorik – Quelle neuer Wertschöpfung. Dresden: 5. Silicon

brane Structures – Chances and Limitations. Grenoble,

Saxony Day, SatNav Saxony Workshop.

France: SSI 2010 – MEMUNITY Workshop.

G. NITSCHE & K. AGLA (18.05-19.05.2010). SystemC (-AMS)

B. BIESKE (21.04- 22.04.2010). Design & Charakterisierung

zur frühzeitigen Validierung und Optimierung des System-

von HF-IPs verschiedener Technologien unter Nutzung

konzeptes komplexer Smart-Sensor-Systeme. Dresden: 5.

modularer PXI-Testsysteme bis 6GHz. Hamburg: RADCOM

Silicon Saxony Day.

2 X-FAB Semiconductor Foundries AG, Erfurt

2010-Radar, Communication and Measurement.

M. REINHARD, M. MEISTER, U. LIEBOLD, T. COHRS & Dr. D.

S. ENGELHARDT, E. CHERVAKOVA, W. KATTANEK & T. ROSS-

BACH, Dr. A. SCHREIBER & M. GÖTZE (18.05. - 20.05.2010).

BACH (23.04.2010). Modulare Systemplattform für drahtlo-

BASe-Kit – Ein mobiles Messsystem für die Gebäudeauto-

se Sensornetzwerke. Dresden: 4. Innovationsforum „Soft-

mation, BASe-Kit – A mobile measurement system for buil-

ware Saxony“.

ding automation. Nürnberg: SENSOR+TEST 2010, 17. Inter-

NUERNBERGK (28.02.-02.03.2010). Erhöhung der Testqualität für optoelektrische Schaltungen durch Charakterisierung des Strahlproﬁls. Paderborn: 22nd ITG/GI/GMM Work-

IMMS | ZUKUNFT IST JETZT |

JAHRESBERICHT 2010

S. ENGELHARDT, E. CHERVAKOVA, W. KATTANEK, T. ROSS-

nationale Fachmesse für Sensorik, Mess- und Prüftechnik.

1 SINTEF IKT Optical measurement systems and data analysis, Trondheim, Norway

Dr. W. SINN (08.06.2010). Erfolgskritisches Wissen bewer-

2 Warsaw University of Technology, IMiF, Warsaw, Poland

ten und entwickeln – Praxisbericht. Ilmenau: TU Ilmenau (Ringvorlesung). T. SATTEL1, R. VOLKERT1, S. HESSE2, Dr. C. SCHÄFFEL 2 (14.06.-16.06.2010). Planar Magnetic Drives and Bearings for Multi-Axis Nanopositioning Machines with Large Travel Ranges. Bremen: Actuator 2010. 1 Mechatronics Group, Department of Mechanical Engineering, Ilmenau University of Technology, Ilmenau 2 IMMS Institut für Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme gemeinnützige GmbH, Ilmenau

K. GASTINGER1, M. KUJAWINSKA 2, U. ZEITNER3, C. GORECKI4, Dr. C. SCHÄFFEL 5, S. BEER6, R. MOOSBURGER7, M. PIZZI (12.04.-16.04.2010). Next generation test equip8

ment for micro-production. Brüssel, Belgien: Photonics Europe 2010. 1 SINTEF IKT Optical measurement systems and data analysis, Trondheim, Norway 2 Warsaw University of Technology, IMiF, Warsaw, Poland 3 Fraunhofer IOF, Jena, Germany 4 CNRS FEMTO-ST, Besançon, France 5 IMMS Institut für Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme gemeinnützige GmbH, Ilmenau, Germany 6 CSEM SA, Zurich, Switzerland 7 Heliotis, Root Längenbold, Switzerland

3 Fraunhofer IOF, Jena, Germany

Prof. Dr. H. TÖPFER1 & I. PETRINSKA 2 (11.09.2010). Energy harvesting for wireless sensor networks. Soﬁa, Bulgarien: Eingeladener Vortrag zum internationalen PhD Seminar

4 CNRS FEMTO-ST, Besançon, France

on Computational Electromagnetics and Optimization in

5 IMMS Institut für Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme gemeinnützige GmbH, Ilmenau, Germany

Electrical Engineering CEMOEE 2010.

Dr. W. SINN (23.06.2010). Energieversorgung im Span-

1 IMMS Institut für Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme gemeinnützige GmbH, Ilmenau, Germany

nungsfeld. Suhl: ELMUG-Technologiekonferenz „elmug4fu-

2 Technical University of Soﬁa, Bulgaria

ture“.

D. KIRSTEN, A. ROLAPP & Dr. D. NUERNBERGK (13.09.-

Prof. Dr. H. TÖPFER (23.06.2010). Komplexitätsaspekte in drahtlosen Sensornetzwerken. Suhl: ELMUG-Technologiekonferenz „elmug4future“. Dr. F. SPILLER (23.06.2010). Applikationsspeziﬁscher Entwurf mechatronischer Direktantriebe. Suhl: ELMUG-Technologiekonferenz „elmug4future“.

15.09.2010). Testmethodik zur Untersuchung von geringen Leckströmen. Wildbad Kreuth: 4. GMM/GI/ITG-Fachtagung – ZuE (Zuverlässigkeit und Entwurf) 2010. M. GÖTZE1, T. ROSSBACH1, Dr. A. SCHREIBER1, S. NICOLAI² & H. RÜTTINGER² (14.09.2010). Distributed in-house metering via self-organizing wireless networks. Ilmenau: Internationales Wissenschaftliches Kolloquium (IWK), Tech-

S. UZIEL (23.06.2010). Sensornahe Signalverarbeitung.

nische Universität Ilmenau.

Suhl: ELMUG-Technologiekonferenz „elmug4future“.

1 IMMS Institut für Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme gemeinnützige GmbH, Ilmenau

W. KATTANEK (21.07.2010). Praktische Aspekte der Ge-

2 Fraunhofer Application Center for Systems Engineering, Ilmenau

staltung von drahtlosen Sensornetzwerken. Ilmenau: Ein-

S. LANGE, Dr. B. DIMOV, Dr. T. REICH & Dr. E. HENNIG

geladener Vortrag zum Institutskolloquium des Instituts

(04.-06.10.2010). Realisierung eines PDICs für 12fach Blu-

für Informationstechnik der Technische Universität Ilme-

ray-Disc-RW Laufwerke mit Hilfe neuartiger eﬃzienter

nau.

Entwurfsmethodiken. Miltenberg: Kleinheubacher Tagung 2010.

8 Techfab s.r.l., Chivasso, Torino, Italy

A. AMAR (11.08.2010). Design of optical receivers (System

K. GASTINGER1, M. KUJAWINSKA 2, U. ZEITNER3, C. GORE-

and circuit level approaches). Erfurt: 50. Mikroelektronik-

Dr. W. SINN & Dr. T. HUTSCHENREUTHER (07.-08.10.2010).

Seminar.

Konvergenz von Navigation, Identiﬁkation und Sensorik.

CKI4, Dr. C. SCHÄFFEL 5 (20.06.-23.06.2010). SMARTIEHS – The interferometric test station for parallel inspection of MEMS and MOEMS. Nałęczów, Polen: 11th Scientiﬁc Conference Optoelectronic and Electronic Sensors COE.

Dr. W. SINN (26.08.- 27.08.2010). Satellitennavigation für Inspektionen in Land- & Forstwirtschaft. Jena: 8th NEMO-

Lichtenwalde: Sensorsysteme 2010, 10. Leibniz Conference of Advanced Science.

SpectroNet Forum.

PUBLIKATIONEN 2010 | PATENTE | MESSEN & EVENTS

S. SCHRAMM (28.10.2010). Echtzeitanwendungen mit Li-

Dr. W. SINN (15.12.2010). Intelligent Street Control with Mo-

A. RICHTER (22.03.-24.03.2010). Symbolische Analyse von

nux – quantitativer Vergleich verschiedener Ansätze am

bile Infrared Imaging. Jena: 9th NEMO-SpectroNet Forum.

eﬃzienten Y/S-Parameter-Umrechnungen für N-Ports. Er-

Beispiel einer EtherCAT®-Echtzeitkommunikation für eine

furt: 11. ITG/GMM-Fachtagung ANALOG 2010.

Poster

ARM9-Plattform. Mittweida: 12. Informatik-Tag. H.-U. MOHR, Dr. F. SPILLER & N. ZEIKE (03.11-04.11.2010). Entwicklung eines magnetische Direktantriebes für große Verfahrbereiche mit sub-µm-Genauigkeit. Winterthur, Schweiz: Internationales Forum Mechatronik 2010.

I. GRYL, G. KROPP & R. PARIS (28.02.-02.03.2010). Entwurf und Einsatzerfahrungen eines ﬂexibel konﬁgurierbaren PXI-Testsystems für on-wafer Messungen im Halbleiterbereich. Paderborn: 22nd ITG/GI/GMM Workshop „Testmetho-

Dr. W. SINN (04.11.2010). Die intelligente Straße. Stuttgart:

den und Zuverlässigkeit von Schaltungen und Systemen“

B. BIESKE1, M. LANGE2 & S. BEYER2 (22.03.-24.03.2010). Test

POSITIONs 2010, SatNav-Anwender Kongress.

(TuZ 2010).

von diﬀerentiellen 2,4 GHz IEEE 802.15.4 / ZigBeeTM ICs:

S. ENGELHARDT (05.11.2010). Energieeﬃzienz als Heraus-

K. AGLA (08.03.2010-12.03.2010). From SystemC to Real

forderungen beim Entwurf drahtloser Sensornetzwerke in

Hardware. Dresden: Date 2010 – Design, Automation & Test

der Gebäudeautomation. Karlsruhe: Hitex Workshop ener-

in Europe.

gieeﬃziente Systeme.

D. KIRSTEN & Dr. D. NUERNBERGK (17.03.-19.03.2010).

Dr. W. SINN (05.11.2010). Mobilkommunikation & Satelli-

Evaluation of Low Leakage Currents using a Floating-Gate

tennavigation – Quelle für neue Anwendungen. Ilmenau:

Transistor. Glasgow, UK: Ultimate Integration on Silicon.

TU Ilmenau (Gastvortrag).

Grenzen und Möglichkeiten. Erfurt: 11. ITG/GMM-Fachtagung ANALOG 2010. 1 IMMS Institut für Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme gemeinnützige GmbH, Ilmenau 2 Atmel Germany GmbH, Heilbronn

A. JÄGER1 & K. GILLE2 (04.05.-05.05.2010). X-FAB PLL Demonstrator – Increase in design eﬃciency by the use of high abstraction level modelling and mixed-level simulati-

A. AMAR & T. COHRS (22.03.-24.03.2010). Adaptive gain

on. Hannover: 4. edaWorkshop.

Prof. Dr. H. TÖPFER (10.11.2010). Drahtlos vernetzte Sen-

control for high dynamic range optical receivers. Erfurt: 11.

sorsysteme zur Erhebung von Messgrößen zur Gebäudeau-

ITG/GMM-Fachtagung ANALOG 2010.

1 IMMS Institut für Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme gemeinnützige GmbH, Ilmenau

tomation. Jena: 33. Stammtisch „Automatisierungstechnik“ Fachhochschule Jena.

W. WU & M. ISIKHAN (22.03.-24.03.2010). Application of 3-D EM-Simulation in Research of Integrated Inductors, System

G. METHNER (07.12.2010). IMMS Ambient light sensor

in Package (SiP) Design and Package Eﬀects. Erfurt: 11.

D3010A – Entwicklung, Charakterisierung, Anwendung so-

ITG/GMM-Fachtagung ANALOG 2010.

wie die Kompetenzen des IMMS von der Idee bis hin zum Sample. Erfurt: 54. Mikroelektronik-Seminar.

D. KIRSTEN & Dr. D. NUERNBERGK (22.03.-24.03.2010). Programmierbare Präzisionsreferenzspannungsquelle durch

Dr. W. SINN (09.-10.12.2010). Satellitennavigation und

Nutzung eines analogen Floating-Gate-Speicherelements.

Identiﬁkation – Zukunftstechnologien mit enormen Markt-

Erfurt: 11. ITG/GMM-Fachtagung ANALOG 2010.

zuwächsen. Dresden: 4. RFID-Symposium.

IMMS | ZUKUNFT IST JETZT |

JAHRESBERICHT 2010

2 X-FAB Semiconductor Foundries AG, Erfurt

K. AGLA (04.05.-05.05.2010). From SystemC to Real Hardware. Hannover: 4. edaWorkshop. S. HESSE1, H.-J. BÜCHNER2, Prof. Dr. G. JÄGER2, Dr. C. SCHÄFFEL1, H.-U. MOHR1 & B. LEISTRITZ1 (31.05.-04.06.2010). First results of an interferometric controlled planar positioning system for 100 mm with zerodur slider. Delft, NL: 10. International Conference of the Euspen Society for Precision Engineering & Nanotechnology.

1 IMMS Institut für Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme gemeinnützige GmbH, Ilmenau, Germany

Messen & Events

2 Institut für Prozessmess- und Sensortechnik, TU Ilmenau, Ilmenau, Germany

embedded world

02. bis 04. März 2010

Nürnberg

OSADL-Gemeinschaftsstand

Dr. K. FÖRSTER (05.10.-07.10.2010). OKTOPUS: Anwen-

11. ITG/GMM-Fachtagung ANALOG 2010

22. bis 24. März 2010

Erfurt

Ausrichter: IMMS GmbH

Lange Nacht der Technik Ilmenau

28. Mai 2010

Ilmenau

In Kooperation mit der Technischen Universität Ilmenau

Bonding Firmenkontaktmesse

03. bis 04. Mai 2010

Dresden

Silicon Saxony Day

18. bis 19. Mai 2010

Dresden

D&E Entwicklerforum „Embedded-System-Entwicklung“

19. bis 20. Oktober 2010

Ludwigsburg

inova

20. Oktober 2010

Ilmenau

SPS/IPC/Drives 2010

23. bis 25. November 2010

Nürnberg

OSADL-Gemeinschaftsstand

Patente

Precision Fair 2010

01. bis 02. Dezember 2010

Veldhoven/ Eindhoven (NL)

ELMUG-Gemeinschaftsstand

Dr.-Ing. C. SCHÄFFEL. Vorrichtung zur Positionsbestim-

electronica 2010

09. bis 12. November 2010

München

OSADL-Gemeinschaftsstand

dungsfelder Halbleitertest. Randolfzell: ProjektabschlussMeeting.

Dissertation D. KIRSTEN (Dezember 2010). Entwicklung, Entwurf und Anwendung von nichtﬂüchtigen Analogwertspeicherelementen auf Basis von Floating-Gate-Speicherzellen in einer Standardtechnologie. IMMS GmbH, Ilmenau

OSADL-Gemeinschaftsstand

mung eines Läuferelements in einem Planarantrieb und dergl. Bewegungssystem(6D) Dipl.-Math. D. KAROLEWSKI, Dipl.-Math. M. KATZSCHMANN, Dipl.-Ing. H.-U. MOHR, Dr.-Ing. C. SCHÄFFEL, Dr.-Ing. F. SPILLER, Dipl.-Ing. N. ZEIKE. Mehrkoordinatendirektantrieb Dipl.-Ing. D. KRAUSSE, Dr.-Ing. E. HENNIG, Dipl.-Ing. E. SCHÄFER, Prof. Dr.-Ing. R. SOMMER. Verfahren zur automatischen Topologiemodiﬁkation beim Entwurf von analogen integrierten Schaltungen

PUBLIKATIONEN 2010 | PATENTE | MESSEN & EVENTS

Ehrenbergstr. 27

Institut für Mikroelektronikund MechatronikSysteme gemeinnützige GmbH

D - 98693 Ilmenau/Thüringen/Germany Phone: +49 (3677) 69 55 00 Fax: +49 (3677) 69 55 15 E-Mail: imms@imms.de

Institutsteil Erfurt Konrad-Zuse-Strasse 14 D - 99099 Erfurt/Thüringen Telefon: +49 (361) 663-2500 Telefax: +49 (361) 663-2501 E-Mail: imms@imms.de Straßenbahn Linie 3, ab Hauptbahnhof Richtung „Urbicher Kreuz“

bis Haltestelle „Windischholzhausen/X-FAB

IMMS | ZUKUNFT IST JETZT |

JAHRESBERICHT 2010

B“

Ehrenbergstr. 27 D - 98693 Ilmenau/Thüringen/Germany

Institute for Microelectronic and Mechatronics Systems GmbH

Phone: +49 (3677) 69 55 00 Fax: +49 (3677) 69 55 15 E-Mail: imms@imms.de

Branch oﬃce Erfurt Konrad-Zuse-Strasse 14 D - 99099 Erfurt/Thüringen/Germany Phone: +49 (361) 663-2500 Fax: +49 (361) 663-2501 E-Mail: imms@imms.de tram #3, from central station direction „Urbicher Kreuz“ exit at stop „Windischholzhausen/X-FAB“

PATENTE | MESSEN & EVENTS

15 IMPRINT

Publisher

Photos

Institute for Microelectronic and

Frank Diehn • www.fRanKon.de

Mechatronic Systems GmbH

IMMS GmbH

Editing and Proof Reading Prof. Dr.-Ing. Ralf Sommer Dipl.-Ing. Hans-Joachim Kelm Dipl.-Medienwiss. Ines Lehrke

Layout and Composings Frank Diehn • www.fRanKon.de Dipl.-Medienwiss. Ines Lehrke

Translation Tatjana Baumgärtner • www.languewitches.de

Stefanie Theiß www.pixelio.de

Contact Dipl.-Medienwiss. Ines Lehrke PR / Marketing Manager Ehrenbergstr. 27, 98693 Ilmenau Phone: +49 (3677) 69 55 13 Fax: +49 (3677) 69 55 15 E-Mail: imms@imms.de All rights reserved. Reproduction and publication only with express of the IMMS GmbH.

Dipl.-Medienwiss. Ines Lehrke

Printed by

May 2011

Brandtdruck e. K. • www.brandtdruck.de

IMMS | FUTURE IS NOW | ANNUAL REPORT 2010

IMPRINT

15 CONTENTS

Preamble................................. 6 Future is now – IMMS..................... 8 Testimonials

........................... 12

IMMS in Figures 2010

.................. 14

The IMMS Team ........................ 16 Awards and Distinctions ............... 18 IMMS Events: From “More than Moore” to Open Source ....................... 20 Institute Life

........................... 24

Augmentation of Power Eﬃciency of Embedded Systems ................. 28 Energy Consumption Measurement and Smart Grid Integration ............ 32 3D Positioning System in the Range of Nanometers ................. 34

Microelectronic Light Sensors

Ambient Light Sensor – Circuit Development at IMMS from the Idea up to the Sample ................. 46 The Project OKTOPUS and the Further Development of Measurement Technology at IMMS ................... 50 New Electronic Measurement Laboratory with International Clean Room Standard.................. 54 Reference List Organigram

......................... 56

........................... 58

Scientiﬁc Advisory Board .............. 59 Board of Directors

..................... 59

Publications 2010 ...................... 60

SMARTIEHS – Intelligent MEMS Test System on Wafer Level ........... 38

......... 42

IMMS | FUTURE IS NOW | ANNUAL REPORT 2010

15 PREAMBLE

With the year 2010, an eventful and emotional year

dy in December of the same year, the second spin-

closed, which is summarized for you in this annual

oﬀ, EMSYS GmbH, followed – EMSYS develops solu-

report and delivers you insight into the research and

tions for high speed applications in the ﬁeld of bus

development work as well as into our multifaceted

systems and embedded systems. It becomes appa-

institute’s life. Not only the successful year 2010 but

rent, which enormous leaps the institute performed

also the jubilee of IMMS is themed by “Future is now“.

already during the ﬁrst years. Today, we have almost

In 2010, the oﬃcial start of IMMS as independent Thu-

100 employees and work intensively in the ﬁrst ﬂight

ringian research and development institute celebra-

of the Free State to assist the industry to bring mo-

tes its 15th anniversary. “Future is now“ has there-

dern innovative developments to market. What and

fore more than 15 years of history of establishment

how we achieve this can be seen subsequent to this

and we are proud of what we have achieved!

preamble.

Everything started in September 1995, still in the

Afore it is especially close to our heart to thank: ﬁrst

premises of the Ilmenau University of Technology

of all the Free State of Thuringia, by whose support

(TUI) with a handful of employees. 19 December,

our work is rendered possible. Thanks to all our busi-

1995 was the oﬃcial start and the foundation of the

ness partners, friends, sponsors and persons who

institute – which was attended by the Free State ma-

give us encouragement. At this point we would like to

king available 15 million Deutsche Mark. In Erfurt,

thank likewise the board of directors and the scienti-

a branch oﬃce was established in February 1997 –

ﬁc advisory board of IMMS who provide their support

oﬃces in south-eastern Erfurt in Thuringia’s Center

and advice regarding all questions.

of micro-electronics. Less than two years after the foundation of the institute – in October 1998 – IMMS was already established and the cooperation with TUI was strengthened at such a rate that it became the first associated institute of the university. At the same time the first spin-off of the institute was established: employees of IMMS founded, together with the engineer’s office Eberhard, THESYCON GmbH. Alrea-

IMMS | FUTURE IS NOW | ANNUAL REPORT 2010

But the most important assets of our institute are our “heads“ – employees, but also students, who bring forward our institute by their creativity, commitment and dedication and who bring in professional expertise and personal competencies. Therefore, we would like to thank all employees of IMMS in a special way for the constructive and trustful teamwork. “Future is now“ is a continuously set challenge, that requires continuously highest commitment – which can only be achieved together, as IMMS team, for our customers and for us.

Dipl.-Ing. Hans-Joachim Kelm

Prof. Dr.-Ing. Ralf Sommer

PREAMBLE

15 FUTURE IS NOW – IMMS

IMMS as applied research institute has Centerd the

The future trends identiﬁed for Thuringia and the

“project future” since its foundation 15 years ago.

growing areas deduced from that, are the drivers

In close cooperation with the Ilmenau University of

for the research and development work at IMMS.

Technology and its industrial partners, the institu-

The strategic direction of the institute – to master

te works on application, distribution and deepening

technologies and methodologies – is orientated on

of research results and performs application-orien-

these growing areas: precision engine construction,

tated research and development in the area of mi-

automation, communication technology, measure-

cro-electronics and systems engineering as well as

ment engineering, control technology and feedback

mechatronics.

control, micro- and nanotechnologies, medical technology, automotive and green technology. The mega

The IMMS strategy is characterized by developing

trends superior to these growing areas do not only

solutions – via application-orientated research – that

drive future activities of IMMS but they are already

are targeting the ﬁnal product. The future is “develo-

part of current projects and research work – true to

ped” here, at a Thuringia research and development

the motto “Future is now”.

institute, and enables our industrial partners to gain competitive advantages. Together, sustainable pro-

In order to implement these ﬁelds beneﬁcially for our

duct innovations are developed. In doing so, the idea

application partners, it is essential to apply technology

of an overall design strategy for heterogeneous sys-

know-how, as for example CAD from the device mode-

tems has been developed – not least driven by the

ling based on FEM methods up to computer-aided de-

high tech strategy of the Federal Government. This

sign of circuits, systems and machines, precision and

means to build up an overall system competence by

high temperature electronics, embedded software

bridging the gap between micro-electronics and me-

design and the integration of communication and

chanics with multidisciplinary and a large potential of

energy harvesting functions. For an eﬀective appli-

experience and knowledge.

cation of these technologies again a deep knowledge of methodologies is required. Those include inter alia skills in constructive design and knowledge of innovative design methodolgies, of model-based design including system and components modeling, virtual

IMMS | FUTURE IS NOW | ANNUAL REPORT 2010

prototyping as well as the optimization of embedded

The researchers and developers of IMMS are like

electronic platforms for industrial applications.

cooks in a specialty restaurant – closely connected both with the producers and their guests. The art is

How does IMMS achieve this leading position? The

to bring the ingredients together to new creations,

institute has dedicated itself for years to the idea

testing new and unusual ingredients and always

„More than Moore“, which means not only to create

preserve highest quality demands. Essential are

an increasing system complexity by an increasing

the specialties and furthermore the additional va-

integration level according Moore’s law but to create

lue for the customers. Transferred to our institute

at the same time more intelligent systems. Develop-

these are for example applications in medical tech-

ments start with an idea and end in a design. IMMS

nology and bioanalytics or energy-eﬃcient systems.

goes beyond, starting with the design of the indivi-

Just like the actual trend of good cooking to prefe-

dual components and subblocks to the integration

rence regional aliments IMMS has always focused on

of the system and, ultimately, to the prototype. In

close cooperation with regional enterprises. Besides

future the institute will even accompany series pro-

this regional involvement, national and internatio-

duction.

nal visibility is our goal. Our results of research

Our knowledge of all steps of the development pro-

and development work

cess together with innovative ideas for more intelli-

are internationally com-

gent systems is the USP, which prepares IMMS and

petitive and are going

its partners for the future.

to establish a new light house with a visibility far across the boarders of Thuringia, saying „Future is now“.

FUTURE IS NOW – IMMS

Strong Partners for Innovative Developments

vigation), measurements and identiﬁcation of para-

In 2010 our cooperation with the Ilmenau University

example the development of a personalized miniatu-

of Technology (TUI) again was very versatile and fo-

rized audio dosimeter). Besides the current projects

cused besides a broad scientiﬁc cooperation on high-

we work on new conjoint initiatives whereupon the

quality education for our students. Research and

application orientation according to the high-tech

education has a strong link, as for example students

strategy of the German Federation is becoming more

from TUI working at IMMS received two Best Paper

and more important.

meters of mechanical and speciﬁc electrical devices as well as in the area of biomedical engineering (for

Awards for their research works in analog circuits design methodologies.

But also regarding conjoint education IMMS imparts theoretical substantiated knowledge of methods with

Above all, there is a broad network and a close coope-

a high relation to application. Hence, many practical

ration with the university in terms of research. Thus,

application aspects have been incorporated to basic

contacts with 28 departments have been established

engineering courses, which are very well received by

– such as in electronics and information technology,

the students. Furthermore, IMMS oﬀers facultative

mechanical engineering, computer science and auto-

training courses and tours to our industrial partners

mation, in mathematics but also in media and com-

for the students. But the close relation to the stu-

munication sciences. This mutual scientiﬁc work is

dents is especially reﬂected in their active integra-

also expressed by 12 research projects (as in 2010) in

tion as trainee (33), scientiﬁc assistances (28) and in

which IMMS and the university are partners. Main foci

the framework of student research projects, diploma,

are nano-positioning and nano-measuring machines

bachelor and master theses (15).

(SFB 622), multisensory systems (e. G. for the control of high-temperature processes), latest methods in the area of integrated analog circuit design, several activities in the ﬁeld of microsystem technology and MEMS (with focus on systematic modeling, design and test), high-frequency technology (e. G. satellite na-

IMMS | FUTURE IS NOW | ANNUAL REPORT 2010

Networks Bringing Together Industry and Research True to the motto „together we are strong“, it gets more and more important that protagonists in science and economics align with each other. That is also valid for Thuringia. Thuringia belongs to the leading regions in microsystem technology in Germany. Numerous SMEs produce highly specialized components and complex microsystems. IMMS – as intermediator between science and economics – brings in its competences in electrical engineering, optics, mechanical engineering, automotive, information and communication technology (ICT) and logistics. In doing so, IMMS has been actively participating for years in initiation and organization of regional and national clusters in the corresponding ﬁelds of technology. In Thuringia there are cluster initiatives like OptoNet (network for optical technologies), ELMUG (electronic measurement and device technology in Thuringia), automotive Thuringia (association of sub-suppliers of automotive components in Thuringia) or MNT (micro-nano-technologies Thuringia). At the same time, universities and research institutions are important holders of competence in microsystems technologies and nanotechnologies.

Networking incorporates joint trade show appearan-

The IMMS competences are also integrated in the

ces to demonstrate the regional concentration of

cluster “Cool Silicon”. Here, the special topic is a

skills as well as the establishment of current work-

massive increase of energy eﬃciency in the area of

shop topics for education and training.

micro- and nanoelectronics for the key sector of ICT.

As a member of the science council of the AMA pro-

But IMMS engages not only regionally but also natio-

fessional association for sensor systems, a study

nally and internationally. Examples are the German

“Sensor Trends 2014” was worked out with IMMS

edaCentrum pursuing electronic design automation

as cooperator. On the basis of chosen application

(EDA) as a key for micro-electronics and micro-sys-

areas, the study combines experiences and deve-

tem technology as well as the international Cadence

lopment trends of sensor systems. So, new appli-

Academic Network in which IMMS is, together with

cations with high accession rates arise from areas

the Ilmenau University of Technology, one of eight

like home appliances, security systems, medical

lead institutions.

diagnosis and therapy, biosensors and automotive engineering.

These forward-looking cooperation between industry and research show that the technical, econo-

Also in the innovation panel “automobile lean in res-

mic and environmental performance can be even

pirable dust” of the ACOD (Automotive Cluster Sou-

more eﬀective and expanded – an opportunity and

thern Germany), IMMS brings in its competences in

challenge for sustainable thinking and business

sensor technology and signal processing.

success.

Furthermore, IMMS is member of the Silicon Saxony registered association, the biggest industrial association of micro-electronics in Europe. Due to the close connection within the association, inter alia application-orientated research groups like “RFID Saxony” and “SatNav Saxony” have been formed by signiﬁcant involvement of IMMS.

FUTURE IS NOW – IMMS

15 TESTIMONIALS

IMMS has been the most important research part-

By its competence and expertise in the area of in-

ner of X-FAB incorporation for many years. 2010 the

tegrated drives, IMMS has made for years a hugely

successful cooperation has been continued in many

important contribution to the research of basics for

ﬁelds and deepened in strategic directions. In doing

nano-positioning and nano-measuring devices in Il-

so, X-FAB deploys both the special competencies of

menau. The now realized system is a milestone of

IMMS as partner in publicly funded research projects

this development. It demonstrates imposingly the

and the engineer technical resources with direct in-

potential of the drive principle in combination with

dustrial contracts. IMMS is well prepared to assist our

high-resolution laser interferometers as measuring

“More-than-Moore“-roadmaps by its ﬁelds of exper-

system, implemented by IMMS, and is at the same

tise microelectronic, mechatronics and system de-

time an exemplar for the close and successful co-

sign. The trend towards heterogeneous systems is

operation between IMMS and our speciﬁc ﬁeld at the

also readable in research and other cooperation pro-

university.

jects. They range from analog/mixed-signal design across integrated optoelectronics and micromechanics to the problem of liability of high temperature applications. As industry-orientated research institute, IMMS is perfectly prepared to meet both the requirements of the big industry and the predominant small and medium-sized operators.

DR. JENS KOSCH CHIEF TECHNICAL OFFICER X-FAB SEMICONDUCTOR FOUNDRIES AG

IMMS | FUTURE IS NOW | ANNUAL REPORT 2010

DR.-ING. HANSJOACHIM BÜCHNER PROJECT MANAGER LASER INTERFEROMETRY INSTITUTE FOR PROCESS MEASUREMENT TECHNOLOGY AND SENSOR TECHNOLOGY, ILMENAU UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

In many conversations with our customers, we re-

The Institute of Microelectronic and Mechatronic

alized that above all outstandingly educated engi-

Systems (IMMS) was accepted as regular member

neers – which have a comprehensive know-how and

of the Open Source Automation Development Lab

high technology competencies – are required for the

(OSADL) in January 2009. Since then, the IMMS is

development of more and more complex electronic

contributing to the development of Open Source

systems. In this regard, Cadence Academic Network

software components for the automation industry.

oﬀers an ideal platform for the exchange of experti-

We gratefully acknowledge this contribution on be-

se within universities and between industry, univer-

half of our members and the worldwide community.

sities and Cadence. IMMS and the Ilmenau Universi-

In addition, IMMS and OSADL jointly organized trai-

ty of Technology have been chosen as one of eight

ning courses in 2010 on „Embedded Linux“ using

leading institutions as they assume a pioneering

the company‘s facilities. At this occasion, I was able

position for development, transfer and placement of

to convince myself of the excellent infrastructure

state-of-the-art design methodologies.

of the IMMS as well as the remarkable professional

DR. PATRICK HASPEL COORDINATOR OF THE CADENCE ACADEMIC NETWORK (CAN)

competence and extraordinary organizational and teaching skills of the IMMS staﬀ members.

DR. CARSTEN EMDE GENERAL MANAGER OSADL E. G.

TESTIMONIALS

100 members of staﬀ were employed at IMMS in

The earnings by industrial contract research reco-

2010. Hereof, 59 were scientists, and as FTE 28 stu-

vered by about 30 percent. Nevertheless they have

dents were employed for research and development,

not yet reached the level before the last global eco-

which is equivalent to about 87 percent of all IMMS

nomic crisis. The business situation 2010 stabilized

staﬀ members.

on an unexpected high level and is on the verge of closing the gap on the level before the crisis.

As already during the previous years, all in all a large number of students (ca. 58) took advantage of the

The economic spirit is good. This allows to expect a

oﬀer of IMMS to deepen and complete their education

fast increase of industrial contract research in the

in praxis-orientated research: 33 students passed

future.

practical trainings, 8 diploma, 3 bachelor and 4 master theses were supervised and 3 employees are en-

Strategically, IMMS has focussed consequently on the

rolled at a university as doctoral candidates at the

future topics health, safety, energy, mobility, com-

moment.

munication and automation as application areas of its research results. A sustainable and dynamic development of the transfer of research performances into industry is aimed for.

Human Resource Development

in Mio €

IMMS IN FIGURES 2010

Students

27 %

15 %

Project Revenue

Industrial Revenue Project Funding

2,5

Others

58 %

1,5 1 0,5

Others Scientiﬁ c Staﬀ

0 Ist05

Ist06

IMMS | FUTURE IS NOW | ANNUAL REPORT 2010

Ist07

Ist08 Years

Ist09

Ist10

Earnings through public project sponsorship in 2010

The Free State of Thuringia took care for reliab-

were stable. The positive develompent of project

le conditions for institiutional allocation. This was

sponsorship characterizes the acceptance of IMMS

especially conducive to the cooperation with small

as research partner. Mostly all of these projects are

and medium-sized enterprises.

joint projects. IMMS was successful in increasing its project activi-

Financing Structure

ties apparently by its network activities. The decrease of industrial contract research will not

be permanent. But it is a great challenge for IMMS to overcome it. Earnings out of this activity serve the 1,5

Due to its high dedication to collegiate education, IMMS was able to recruit enough degree holders to ensure the necessary number of scientiﬁc employees and their quality. Thereby, it was possible to

in Mio €

ﬁnancing of loss-making public sponsored projects.

0,5

work on the increasing number of public sponsored research projects.

0 Ist05

Ist06

Ist07

Ist08

Years Industrial Revenue

Project Funding

Ist09

Ist10

Basic State Funding

IMMS IN FIGURES 2010

15 THE IMMS TEAM

„We pave the ways for ideas, that are ahead of their time.“

IMMS | FUTURE IS NOW | ANNUAL REPORT 2010

„Future is now!“

THE IMMS TEAM

Director of the IMMS Institute Won the Teaching Award of the Ilmenau University of Technology

respective special branch of science. Others played

In 2010, the Ilmenau University of Technology has for

in total on October 9, in the course of the ceremonial

the ﬁrst time presented the award for teaching. In

matriculation.

a special part in rearrangement of the studies of Mathematics or elaborated new courses and teaching methods. The university annually provides prize money of 10,000 Euros in total for the teaching award. The teaching award 2010 was given to 11 awardees

the future, professors and members of staff of the university’s five faculties will be honored every year for special attainments. Professor Dr. Ing. Ralf Sommer, scientific director of IMMS, was among the awardees in 2010. All honorees are characterized by how they attend to their students with great dedication. In the statement for the award was written that

Foto: Kathrin Pöhler

AWARDS AND DISTINCTIONS

they are “undeviating and indefatigable a contact person for the students” and that they stood up for mentoring and placement of student research projects respectively bachelor and master theses as well as for traineeships. Above all they were strongly involved with the promotion of gifted up-and-coming talent.

Some of the awarders: (from the left) Dr. Karsten Henke, Prof. Horst-Michael Groß, Dr. Thomas Kups, Marko Hennhöfer & Prof. Ralf Sommer

Some of the awardees were successful “in a vitalized way” in always conveying knowledge of the studies of engineering terms “comprehensible and demonstrative” and in getting the students into the

IMMS | FUTURE IS NOW | ANNUAL REPORT 2010

Professor Töpfer Becomes Board Member of the Registered Association FLUXONICS The director of the speciﬁc ﬁeld “theoretical electrotechnology”

the Ilmenau University of Technology and em-

The scientiest from Ilmenau was chosen in recogni-

areas of veriﬁcation, design and implementation of

tion of excellent research in the ﬁeld of supercon-

microelectronic systems.

ductive electronics. In this area, the Ilmenau University of Technology is among the world’s leading

Besides several activities like contributions to CDN-

research establishments.

Live 2010, IMMS organized two workshops together with Cadence in 2010, in which AMS designer as well

Professor Töpfer worked as manager of the depart-

as an assessment for the design infrastructure and

ment System Design at IMMS, until he was oﬀered a

application methodology took centerstage.

chair at the university in 2009, since that he attends scientiﬁc projects at the institute.

of EDA (Electronic Design Automation) working

ployee of IMMS, professor Hannes Töpfer has been elected member of the board of the registered association FLUXONICS at the end of 2010.

Due to IMMS and leading manufacturers in the ﬁeld

CADENCE ACADEMIC NETWORK Lead Institution

closely, the University and IMMS were furthermore equipped with the best commercial design software available nowadays (Cadence as well as MunEDA).

The Ilmenau University of Technolgy, together with IMMS, was incorporated into the international Ca-

This association is established internationally and

dence Acedemic Network in 2009, as one of ﬁve lead

dedicates itself to development of sensors and elec-

institutions.

tronics on basis of single ﬂux quantum technology. It is their aim to advance the development especially

The academic network was launched in 2007 by Ca-

all over Europe and – which is involved – to promo-

dence Europe. The aim was to promote the prolif-

te technological innovations by means of research,

eration of leading-edge technologies and methodo-

training and knowledge transfer. FLUXONICS is com-

logies at universities renowned for their engineering

posed of university laboratories, national research

and design excellence. A knowledge network among

Centers as well as industrial enterprises of diﬀerent

selected European universities, research institutes,

European countries.

industry advisors and Cadence was established to

see internet: www.ﬂuxonics.org

facilitate the sharing of technology expertise in the

AWARDS AND DISTINCTIONS

15 IMMS EVENTS: FROM “MORE THAN MOORE” TO OPEN SOURCE

Analog 2010 – With the Motto “More than Moore“

presented regarding current research works in this ﬁeld. The scientiﬁc program was complemented by invited lectures and tutorials.

In cooperation with the association for information technology in the VDE (ITG) and the VDE/VDI asso-

One tutorial dealt with the topic “Electronics for

ciation for micro-electronics, micro engineering and

Medical Technology“. Hereby, Professor Dr. Maurits

ﬁne mechanics (GMM), IMMS organized the 11th ITG/

Ortmanns from the University Ulm explained the

GMM expert conference “Analog 2010 – Development

“circuit draft for implantable neuro-stimulators” – in

of Analoge Circuits with CAE Methods” in Erfurt from

particular for the special technological and scientiﬁc

March 22 to 24, 2010. The conference was themed by

challenges when drafting electronic systems in this

the topic “More than Moore”. This trend in electro-

application area.

nical circuit technology, having emerged during the last years, towards diversiﬁcation of technologies

Together with Professor Ortmanns, IMMS also coope-

and integration of heterogeneous functionality requi-

rates in the framework of a research project for the

res a corresponding extension of the draft process

development of an electronic retina implant; the ins-

for integrated analog/mixed-signal systems. On the

titute is responsible for the development of an ener-

occasion of “Analog 2010“ 30 articles in total were

gy-efficient IC detector for infrared data signals. Further tutorials concentrate on the “Computerbased draft of reusable analog circuits” and “MEMS technologies in a pure play wafer foundry“. A fluid transition was the introducing key note with the title “More than Moore: trend or hype?”. Dr. Jens Kosch from X-FAB Semiconductor Foundries Incorporation outlined the subject “More than Moore”, currently gaining significance, with system integration of analog components but also with sensors, actuators

IMMS | FUTURE IS NOW | ANNUAL REPORT 2010

IMMS Oﬀers a Series of Workshops for the Industry In order to support the cooperation between the Thuringian research and development institute and the local industry, IMMS initiated a series of workshops in the ﬁeld System Design in 2010.

elements of embedded systems as well as related technologies and relevant standards. The participants – mostly decision makers and members of staﬀ of research, development, production and distribution of sensor manufacturers as well as of industrial users of sensors and designers of embedded systems – were enthusiastic about this handson-transfer of knowledge. Hence, in July and November 2010 two more workshops – this time in cooperation with OSADL e. G.

as well as biotechnical, optical and MEMS elements.

(Open Source Automation Development Lab) – with

“More than Moore” will – as per Kosch – gain an in-

the topic “Embedded Linux” took place. With 20

creasing relevance in the semi-conductor industry.

participants each, both workshops were a complete success. During the workshops, the lecturers infor-

The conference conﬁrmed its signiﬁcance – as al-

med about chances, practical solutions and legal

ready in the past – as important event for the

aspects of Open Source – followed by ﬁrst practical

demonstration of Germany’s “landscape” of funded

steps in exposure to real-time capable embedded

projects in the area of EDA research of methodolo-

Linux. The participants from all over Germany and

gies.

of course from Ilmenau and environments were able to test themselves and to bring in their specialist know-how.

The large proportion of participants from industrial

Already in February 2010, IMMS organized together

enterprises proves the still high and continuously

with the AMA (professional association for sensor

growing signiﬁcance of the draft automation for the

systems, registered association) a workshop in Er-

Laudatory feedback from the participants encour-

economic development of micro- and nanoelectro-

furt. The target ranged from a general overview of

aged the personnel of IMMS to continue these work-

nics and systems technology in Germany.

the technologic level via the presentation of typical

shops and to tackle also other topics in the future.

but also novel application scenarios in the area of

Thus, already on December 2, another workshop

sensor systems up to the information on substantial

– now with the topic “Modular Platforms in the

IMMS EVENTS: FROM “MORE THAN MOORE” TO OPEN SOURCE

Developments of Embedded Systems” – in cooperation with Arrow Electronics was oﬀered. Due to the fact that requirements to embedded systems, but also to their possibilities of realization, are getting more and more manifold, the advantages of modular approaches were retrieved and discussed. Furthermore some future trends on the ﬁeld of de-

Long Night of Technology 2010 – “Highlights“ also at IMMS On the occasion of the “Long Night of Technology“ in Ilmenau – organized by the Ilmenau University of Technology – on May 28, 2010, more than ten

velopment of embedded systems were shown and Arrow Electronics presented the Embedded Platform

•

“Ilmenauer Speedway” – a footrace for children with sensor systems (IMMS/Sportident) via a small show-jumping course on the outside facilities

•

“Shot-Putter“ – a small but highly precise cata-

•

two stations where sensors detected accelera-

•

“Planar Motor PPS 100“ which shows measu-

pult with magnetic drive

tion and accuracy

Concept (EPC) and the corresponding hardware com-

ring, positioning and cutting to a hair by dint of

ponents.

modern manufacturing technologies.

First of all IMMS likes to oﬀer a platform for the local industry, in order to strike up a conversation directly with the institute and to get to know the competencies of IMMS – with a lot of examples of application – in a completely practical manner. At the same time the existing know-how is passed on to industrial partners and therefore a transfer of knowledge is established. Furthermore the existing connections between the IMMS and the industrial and network partners is to be consolidated. For 2011, further workshops are planned.

thousand visitors on the mile of technology enjoyed science, technology, culture and treats with a total of 12 stations and more than 150 interesting and spectacular presentations and performances. One station was IMMS in the Ernst-Abbe-Center. At six o’clock in the evening, IMMS opened its doors and presented:

IMMS | FUTURE IS NOW | ANNUAL REPORT 2010

In addition, the Heinz group of companies showed, together with IMMS, how temperatures can be measured by sensors on components, that are diﬃcult to access or in extreme temperature ranges, for example below – 40 °C and above 125 °C. IMMS was able to welcome almost 1,000 visitors on this evening and many conversations showed how interested in technical backgrounds the public was. Thus, the exhibits did not only attract the youth but did also inspire older people to ask and discuss.

IMMS EVENTS: FROM “MORE THAN MOORE” TO OPEN SOURCE

15 INSTITUTE LIFE

RUN – We were Great!

per middle ﬁeld. Great performance! Thereby, team

Themed by “working together to win! Running to-

fun. And the jubilating audience was able to witness

gether to win!” the second run of enterprises of

that this was true.

spirit took center stage – ﬁrst of all running should be

Thuringia took place in Erfurt on 9 June. The new, optimized course led approximately five kilometers through Erfurt`s historical city center – with start and finish at the Dome. But also these five kilome-

IMMS/Fraunhofer IDMT Barbecue

ters were not easy to overcome, at 28 degrees in the shade. More than 2,300 runners from 190 enterprises spurted when Mayor Andreas Bausewein gave the starting shot at 7 pm. Also IMMS was represented this year with its own small team.

In August, the brilliant summer weather was beneﬁted for a shared barbecue with the neighboring Fraunhofer Institute for Digital Media Technologies. The staﬀ of Fraunhofer IDMT and of IMMS converged hereby and the “neighborhood barbecue” became that successful that it will be repeated in 2011.

Murat Isikhan, Thorsten Reich, Jacek Nowak, Glenn Methner and Andre Jäger (from left to right) gave their best and ﬁnished their run being within the up-

IMMS | FUTURE IS NOW | ANNUAL REPORT 2010

IMMS – Precision on Any Position … and on any sur-

IMMS Combines Sciences with Arts – Across Institute’s Sites

face, is to be said.

IMMS has committed itself for many years now to

Since

the

the demand to bring forward culture and arts and

B VMW-Sled g e - C up

to integrate them in the institute’s everyday life.

2010 on August 20,

Hence IMMS took an exhibition of modern arranged

ten

photographs in its premises this year. The specialty

also

employees

IMMS were amongst the about 80 participants

form

Thu-

ringian enterprises. The two IMMS teams – the ladies themed by “Ilmenauer Girls

So, Ute Oberhoﬀ ner, inter alia bronze medal winner

of this years’ art exhibition is the performance at

at the Olympic Games 1984 in Sarajevo and silver

both locations of IMMS – Ilmenau and Erfurt – at the

medal winner of the Olympic Games 1988 in Calga-

same time. A private view in the application Center

ry, as well as Hans Rinn, inter alia Olympia winner 1976 in Innsbruck and gold medal winner 1980 in Lake Placid, attended the sledge-cup.

Love it Fast (IMMS)“ and the gentlemen themed by “Precision on Any Position“ – were able to position themselves in the middle ﬁeld during the ﬁrst participation of IMMS in the sledge-cup. Franziska Schonert was even able to achieve the 3rd place in the ladies’ individual results, versus strong competitors. Guests of honor participated also in the event.

of Microsystems Technology in Erfurt had already taken place in March 2010. IMMS, located there with a part of its institute and the Research Institute for Micro Sensor Systems and Photovoltaic GmbH (CiS)

INSTITUTE LIFE

tion Erfurt-Southeast, a photo show under the name

IMMS Has a Heart for Children

“Dialogues – Photographic Pictures”. Since the ope-

IMMS called on its staﬀ this year to participate in a

ning of this exhibition, selected items of the artist

Christmas campaign for indigent children in Erfurt.

Dieter Mueller could also be admired in the corridors

Many followed this call – they packed and pasted af-

of IMMS in Ilmenau. On the occasion of “Long Night of

fectionately Christmas parcels for children of all ages.

Technology“ on May 28, IMMS invited everyone inte-

These were given to the Evangelic City Mission Erfurt

rested in arts, photography and of course technolo-

at the beginning of December. There, a Christmas

gy to the closing reception. The photographic works

party for indigent children of the capital city Erfurt

of Dieter Mueller invite to a dialog with the beholder.

was arranged on December 10, during which also the

Creative power comes up by the possibilities of digi-

presents collected by IMMS were given to the child-

tal photo collages as well as by photography out of

ren.

as well as the Research and Industry Center (FIZ) Erfurt, registered association, organized at the loca-

unusual views.

IMMS | FUTURE IS NOW | ANNUAL REPORT 2010

15 AUGMENTATION OF POWER EFFICIENCY OF EMBEDDED SYSTEMS

You cannot imagine today’s workaday life without

IMMS dedicates itself for some time to this central

computers or laptops as work equipment and stea-

future-orientated topic and cooperates in the frame-

dy companion. But over 90 percent of the computer

work of several joint projects with partners in the

systems applied worldwide are so-called embedded

industrial and research area. The initial point of all

systems. In 2008, 3 billion embedded systems and

these measures for the power eﬃciency augmenta-

components were sold worldwide. Embedded sys-

tion are detailed skills of the involved hardware and

tems monitor, control and regulate – often in secrecy

software components, of their interaction and their

– processes and plants. Famous examples are mo-

respective application ﬁeld, in which the embedded

bile phones, vital function monitoring of humans by

system is meant to be applied to. The analysis of the

medical devices, a multitude of diﬀerent safety and

components and their behavior enables both their

comfort systems in the car (ABS, ESP) or controls of

eﬃcient and resources-saving operation and their

machines and plants in the industry.

optimization. Special possible savings are disclosed by an intelligent power management of embedded

Each of these systems needs energy – whether ope-

systems which increasingly plays a decisive role, in

rated by electricity out of the power outlet or bat-

excess of the precise control of the energy require-

tery-operated. The work group “high tech strategy

ment of single systems, also in the area of distributed

for the information society“ of the national IT sum-

systems.

mit therefore reasons that “innovative technologies are required for the concepts of hardware as well as of software, but also for the operation of embedded systems. Simultaneously, the Federal Ministry of Education and Research assumes that the percentage of energy required by systems of information and communication technology will increase within the next ten years up to 20 percent. An eﬃcient handling of the available energy, used for continuously more ef-

ﬁcient embedded systems is therefore indispensable.

IMMS | FUTURE IS NOW | ANNUAL REPORT 2010

13N10401) energy eﬃcient radio sensor systems

far, on the energy management of such embedded

are researched, which are meant to be applied to

systems, since the availability of energy cannot be

condition monitoring of technical systems. The spe-

guaranteed and since it is often available very irre-

cialists of IMMS are inter alia responsible in these

gularly. Therefore, in “CoolConSens”, solutions are

projects for the detailed energetic analysis of selec-

researched, which use the available energy ideally

ted sensor components, signal processing and radio

within the preset measurement parameters and

components. In doing so, power consumption pro-

Quality-of-Service (QoS) requirements.

ﬁles of completely embedded radio sensor systems as well as their substantial individual components are analyzed amongst others. The upper part of ﬁ gure 1 shows exemplary the overall energy requireFigure 1: Analysis of the energy requirement of a transmitter

Research Project for Energy Eﬃciency “Cool ConSens” – Energy Eﬃcient Radio Sensor Systems

ments of a radio sensor during a typical operating cycle, whereupon the duration and the frequency

“Smart Home Services” – Building Management and Automation

of activation of substantial system components are noticeable in the lower part of the picture. On basis of these measurements and the power consumption proﬁles generated with them, new power management algorithms are researched. Conventional power management often does not limit itself to

As a partner in the clusters of excellence “Cool Sili-

individual components within a radio network. But

con” [1], advanced by the Federal Ministry for Edu-

there are further steps in the research project, as

cation and Research, IMMS develops, together with

the energy available in the whole network – taking

considerable enterprises and research establish-

into account the achievable measurement precision

ments, technical solutions that will conspicuously

of the sensor system – is used eﬀectively. The ener-

reduce the power consumption in the area of infor-

gy utilization out of the system environment (for ex-

mation and communication technologies (IKT) – to

ample light, heat, oscillations) by means of energy

the point of energy self-suﬃcient systems. Within

harvesting solutions is meant to replace batteries.

the part project “CoolConSens” (support code

But this makes large-scale demands, unsolved so

Figure 2: Battery durability of a radio sensor system

AUGMENTATION OF POWER EFFICIENCY OF EMBEDDED SYSTEMS

less energy than their transmission via radio commu-

[2] deals with the intelligent home of tomorrow by de-

nication. As a result of the IMMS research work an ex-

veloping innovative system solutions for facility ma-

tension of the battery durability of intelligent sensor

nagement and building automation. In this area also a

systems from several weeks to more than 10 years

multitude of embedded systems for sensory, control

is aimed. Especially the closed current consumpti-

and communication tasks are applied whose energy

on of the circuit and of the process intermittent of

consumption inﬂuences directly the factually useable

the system has therefore to be reduced respectively

possible savings of the primary energy requirement

optimized (ﬁgure 2). The special challenge around

of buildings. Within the framework of the research

building automation is on the one hand to guarantee

project “SHS: Home” (support code KF2534503KM9),

long term operation and on the other hand to enable

sponsored by the Federal Ministry of Economics and

a bi-directional communication up to a transfer of the

Technology, IMMS researches energy eﬃcient com-

data via several interstations.

munication solutions for building automation, whe-

The network initiative “Smart Home Services” (SHS)

Center of Growth “CBS Customer Bautronic System”

reupon wireless communication, battery-operated

Parallel to that, IMMS researches within a further

devices for measuring and control tasks (for example

project, sponsored by the development bank of Thu-

Within the center of growth “CBS Customer Bautronic

meters, climate sensors) are especially focused. The

ringia, with the title “SHS: Facility” (project number

System“ [3] building automation systems for selected

characteristics of these systems are the construction

2010FE9073), an energy eﬃcient hardware/software

application areas are developed by Thuringian enter-

out of diﬀerent components working together, that

platform. By the realization of that, a central staging

prises and research establishments, which resolve

map, record, process and send measuring values.

area for measuring data in ﬂats and buildings and a

existing deﬁcits of available oﬀers regarding system

Their speciﬁc activation and deactivation has to be

gateway towards other communication networks is to

integration and user integration. Within the IMMS sub-

guaranteed in terms of reduction of the energy con-

be provided.

project (BMBF – support code 03WKBD3C) a solution

sumption. Out of it, research goals in detail are ad-

for wireless cross linking of sensors and actuators in

ded up for therefore optimized circuits and hardware

buildings has been developed, which serves a user

components, for energy eﬃcient process algorithms

orientated building control. A multitude of sensors

and for novel radio protocols within the scale of wire-

(inter alia for temperature, humidity, light, gas, move-

less communication. Optimization on a system level

ment, acceleration) and actuators permit to detect

has to keep in mind the facts, that the local proces-

indoor temperature and further environmental condi-

sing of sensor data requires about 100 to 1,000 times

tions precisely to control the building technology – by observing the user behavior – accordingly. In combi-

IMMS | FUTURE IS NOW | ANNUAL REPORT 2010

nation with the localization solution developed by

lers the expectation of potential for further energy

IMMS, additionally the position of single users can

consumption reduction with simultaneous increase

be detected exactly regarding the room and there-

of stability and interference sensibility. On the other

fore individual adjustments regarding climatic and

hand the works in the area of intelligent sensor sys-

lighting conditions can be executed. The majority

tems are continued in order to research the possibi-

of the inserted sensors work battery-operated and

lities of novel and substantially more eﬃcient sen-

their communication is eﬀected on basis of the in-

sor and processing architectures for the increase of

ternet protocol (version IPv6). The energy require-

energy eﬃciency. The energy eﬃcient realization

ment respectively the concept and the mode of

of computationally intensive algorithms for the fast

operation of these sensors has been optimized for

and highly precise sensor signal processing as well

long-term operation. The results of the F&E works

as for the safe communication in radio sensor sys-

are demonstrated inter alia in the institution premi-

tems can unlock completely new application ﬁelds

ses of IMMS in form of a substantial multi-hopable

for such embedded systems. IMMS oﬀers compre-

wireless network in long-term operation.

hensive experience in this current area that is getFigure 4: Comprehensive visualization possibilities of the sensor data

ting more and more important in the ﬁeld of energy eﬃciency. This accumulates a perfect technological

Innovative System Solutions for Energy Saving

basis for innovative and sustainable solutions which

The future F&E works of IMMS regarding energy ef-

Dipl.-Ing. Tobias Rossbach

ﬁcient embedded systems focus on the one hand on

are developed together with our customers.

Contact: tobias.rossbach@imms.de

the adaption and optimization of new technologies

Figure 3: Simulated sensor network in a living room

in the area of hardware and software. In the near

Dr.-Ing. Tino Hutschenreuther

future new and standardized radio protocols will be

tino.hutschenreuther@imms.de

available which arouse in combination with new generations of radio transceivers and micro control-

AUGMENTATION OF POWER EFFICIENCY OF EMBEDDED SYSTEMS

15 ENERGY CONSUMPTION MEASUREMENT AND SMART GRID INTEGRATION

The classical electric circuit is based on a clear structure of capacious energy generators like coal burning, gas, water or nuclear power plants on the one hand and energy users on the other hand. In times of renewable energy these conditions are changing. Many small, to some extent private wind and solar power plants, generate electricity and feed it into the grid, in amounts varying heavily according to time of day and meteorological conditions [1]. But at any time as much energy has to be fed into the grid as energy is taken from it. For this reason, new conceptions for the adequate control of energy generation and energy consumption are necessary. First approaches to control the consumption (system demand

Figure 1: BASe-Meter wireless power outlet

control) already exist, in form of the cheaper nighttime-produced

electrici-

ty. According to this it is proﬁtable in terms of money to activate electrical consumer loads at certain times; the energy providers on their part beneﬁt from a more balanced grid due to the realization

of a “smart grid“.

Figure 2: Assembly of the complete system

IMMS | FUTURE IS NOW | ANNUAL REPORT 2010

Intelligent Control for Final Consumer Loads

In collaboration with the Ilmenauer Fraunhofer-An-

Since January 2010, the law on the energy industry

wendungszentrum Systemtechnik (Fraunhofer imple-

EnWG stipulates to provide “the respective termi-

mentation center for system technology in Ilmenau)

nal user with the real energy consumption and the

a wireless network for the measurement of energy

real period of use”. Therefore especially equipped

as a pilot scheme had been established to obtain a

electricity meters have to be applied in newly built

more precise view of the existing consumers and their

houses. But information of the consumption of sin-

behavior [2]. The individual users are realized in form

gle devices is evolvable very restrictedly by means

of intermediate power outlets (ﬁgure 1) and can be

of electricity meters that detect consumption per

reﬁtted without any considerable installation comple-

accommodation unit. The hereby presented system

xity. They allow a highly precise measurement of the

permits to enlarge these digital measuring devices

energy requirement and, in the current version, to

within the scope of so-called sub-meterings and to

switch on and oﬀ individual users remote-controlled.

provide a monitoring of the individual consumer

The measured data are forwarded wireless to a cen-

loads as well as an intelligent control. Furthermore

tral station and are prepared for indication, analysis

it is to be fathom to which extent additional sensory

and further processing. Besides the hardware and

information for instance regarding the indoor tem-

software that had been developed at the IMMS for

perature can be applied beneﬁcially.

Network for Energy Measurement

the actual sensor grid, a gateway solution is applied, which is based on an especially ﬂexible application architecture [3]. It is possible to implement client-spe-

Contact:

ciﬁc respectively project-speciﬁc system adjustments

Dipl.-Ing. Wolfram Kattanek

with low eﬀort due to a combination out of both. In

wolfram.kattanek@imms.de

this manner object-speciﬁc optimization of the grid infrastructure on the one hand and a connection to the energy data management system SIEMENS PROPHET Solutions, on the other hand, had been realized.

ENERGY CONSUMPTION MEASUREMENT AND SMART GRID INTEGRATION

15 3D POSITIONING SYSTEM IN THE RANGE OF NANOMETERS

Collaborative Research Center 622 “NanoPositioning and NanoMeasuring Machines”

IMMS had collaborated, in the part project A5, consi-

The rapid pace of development of the future tech-

system in a way that position stability within the na-

nologies, like for example nanotechnology, optical

nometer range as well as an exact nanometric move-

high technology or micro-systems technology, makes

ment of the positioning table is realizable despite the

great demands on positioning systems used for ins-

large dimensions and masses, which come along with

pection and analysis. Larger objects with dimensions

the requirement of large operating areas.

derably regarding these outstanding results. In doing so, it is the aim of the operation of IMMS, to research the basics of designing nanopositioning systems for large travel ranges of hundreds of millimeters. The particular challenge here is to conﬁgure the drive

of hundreds of millimetres have to be positioned and measured by requiring precisions in the range of na-

At this point, conventional systems with roller guides

nometers.

and serial arranged linear axes reach their limits. Long kinematic chains, mechanical resonances and

Within the collaborative research center 622 „Nano-

last but not least, frictional forces within the guiding

Positioning and Nano-Measuring Machines” of the

elements rank among the critical parameters and li-

Ilmenau University of Technology, scientists have

mit the reachable precision.

worked for years successfully on providing the scientiﬁc basis for the necessary nanotechnological equipment.

Appraisers of the German Research Foundation DFG evaluated the collaborative research center in 2009 as a “light house with unrivaled precision” and agreed to a continuation of the sponsorship by the DFG for the next four years.

IMMS | FUTURE IS NOW | ANNUAL REPORT 2010

Planar Air-guided Direct Drive System

ted to the slider’s underside. During regulated opeforces. The x-, y-position of the slider as well as the

Minimization of Disturbances

A planar aerostatically guided direct drive system,

rotation r z are measured by high-resolution plane

Regarding absolute precision up to the nanometer

oﬀers completely new options compared to conven-

mirror interferometers. The system realized within

range, the importance of both external and inter-

tional systems and oﬀers the best preconditions for

the scope of the research works at the IMMS has the

nal disturbances and their elimination respectively

a nanometric precise line movement with minimal

following performances:

minimization contributes signiﬁcantly to the achie-

friction.

• • • • • •

Figure 1: Principle of the planar drive system

ration, the z-rotation of the slider r z is locked by ﬁeld

vable precision. Friction forces have an especially Traversing range

100 mm

strong inﬂuence on the quality of the positioning.

Acceleration max.

500 mm/s2

By means of a planar air guide of the slider, these

Resolution of measuring x, y 0.1 nm

forces drop almost completely in the hereby presented system, which makes a decisive diﬀerence

Speed

max. 30 mm/s

Resolution of measuring r z

0.001 arcsec

to conventional drive systems. For systems aﬄicted

Moved mass

9.6 kg

with friction, especially in case of a shift in direction

compared with roller guides applied in many cases

of the axis movement, the friction forces and above

Realized in this form – the simple kinematic struc-

all the stick-slip-eﬀect lead to considerable track er-

ture with a direct driven slider as the only moving

rors. Mostly they are by a manifold larger than the

part – oﬀers a combination of high dynamics and

track errors when moving continuously. Concerning

highest precision.

this matter, air-guided systems oﬀer decisive advantages.

Figure 1 shows schematically the configuration of an integrated planar direct drive system. The slider is braced almost frictionless by the air bearings and can move in x, y and r z. The drive force is generated as Lorentz force between the frame-fixed flat coils and the permanent magnet circuits that are moun-

3D POSITIONING SYSTEM IN THE RANGE OF NANOMETERS

Figure 2 shows the air-guided planar drive system assembled at IMMS.

Positioning in the Range of Nanometers

Figure 3 shows a 25 nanometers circular driving of this system. The depiction of the positioning signals and the track errors clarify the efficiency of the system and above all the smooth passing through of the reversal points of the axis movement. During the complete movement, the deviation from the reference track rests smaller than 1.8 nanometers. At the same time the current system offers a traversing range of Ø 100 mm. A larger system is being assembled at the moment. The research works of SFB 622 and especially of IMMS, are aimed at “reaching the limits of the technically feasible”. Even if other technical solutions in the field of semiconductor technology already work with ca. 1 m/s and track errors of 4 nm – or even more

Figure 2: Planar nano-positioning system

precisely – the achieved solutions can be referred to a large and important step in development. Particularly, when it comes to the combination of a high positioning resolution and large planar operating ranges (several 100 mm in x and y), the results of IMMS rank among the internationally leading ones.

Figure 3: Circular driving with planar drive system (circle Ø 25 nm, v = 100 nm/s)

IMMS | FUTURE IS NOW | ANNUAL REPORT 2010

Know-how for New Products For IMMS, the basic research and the results in this ﬁeld form the basis for numerous innovations and further developments. The hereby attained knowhow, transferred to absolutely new assignments of tasks and applications of our industrial partners, will be the corner stone for the development of novel positioning systems with nanometer precision and so the initial point for new innovative products and methods.

Contact: Dipl.-Ing. Steﬀen Hesse steﬀen.hesse@imms.de

3D POSITIONING SYSTEM IN THE RANGE OF NANOMETERS

MEMS (micro-electro-mechanical systems) consist of one or more sensors, actuators and one electronic control system on a substratum respectively on a chip. Mostly their size is only a few micrometers (example see ﬁgure 1). These tiny systems have unlocked more and more new ﬁelds of application for years now and cannot be imagined away from today’s everyday life. We are confronted with them as pressure and force sensors, in household appliances, but also, for example, in tires, to warn of a sudden decrease in pressure. Their low size makes them to ideal microphones for mobile phones since a more and

Figure 1: MEMS-Chain of only 500 micrometers

more compact style is hereby substantial. Further-

Source: www.sandia.gov/media/NewsRel/NR2002/images/jpg/chain1.jpg

more, they oﬀer new functionalities due to their small size, as for example the possibility of orientation of the screen content to the position of the telephone. But MEMS are also applied as acceleration sensors in airbags, to inkjet print heads and much more. A multitude of devices gets more compact, more reliable, more eﬃcient and more capable due to the integration of MEMS

SMARTIEHS – INTELLIGENT MEMS TEST SYSTEM ON WAFER LEVEL

Figure 2: Typical application of MEMS

IMMS | FUTURE IS NOW | ANNUAL REPORT 2010

Optimized Test of MEMS

Hence, as an example, the whole conception of the

The fabrication processes of MEMS require a se-

the components of the project partners. Another

quence of test steps for the monitoring of quality

subtask is the development of the regulation of the

and for the safeguarding of performance parame-

scanning unit. But IMMS brings in already existing

ters. Test procedures for MEMS applied so far, are

competences regarding development of hard- and

based on a sequential measurement of single com-

software for the processing of camera signals and

ponents and are therefore very time-consuming and

interconnects the MEMS test system software-sided

cost-intensive. With the project SMARTIEHS, a con-

with a SUESS prober station PA200.

test system has been worked out, which integrates

cept for a parallel measurement system is implemented, which allows to measure up to 100 MEMS structures at the same time. Thereby, the measurement of the parameters is eﬀected directly on the wafer, whereby following manufacturing steps like separation, contacting and housing can be dropped, if the defect of the component is detected. Besides capture of geometric and topological parameters, the system allows by means of a static and dynamic stimulation of the mostly membranous structures also the capture of natural frequencies and natural modes of the devices under test. These are again a very good indicator for the correct behavior of the MEMS component. IMMS works on a clutch of diﬀerent, challenging, constructive and control technical developmental tasks in the course of the project SMARTIEHS.

Novel Measurement Method Core components of the system are micro-optical processed interferometer matrices which measure 25 Dies each (MEMS structure within the wafer composite) in the arranged laboratory sample. The inspection system (figure 3) has thereby two different 5 x 5 interferometer matrices, which are realized as “probing wafer“. A laser interferometer (LI), Twyman-Green configured, permits the measurement of dynamic parameters, like natural frequencies and

Figure 3: Principle construction of SMARTIEHS instrument: optical unit (above), whole system (beneath)

natural modes, whilst a low coherence interferometer (LCI), Mirau configured, allows the measurement of profiles respectively deformations. The evaluation of interferometer signals is effected respectively by a 5 x 5 matrix of smart pixels cameras.

SMARTIEHS – INTELLIGENT MEMS TEST SYSTEM ON WAFER LEVEL

By dint of the LI conﬁguration, from the determinati-

The scanning unit, realized by IMMS, for the movement

on of the natural frequencies of the structures, their

of the optical unit consists of three plunger coil drives,

material tensions can be gathered, which are an im-

whose position is regulated by three high-resolution la-

portant indicator for a correct manufacturing process

ser interferometers. As solid body guidance of the scan-

(ﬁgure 4). For that purpose, the MEMS under test are

ning unit serves three star-shaped compound springs,

stimulated electro-statically and the occurring oscil-

which enable a very high stiﬀness ratio within and

lations are detected via the LI matrix.

Figure 5: Interference picture (left) and phase picture (right) of an IR sensor, measured by a LCI channel

Precision Drive allows Maximum Accuracy

across the direction of movement. Thereby, a very stiﬀ mechanical connection of the inactively regulated axes between optical unit and the device under test is managed. Additional coil springs compensate the weight of the arrangement and lead to a drastic reduction of energy within the plunger coil drives.

Both measurement methods require a high-precision arrangement of the optical unit (lighting, beam

The approximate positioning of the MEMS wafer rela-

guidance and interferometer matrices) for the MEMS

tively towards the scanning unit is eﬀected by a probe

wafer under test. Additionally, a relative movement

station (SUESS PA200), in which the total measuring ar-

with 0.1 to 1 mm/s at a permanence of below one

rangement is integrated.

percent has to be ensured for the topological measurement by means of a LCI adjustment, whereupon disturbing tipping may not inﬂuence the adjustment Figure 4: Interference pictures of ﬁve channels, by LI matrix

towards the tested object.

The second conﬁguration (LCI) serves inter alia the measurements of topology of MEMS structures. Du-

The measurement by dint of LI matrix requires an

ring a test run at constant speed equidistant inter-

accuracy of positioning of below 10 nm, whereupon

ference pictures (ﬁgure 5) of MEMS structures are

the precize parallel adjustment of the optical unit to-

captured by dint of the LCI matrix, from which the

wards the MEMS wafer has to enable a pitching and

altitude proﬁle can be reconstructed very precisely.

rolling movement of +/- 0.02 degrees.

IMMS | FUTURE IS NOW | ANNUAL REPORT 2010

Figure 6: plunger coil drives of the scanning unit (on the left); schematic arrangement of the scanning unit developed at IMMS (on the right) which arranges the optical unit relatively towards the MEMS wafer and moves it precisely

Parameter Identiﬁcation by Means of Dynamic Measurements Besides the capture of topological characteristics

The initially not deﬁnite allocation of peaks of the

The project SMARTIEHS is sponsored by EU/FP7-

frequency response to the natural frequencies of

ICT2007-2, project ID 223935.

the systems is eﬀected together with the actual parameter identiﬁcation within an optimization submodule.

Dr.-Ing. Christoph Schäﬀel

of MEMS objects, especially the material tensions within the MEMS, mostly arranged of several layers, are determining for their correct functioning. If pro-

Contact:

Eﬃcient and Fast Tests

cess parameters deviate from the standards during

The SMARTIEHS concept allows an eﬃcient and con-

fabrication, undesired mechanical tensioning and

siderably accelerated test of MEMS on wafer level by

forming can lead to maloperation and to early fai-

the simultaneous measurement of several dozens of

lure of the components.

Dies at the same time. Besides topological parame-

christoph.schaeﬀel@imms.de

ters, also layer thicknesses and layer tensions can By dint of measurement of natural frequencies of

be captured via frequency measurement on basis of

the MEMS components, their stress condition can be

a parametric FE model.

gathered from a FE model. The further works focus now on the gradual optimiAn identiﬁcation tool, developed at IMMS, permits

zation of the interaction of all modules of the test

now the detection of parameters depending on na-

systems and the integration of a superior control.

tural frequency, as for example layer thickness or

Continuative, the system is to be checked for ap-

stress, from the frequency response of the MEMS

titude within a multitude of MEMS systems. The

component. The parameter range, to be captured

determination of layer tensions and the elasticity

by measurements, is scanned before via FE simu-

modulus in very thin layers are the center of these

lations and is polynomial approximated for easier

processes.

handling.

SMARTIEHS – INTELLIGENT MEMS TEST SYSTEM ON WAFER LEVEL

all sensory input we use for orienting ourselves in our

Photodiodes in Electronic Devices

environment and for communicating with other hu-

Light-based electronic sensors and communication

man beings is received visually. Through our eyes, we

systems require both light-emitting components,

can sense the spatial distribution and temporal vari-

such as LEDs or displays, as well as devices called

ations of the intensity and color of the ambient light.

photodiodes, which are capable of converting light

From this stream of information, our brain derives

signals into electrical signals for further processing.

conclusions about distances, motion and properties

It may not always be as obvious as in the case of the

of objects and decodes the contents of written and

megapixel image sensors built into digital cameras:

symbolic modes of communication. Consequently, for

light sensors – consisting of photodiodes and elect-

the ubiquitous electronic information and automati-

ronic readout circuits – can nowadays be found in a

on technologies that shape our life today, light plays

wide variety of industrial and consumer devices, such

a major role as information carrier for man-machine

as TV remote controls, DVD players, home cinema

and machine-to-machine communication.

systems, notebooks, or mobile phones. As these de-

Light is the most important medium through which we humans perceive our world. The predominant part of

MICROELECTRONIC LIGHT SENSORS

vices are continually becoming smaller, more powerful, more energy-efficient, and cheaper at the same time, the performance requirements for light sensors keep increasing proportionally. Electronic light sensors have to be integrated in ever less space and offer higher sensitivity and switching speed while consuming less power. To ensure cost-efficient mass production, they should be manufactured using standard fabrication processes for silicon integrated circuits.

IMMS | FUTURE IS NOW | ANNUAL REPORT 2010

Optimization of Integrated Photodiodes

Further Applications for Light Sensors

Within in an industrial collaborative research pro-

During the second and ﬁnal year of the project,

ject supported by the federal state of Thuringia,

further application areas for CMOS-based light

IMMS and X-FAB Semiconductor Foundries AG joint-

sensors have been explored, some of which diﬀer

ly developed methods for integrating photodiodes

greatly from Blu-ray Disc PDICs in terms of the cor-

eﬃciently into existing low-cost CMOS and BiCMOS

responding technical requirements. In this context,

processes for the production of microelectronic cir-

an integrated receiver for ﬁber-optical data com-

cuits. The aim of this project was to optimize the

munication with bit rates of greater than 100 MBit/s

light sensitivity and switching speed of silicon pho-

as well as an ambient light sensor (ALS) have been

todiodes over a wide spectral range from red light

developed. The ALS evaluates the brightness of the

to blue light. A photo detector integrated circuit, or

ambient light according to the characteristic of the

PDIC (which is the type of laser light sensor used in

human eye and can be used in applications such as

PC data drives for reading and writing Blu-ray Discs,

smart building lighting systems or mobile displays

DVD, and CD media), was chosen as a particular-

for controlling – and reducing – energy consumption

ly challenging lead application for demonstrating

(see page 46 in this publication). While the prima-

the industrial practicability of the research results.

ry requirement for Blu-ray Disc PDICs and optical

Based on the ﬁrst results on photodiode process in-

data receivers is high switching speed, the focus

tegration, a PDIC for high-speed Blu-ray Disc drives

during the development of an ambient light sen-

was designed by IMMS during the ﬁrst project year

sor is on matching its spectral responsivity to that

and manufactured successfully by X-FAB (see the

of the human eye as well as on energy eﬃciency.

Annual Report 2009 for a detailed description of the

Switching speed plays only a secondary role. Within

PDIC).

the framework of the project, functional solutions based on monolithically integrated photodiodes and CMOS/BiCMOS readout circuits were demonstrated

Figure 1: Integrated optical receiver D3005A

Measurement Technology for Characterization and Modeling of Photodiodes

Figure 2: Beam proﬁle of the laser image on the wafer (λ = 400 nm)

successfully for all considered applications.

MICROELECTRONIC LIGHT SENSORS

Innovative Sensor Systems

In addition, IMMS focused on methodology develop-

Parameters such as the diameter and brightness pro-

ment for measuring and modeling the characteristics

ﬁle of the laser beam used to stimulate the photodio-

of optoelectronic devices and circuits, which is a pre-

des, as well as the properties of the materials used to

Over the course of the project, the institute’s exis-

requisite for the design of integrated light sensors in

fabricate the devices under test, have great inﬂuence

ting skills in design, simulation and test of integrated

an industrial setting. The physical behavior of pho-

on the precision of the measurement results.

CMOS light sensors have been enhanced signiﬁcant-

todiodes and sensor circuits must be measured pre-

ly. The know-how gained during the development and

cisely and modeled mathematically to provide circuit

To quantify and understand these inﬂuence factors

characterization of the demonstrator circuits (PDIC,

designers with accurate simulation models for the ba-

one at a time, a set of test structures for the cha-

data receiver, ALS) can be transferred to further ap-

sic components from which integrated light sensors

racterization of photodiodes and laser beam proﬁles

plication areas such as industrial sense-and-control

can be constructed. Precise characterization of opto-

have been developed using several semiconductor

or biomedical systems. It will enable IMMS to oﬀer a

electronic devices also requires very good knowledge

manufacturing processes from X-FAB. With the mea-

wider range of R&D services for innovative optoelec-

of the characteristics of the measurement rig setup

surement results thus obtained, the optical measu-

tronic sensor system solutions in these and related

itself.

rement rig was calibrated and, subsequently, used to

ﬁelds. Project partners are invited to share IMMS’s

determine the characteristics of the optoelectronic

experiences and service oﬀerings within national and

components and circuits developed within the project

international R&D collaboration programs.

with the desired accuracy. Project title: “Modeling and optimization of photodiodes and DVD front end ampliﬁer circuits” Short title: TAB DVD photo diode Grant no.: 2006 VF 0046

Contact:

Figure 3: Optimization of micro-electronical circuits at the IMMS

Dr.-Ing. Eckhard Hennig eckhard.hennig@imms.de

Figure 4: Measured eye diagram for 100 MBps PRBS pattern

IMMS | FUTURE IS NOW | ANNUAL REPORT 2010

ÂŠ Rainer Sturm / Pixelio

By means of the ambient light sensor D3010A, an innovative circuit has been developed, which shows

Multitude of Applications

at the same time, how circuit development can be

The ambient light sensor can be applied wherever

realized by IMMS from the idea up to the sample. The

visibility conditions must be adapted to the human

ambient light sensor (ALS) permits, like shown in ﬁ -

eye. In ﬁgure 2 you can see exemplarily a laptop and

gure 1, to detect and evaluate the brightness of the

a cell-phone. In terms of such products, the contrast

ambient light according to the perception of the hu-

ratio of the displays depends on ambient light.

man eye. This evaluation is eﬀected by a threshold control whereas ALS provides as output signal the information “dark” or “bright” ambient light.

Figure 1: Functionality of the ambient light sensor D3010A

ALS D3010A is ideally suitable for mobile applications due to its low energy requirement of 40 µW (operating voltage: 2.0 V), which can be reduced to less than 5nW by “sleep mode” as well as due to its low chip surface (without scribe lane) of 0.64 mm². Furthermore, externally needed components for deﬁnition of automatic thresholds as yet, are already integrated.

Figure 2: Application of ALS D3010A

In case ALS is integrated in a cell-phone or a laptop, the ambient light can be detected with the sensibility of the human eye and evaluated by the threshold control. With the information “dark” or “bright” ambient light, edited by ALS, it is possible to switch on or oﬀ a background lighting for ideal contrast ratio. At the same time the energy demand of the display

IMMS | FUTURE IS NOW | ANNUAL REPORT 2010

15 AMBIENT LIGHT SENSOR – CIRCUIT DEVELOPMENT AT IMMS FROM THE IDEA UP TO THE SAMPLE

can be reduced. Furthermore, the application in

light) for lighting conditions below the threshold are

The switching circuit is designed for an operating

SMART-sensor systems is supposable. In compari-

edited.

voltage of 2.0 V to 3.6 V and has a current consump-

son to other fabricants, the ALS D3010A oﬀers the

tion of less than 1 nA in the sleep mode. The chip

possibility to evaluate the ambient light and to re-

surface (without scribe lane) of the developed sam-

quire thereby only a low demand for power output.

ple adds up to 0.8 mm x 0.8 mm, using the proces-

The small chip surface saves production costs. The

ses XH035 of X-FAB Semiconductor Foundries AG

end consumer beneﬁts from the application of ALS

and is for comparison of sizes opposed to the pic-

in various aspects. Mobile applications can be used

ture of a coin.

considerably longer (for example with one battery charge), by switching oﬀ unnecessary background lighting. Figure 3: Block diagram of ALS D3010A

Technical Implementation of the Circuit Development

The spectral sensitivity of the sensor within ALS is

Figure 3 shows the schematic construction of

wave length of about 555 nm.

adapted to the human eye and has its maximum

Figure 5: Sample in comparison with a one cent coin

sensitivity accordingly, as to be seen in ﬁgure 4, at a

ALS. With G1 and G0 you can chose between three thresholds and the sleep mode. The three thresholds correspond to the different brightness sensibilities of the human eye and are implemented by a modifiable electricity bank. The following Schmitt trigger conduces to generate more steep edges as well as to suppress switching operations caused by noise. Hereafter, perturbations, effected by mains frequency of artificial lighting, are prevented by means of a filter. At the output OUT, a high signal (bright ambient light) for lighting conditions

Figure 4: Spectral sensitivity of ALS D3010A Source: X-FAB Semiconductor Foundries AG

above the threshold, and a low signal (dark ambient

AMBIENT LIGHT SENSOR – CIRCUIT DEVELOPMENT AT IMMS FROM THE IDEA UP TO THE SAMPLE

From the Idea to the Sample

Based on market and feasibility analysis during the

The development of a sample presupposes the imple-

design”, whereby optimal system architecture is cho-

mentation of the following processes: brainstorming,

sen, respectively possible weak points are detected

electrical design, physical design (layout), wafer pro-

betimes. From this results manual dimensioning as

duction, packaging as well as samples. The process

well as optimization by means of latest EDA methodo-

ﬂow and the competences of IMMS during the corres-

logy. Both for electrical as well as for physical design,

ponding processes are to be seen in ﬁgure 6.

IMMS oﬀers the complete portfolio. Floor planning,

ﬁrst process “idea”, a speciﬁcation is generated. Followed up by a system simulation during “electrical

block and top layout in the physical design are backed up likewise by the latest methodologies like “floorplanner” and “autorouter”. The choice of package type, necessary during the process “packaging” as well as development of the test version, are likewise affected by IMMS. The following verification is adopted by IMMS measurement technology which executes characterization, functioning and production tests on more than 120 square metres of laboratory area. Furthermore fault analysis and lifetime tests are possible. IMMS provides on request a data sheet and demonstrators reFigure 6: Competencies of IMMS during flow

IMMS | FUTURE IS NOW | ANNUAL REPORT 2010

garding the tested sample.

Summary

Author:

The correct function of the samples was proved by

Dipl-Ing. (FH) Glenn Methner

an internal measurement technology whereby IMMS has an innovative ambient light sensor available. The

Contact:

sensor is characterized by integrated thresholds be-

Dipl.-Ing. Holger Pless

sides a low power and Die area saving construction.

holger.pless@imms.de

Especially the low-energy draft oﬀers the possibility for future advancements to integrate an energy harvesting system. An ALS, functioning energy autarkic, would shape possibilities of application and areas of assignment certainly more multifaceted. For this reason, ALS is an example that the chip design of IMMS – as the customer may expect it – can be realized from the idea up to the sample applying the latest design methodologies. Support project: “Modeling and optimization of photodiodes and DVD front end ampliﬁer circuits” Short title: TAB DVD photodiode Support code 2006VF0046

r al

a dL

i xe

lio

AMBIENT LIGHT SENSOR – CIRCUIT DEVELOPMENT AT IMMS FROM THE IDEA UP TO THE SAMPLE

15 THE PROJECT OKTOPUS AND THE FURTHER DEVELOPMENT OF MEASUREMENT TECHNOLOGY AT IMMS

The BMBF (Federal Ministry of Education and Research) research project OKTOPUS (Optimal Conﬁ -

Characterization of RF-IPs

gurable Test Organization Platform with Support for Synthesis) was ﬁnished successfully in September 2010, but will continue to improve our measurement technology at IMMS. From 2007 until 2010, Konrad Technologies (tester manufacturer), Atmel Germany GmbH, X-FAB Semiconductor Foundries AG and Melexis GmbH (semiconductor companies) as well as Friedrich-Alexander University Erlangen-Nuremberg and IMMS formed a project team to analyze modular test platforms and their application in semiconductor testers. The research topics included scalable tester architectures, adaption and calibration solutions on production level and a continuous test ﬂow.

One Platform – Multiple Applications The test platform is based on a PXI rack with embedded controller and works with LabView Software (National Instruments). According to the actual test problem it will be completed by tester instruments. This concept allows a ﬂexible and cost eﬀective test solution.

Application: On-wafer test with automatic prober control Tester conﬁguration with 2.7 GHz RF-Suite and PMU.

Advantages:

•

reduces test time by 50 %, compared

•

allows ﬂexible measurement data formats

•

can be reused for multiple IPs

to IC-CAP measurements

and automated analysis

IMMS | FUTURE IS NOW | ANNUAL REPORT 2010

Test of Optoelectronic ICs

MEMS-Test

Quality Management

Application: Development of procedures for the parallel on-wafer testing of MEMS (this research project is supported by EU). Test with automatic probe control.

Advantages:

Application: Analysis of light ﬁeld sensors

•

the test platform can be integrated in a com-

•

easy synchronization of components

plex tester assembly

Application: Parameter monitoring during wafer process

Tester conﬁguration with digital pins and PMU. Tester conﬁguration with digital pins and PMU.

Advantages:

•

a commercial load board can be used small

•

large-area optical stimulation, matches pro-

•

custom-designed user interface

sized and mobile measuring station

duction test conditions

Advantages:

• • •

six times faster, compared to solutions with HP82000 and external measurement devices low cost solution can be reused for diﬀerent semiconductor technologies

THE PROJECT OKTOPUS AND THE ADVANCEMENT OF MEASUREMENT TECHNOLOGY AT IMMS

Transfer of Know-how The large application of the new techniques requires

From Research to Industrial Application

a knowledge-transfer from the OKTOPUS project staﬀ

Since test methodology and adaption is similar to

to all other staff of the specific field “industrial elect-

industrial testers, these test platforms can migrate

ronics and measurement technology” of IMMS. IMMS

from laboratory to production. In 2010 the new de-

will oﬀer special training courses to get familiar with

signed PXI systems for RF test were used to perform

the features of the new test system. Future users can

quality tests for industrial semiconductor fabrication.

be trained in the ﬁelds system conﬁguration, funda-

Due to theses test systems, IMMS is able to develop

mentals of programming, calibration of and test me-

and provide eﬃcient test methods and solutions with

thodology for special IMMS hardware solutions. Also

state-of-the-art test technology. New research and

advanced training oﬀers for industrial partners are

industry projects will be implemented into these test

under way. Currently four PXI / PXIe racks, completed

systems in the future. The main criteria for further

with further test instruments can be used for training

research are to reduce hardware cost and test time

of IMMS internal or external users. Furthermore one

as well.

more station is reserved for student lab projects, under graduate/graduate studies and feasibility stu-

The project OKTOPUS was funded by BMBF

dies.

Support code. 13 N 10345

Future Trends For a further increase in performance of these test systems, development and application of FPGA based tester instruments will be forced at IMMS. This can be used to fulﬁll special requirements for test time, asynchronous test applications and software deﬁned instruments.

IMMS | FUTURE IS NOW | ANNUAL REPORT 2010

Contact: Dr.-Ing. Klaus Förster Klaus.foerster@imms.de

15 NEW ELECTRONIC MEASUREMENT LABORATORY WITH INTERNATIONAL CLEAN ROOM STANDARD

In the microelectronic branch of IMMS, located in

which

are

furthermore

the south-eastern region of Erfurt, a new advanced

corresponding to common

electronic measurement laboratory had been opened

international quality stan-

within the third quarter of 2010. Thereby, IMMS is able

dards.

to execute characterization and test of integrated circuits as well as the analysis of the reliability of elec-

The

investment

new

tronic components and systems at an international

technologies – like in this

level.

case in the new measurement laboratory – conso-

120 m² of newly equipped laboratory space oﬀer

lidates the south-eastern

enough room for the characterization and the test of

region of Erfurt as site of

integrated circuits on wafer or for the analysis of reli-

micro-electronics and is at the same time an imple-

ability of electronic components and systems.

mented part of the future and innovation program

International Quality Standards It is an important step for IMMS, that this laboratory fulﬁlls the requirements of clean room class 7 according to DIN ISO 14644. In this clean room class less than 400 particles with a diameter of 0.5 to 5 µm can be found in one liter of air. Impurities and dust par-

(ZIP) of the Ministry of Economic Aﬀ airs, Employment and Technology of Thuringia. Therein, the state of Thuringia admits to sponsorship of research and technologies in the scope of seminal development of measurement technology, control technology and control engineering but also of optics/photonics, medical engineering, power engineering and environmental technologies as well as media technology and energy-eﬃcient drive systems.

ticles can heavily affect the reliability of electronics. Therefore such working environments are a substantial precondition to develop and produce sustainable integrated circuits and systems with higher integration density. The clean room offers optimal working conditions for the staff of IMMS and its partners,

IMMS | FUTURE IS NOW | ANNUAL REPORT 2010

Enhancement of the IMMS Line of Action

Investment in Innovation

Besides the processing of research projects, the

The staﬀ of IMMS researches and develops innova-

ble for the execution of test services for small and

The new electronic measurement laboratory will en-

tive and complex solutions with system approach,

medium-sized companies.

large the ﬁelds of activity of IMMS and will deal with

from a holistic point of view. Methods of resolutions,

the following assignments of tasks in the future:

that can be implemented by means of simulation

The IMMS demand for quality crosses all levels – from

and eﬀective design methods in integrated circuits,

integrated circuit to the point of holistic solution.

On-wafer measurements with the objective

result from an idea or an industrial assignment of

The options to unify everything under one umbrella

of functional tests of integrated circuits and

tasks. In doing so producibility and high rate of yield

is the speciﬁcation of IMMS and oﬀers therefore the

the optimization of technology and design

has to be assured by robust circuit technology. The

precondition to bring up products out of ideas.

processes of micro-electronics and micro-

technical solution will be completed by the design

systems technology.

of PC-boards (hardware) and intelligence (software).

•

Research of novel and more efficient test methods in matter of test time, application of cost effective test platforms as well as the development of specific intelligent test hardware.

• • •

electronic measurement laboratory is also availa-

To test these solutions based on industrial standards is an essentiell part in the development process. Veriﬁability, reproduction, and the exact adjustment to given speciﬁcations are indispensable and are secured by the internal IMMS measurement tech-

Characterization of components and circuits

nology. The new measurement laboratory therefore

on-wafer or as packaged component in a wide

opens up new possibilities for the implementation of

temperature range of – 40 °C up to 300 °C.

tests on the highest level.

Analysis of reliability and endurance tests of integrated circuits, components and systems,

Application ﬁelds of the tasks of IMMS are sensor

Special thanks go to the operating company for ap-

according to international standards.

technology, optronics, industrial and automotive

plications and technology centers Thuringia (BATT)

Quality control of components and circuits.

electronics as well as telecommunication enginee-

for the valuable support of establishing the neces-

ring and medical engineering.

sary infrastructure.

NEW ELECTRONIC MEASUREMENT LABORATORY WITH INTERNATIONAL CLEAN ROOM STANDARD

15 REFERENCE LIST

[1] Cool Silicon, Energy Eﬃcient Information Technologies by Means of Micro and Nano Technology http://www.cool-silicon.de

[2] Gunnar Weiß, SHS – Smart Home Services, Next Generation Technology Platform, dissertation, ELMUG Technology Conference, Suhl June 22 and 23, 2010

http://www.elmug4future.de/programm/23-ju-

ni-2010.html

[3] CBS – Customer Bautronic Systems, User Integrated Building Control http://www.customerbautronic.de

[4] Federal Ministry of Economics and Technology, Development of Primary Energy in Germany, energy data – extracted graphic, page 8, September 2010 [5] M. Götze, T. Rossbach, A. Schreiber, S. Nicolai, H Rüttinger, Distributed In-house Metering via Selforganizing Wireless Networks, IWK TU-Ilmenau, September 2010

[6] S. Engelhardt, E. Chervakova, A. Schreiber, T. Rossbach, W. Kattanek, M. Götze, BASeKit – A Mobile Measuring System for Building Automation, sensor+test, May 2010

IMMS | FUTURE IS NOW | ANNUAL REPORT 2010

15 ORGANIGRAM

Proprietor

Free State of Thuringia TFM

Board of Directors TKM (Chair) TMWAT

MAZeT, X-FAB

TFM

TU Ilmenau

Scientiﬁc Managing Director

Financial Managing Director

Professor TU Ilmenau

Research Areas

• • • •

Micro-electronics System Design Mechatronics Industrial Electronics and Measurement Technology

Administration

•

Controlling and Documenta-

•

Personnel and Financial

• • •

Scientiﬁc Advisory Board

tion

Acounting Project Controlling Oﬃce, Procurement, Order Processing IT Administration

IMMS | FUTURE IS NOW | ANNUAL REPORT 2010

Marketing

• •

New Business Technologies Public Relations

SCIENTIFIC ADVISORY BOARD Chairman: Prof. Dr. Christian Brecher, Director of the Institute WZL of the RWTH Aachen, Research Area Machine Tools

Assitant Chairman: Olaf Mollenhauer, Managing Partner TETRA GmbH, Ilmenau

Honorary Member: Prof. Dr. habil. Eber-

Ilmenau University of Technology, RF and Microwave Research Laboratory

Prof. Dr. Olfa Kanoun, Chemnitz University of Technology, Vice-Dean Faculty Electrical and Information Engineering, Chair Measuring and Sensor Technology

Dr. Norbert Lenk, Director AJ IDC Geräteentwicklungsgesellschaft mbH Langewiesen, a company of Analytik Jena AG

Scientiﬁc Director Friedrich Schiller University Jena, Chair Applied Physics

Dr. Michael Trutzel,

Director of the Steinbeis-Transferzentrum Mechatronik, Ilmenau

Carl Zeiss Jena GmbH, Jena

President Leibniz Universität Hannover, Faculty Computer Science

Dr. Herwig Döllefeld, Head of Research X-FAB-Semiconductor Foundries AG, Erfurt

Chairman: Dr. Jörg Prinzhausen, Thuringia Ministry of Education, Science and Culture

Univ. Prof. Dr.-Ing. Klaus Augsburg, Prorector Science, Ilmenau University of Technology, Faculty Mechanical Engineering

Prof. Dr. Andreas Tünnermann,

hard Kallenbach,

Prof. Dr. Erich Barke,

BOARD OF DIRECTORS

Prof. Dr. habil. Matthias Hein,

Dr. Erich Hacker, PolymerMat e.V., Plastic material cluster Thuringia

Dr. sc. Wolfgang Hecker, Director, MAZeT GmbH, Jena

Dr. Jens Kosch, Chief Technical Oﬃcer, X-FAB-Semiconductor Foundries AG

Thomas Weißenborn, Ministry of Finance Thuringia

Prof. Dr. Günter Elst, Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS/EAS, Director of the Instituts branch Entwurfsautomatisierung EAS, Dresden

Dr. Fred Grunert, Technical Director MAZeT GmbH, Jena

SCIENTIFIC ADVISORY BOARD | BOARD OF DIRECTORS

15 PUBLICATIONS 2010

Papers

T. ELSTE & M. SACHS (02.-04.03.2010). Mobile Audio Dosimeter for the prevention of noise-induced hearing impairments. Nürnberg: in Proceedings Embedded World 2010. Dr. C. SCHÄFFEL & M. KATZSCHMANN (03/2010). Das Parallelisieren von Motor- und Regelungsentwurf reduziert Entwicklungszeit und -kosten. Erschienen in MSR-Magazin – Automatisierungstechnik für Fertigung und Prozess. D. KIRSTEN & Dr. D. NUERNBERGK (17.03.-19.03.2010). Evaluation of Low Leakage Currents using a Floating Gate Transistor. Glasgow, United Kingdom: in Proceedings of the 11th ULIS, International Conference on Ultimate Limits on Silicon 2010.

S. MICHAEL1, K. GASTINGER2, M. KUJAWINSKA3, U. ZEITNER4, J. ALBERO5, S. BEER6, R. MOOSBURGER7 & M. PIZZI8 (23.03.-24.03.2010). SMARTIEHS – a European Project for Parallel Testing of M(O)EMS. Como, Italy: Smart Systems Integration.

1 IMMS Institut für Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme gemeinnützige GmbH, Ilmenau, Germany 2 SINTEF IKT Optical measurement systems and data analysis, Trondheim, Norway 3 Warsaw University of Technology, IMiF, Warsaw, Poland 4 Fraunhofer IOF, Jena, Germany 5 CNRS FEMTO-ST, Besançon, France 6 CSEM SA, Zurich, Switzerland 7 Heliotis, Root Längenbold, Switzerland 8 Techfab s.r.l., Chivasso, Torino, Italy

A. AMAR & T. COHRS (22.03.-24.03.2010). Adaptive gain control for high dynamic range optical receivers. Erfurt: in Proceedings 11. ITG/GMM-Fachtagung ANALOG 2010. W. WU & M. ISIKHAN (22.03.-24.03.2010). Application of 3-D EM Simulation in Research of Integrated Inductors, System in Package (SiP) Design and Package Effects. Erfurt: in Proceedings 11. ITG/GMM-Fachtagung ANALOG 2010. D. KIRSTEN & Dr. D. NUERNBERGK (22.03.-24.03.2010). Programmierbare Präzisionsreferenzspannungsquelle durch Nutzung eines analogen Floating-Gate-Speicherelements. Erfurt: in Proceedings 11. ITG/GMM-Fachtagung ANALOG 2010. Dr. B. DIMOV, Dr. C. LANG & Dr. E. HENNIG (22.03.24.03.2010). A CMOS/BiCMOS Current Amplifier Topology for Optoelectronic Receiver Applications – Symbolic Analysis and Design Rules. Erfurt: in Proceedings 11. ITG/GMMFachtagung ANALOG 2010. E. SCHÄFER, D. KRAUßE, Prof. Dr. R. SOMMER & Dr. E. HENNIG (22.03.-24.03.2010). Gradientenbasierte Eigenwertoptimierung zur Frequenzgangskompensation linearer Analogschaltungen. (Kooperation der TU Ilmenau & IMMS GmbH). Erfurt: in Proceedings 11. ITG/GMM-Fachtagung ANALOG 2010. D. KRAUßE, E. SCHÄFER, Prof. Dr. R. SOMMER & Dr. E. HENNIG (22.03.-24.03.2010). Hierarchische Entwurfsmethodik mit automatischer Bottom-Up-Topologiemodifikation und spezifikationsgetriebener Dimensionierung. (Kooperation der TU Ilmenau & IMMS GmbH). Erfurt: in Proceedings 11. ITG/GMM-Fachtagung ANALOG 2010.

IMMS | FUTURE IS NOW | ANNUAL REPORT 2010

A. RICHTER (22.03.-24.03.2010). Symbolische Analyse von

Dr. C. SCHÄFFEL1, S. MICHAEL1, B. LEISTRITZ1, M. KATZ-

eﬃzienten Y/S-Parameter-Umrechnungen für N-Ports. Er-

SCHMANN , N. ZEIKE , K. GASTINGER , M. KUJAWINSKA ,

furt: in Proceedings 11. ITG/GMM-Fachtagung ANALOG

M. JOZWIK & S. BEER (31.05.-04.06.2010). Optical, me-

2010.

chanical and electro-optical design of an interferometric

1 LZS Universität Erlangen, Erlangen 2 IMMS Institut für Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme gemeinnützige GmbH, Ilmenau 3 Konrad GmbH, Radolfzell

2 SINTEF IKT Optical measurement systems and data analysis, Trondheim, Norway

B. BIESKE1 & K. GILLE2 (11/12-2010). Design & Charakteri-

3 Institute of Micromechanics and Photonics, Warsaw University of Technology, Warsaw, Poland

sierung von HF-IPs verschiedener Technologien unter Nutzung modularer PXI-Testsysteme bis 6GHz. Erschienen in

4 CSEM Center Suisse d’Electronique et de Microtechnique SA, Zurich,

HF-Report. München: Baltz-Verlag.

Switzerland

1 IMMS Institut für Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme gemeinnützige GmbH, Ilmenau 2 X-FAB Semiconductor Foundries AG, Erfurt

S. ANDERS1, M.G. BLAMIRE2, F.-I. BUCHHOLZ3, D.-G. CRÉTÉ4, R. CRISTIANO5, P. FEBVRE6, L. FRITZSCH1, A.

(20.10-

HERR7, E. IL’ICHEV1, J. KOHLMANN3, J. KUNERT1, H.-G. MEY-

21.10.2010). Stressidentiﬁkation dünner Membranstruktu-

ER1, J. NIEMEYER3, T. ORTLEPP8, H. ROGALLA9, T. SCHU-

ren mittels dynamischer Messungen. Chemnitz: 10. Chem-

RIG10, M. SIEGEL11, R. STOLZ1, E. TARTE12, H.J.M.ter BRAKE

nitzer Fachtagung Mikromechanik & Mikroelektronik.

S. MICHAEL , S. VOIGT 1

& Dr. R. KNECHTEL

, Prof. Dr. H. TÖPFER8,13, J.-C. VILLEGIER14, A.M. ZAGOS-

KIN15 & A.B. ZORIN3 (15.12.2010). European roadmap on

1 IMMS Institut für Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme gemeinnützige GmbH, Ilmenau

superconductive electronics – status and perspectives. In:

2 TU Chemnitz, Professur Mikrosystem- und Gerätetechnik, Chemnitz

Physica C: Superconductivity, Volume 470, Issues 23-24,

3 X-FAB Semiconductor Foundries AG, Erfurt

Pages 2079-2126. Amsterdam, NL: Elsevier Science BV. 1 Institute of Photonic Technology (IPHT), Department of Quantum Detection, Jena, Germany 2 University of Cambridge, Department of Materials Science, Cambridge, United Kingdom 3 Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), Braunschweig, Germany 4 Unité Mixte de Physique CNRS/THALES, Palaiseau, France

PUBLICATIONS | PATENTS | TRADE SHOWS

12 The University of Birmingham, Electronic, Electrical & Computer Engineering School of Engineering, Birmingham, United Kingdom 13 IMMS Institut für Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme gemeinnützige GmbH, Ilmenau, Germany 14 CEA Grenoble, Nanosciences & Cryogenics Institute, Grenoble, France 15 Loughborough University, Department of Physics, Loughborough, United Kingdom

Presentations Dr. W. SINN (23.02.2010). GALILEO – Regionale Initiativen in Deutschland & Konvergenz zur Identiﬁkation. Berlin: AMAWissenschaftsrat. B. BIESKE & K. GILLE (28.02.-02.03.2010). Charakterisie1

shop „Testmethoden und Zuverlässigkeit von Schaltungen

S. SCHRAMM (23.04.2010). Optimierung industrieller Echt-

und Systemen“ (TuZ 2010).

zeitanwendungen auf Basis von Open-Source-Technologi-

I. GRYL, G. KROPP & R. PARIS (28.02.-02.03.2010). Entwurf und Einsatzerfahrungen eines ﬂexibel konﬁgurierbaren PXI

en. Dresden: 4. Innovationsforum „Software Saxony“, TU Dresden.

Testsystems für on-wafer Messungen im Halbleiterbereich.

W. KATTANEK (23.04.2010). Software-based energy ma-

Paderborn: 22nd ITG/GI/GMM Workshop „Testmethoden

nagement for wireless sensor systems. Dresden: 4. Innova-

und Zuverlässigkeit von Schaltungen und Systemen“ (TuZ

tionsforum „Software Saxony“, TU Dresden.

2010). T. ELSTE (03.03.2010). Mobile Audio Dosimeter for the prevention of noise-induced hearing impairment. Nürnberg: Embedded World Conference. S. LANGE (09.03.2010). Entwurf eines PDICs für 12fach Bluray Schreib- und Leselaufwerke. Erfurt: 45. MikroelektronikSeminar.

S. LANGE, H. PLEß & Dr. E. HENNIG (11.03-12.03.2010).

digkeit. Dresden: 5. Silicon Saxony Day, Mikroelektronik-

Entwurf eines PDICs für 12fach Blu-ray Disc Schreib- und

Forum.

Leselaufwerke. Ulm: 12. Workshop Analogschaltungen.

Dr. W. SINN (19.05.2010). Konvergenz von Navigation und

S. MICHAEL (24.03.2010). Parameter Identiﬁcation of Mem-

Sensorik – Quelle neuer Wertschöpfung. Dresden: 5. Silicon

brane Structures – Chances and Limitations. Grenoble,

Saxony Day, SatNav Saxony Workshop.

France: SSI 2010 – MEMUNITY Workshop.

G. NITSCHE & K. AGLA (18.05-19.05.2010). SystemC (-AMS)

B. BIESKE (21.04- 22.04.2010). Design & Charakterisierung

zur frühzeitigen Validierung und Optimierung des System-

von HF-IPs verschiedener Technologien unter Nutzung

konzeptes komplexer Smart-Sensor-Systeme. Dresden: 5.

modularer PXI-Testsysteme bis 6GHz. Hamburg: RADCOM

Silicon Saxony Day.

2 X-FAB Semiconductor Foundries AG, Erfurt

2010-Radar, Communication and Measurement.

M. REINHARD, M. MEISTER, U. LIEBOLD, T. COHRS & Dr. D.

S. ENGELHARDT, E. CHERVAKOVA, W. KATTANEK & T. ROSS-

BACH, Dr. A. SCHREIBER & M. GÖTZE (18.05. - 20.05.2010).

BACH (23.04.2010). Modulare Systemplattform für drahtlo-

BASe-Kit – Ein mobiles Messsystem für die Gebäudeauto-

se Sensornetzwerke. Dresden: 4. Innovationsforum „Soft-

mation, BASe-Kit – A mobile measurement system for buil-

ware Saxony“.

ding automation. Nürnberg: SENSOR+TEST 2010, 17. Inter-

NUERNBERGK (28.02.-02.03.2010). Erhöhung der Testqualität für optoelektrische Schaltungen durch Charakterisierung des Strahlproﬁls. Paderborn: 22nd ITG/GI/GMM Work-

IMMS | FUTURE IS NOW | ANNUAL REPORT 2010

S. ENGELHARDT, E. CHERVAKOVA, W. KATTANEK, T. ROSS-

nationale Fachmesse für Sensorik, Mess- und Prüftechnik.

1 SINTEF IKT Optical measurement systems and data analysis, Trondheim, Norway

Dr. W. SINN (08.06.2010). Erfolgskritisches Wissen bewer-

2 Warsaw University of Technology, IMiF, Warsaw, Poland

K. GASTINGER1, M. KUJAWINSKA 2, U. ZEITNER3, C. GORECKI4, Dr. C. SCHÄFFEL 5, S. BEER6, R. MOOSBURGER7, M. PIZZI (12.04.-16.04.2010). Next generation test equip8

Prof. Dr. H. TÖPFER1 & I. PETRINSKA 2 (11.09.2010). Energy harvesting for wireless sensor networks. Soﬁa, Bulgarien: Eingeladener Vortrag zum internationalen PhD Seminar

3 Fraunhofer IOF, Jena, Germany 4 CNRS FEMTO-ST, Besançon, France

on Computational Electromagnetics and Optimization in

5 IMMS Institut für Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme gemeinnützige GmbH, Ilmenau, Germany

Electrical Engineering CEMOEE 2010.

Dr. W. SINN (23.06.2010). Energieversorgung im Span-

1 IMMS Institut für Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme gemeinnützige GmbH, Ilmenau, Germany

nungsfeld. Suhl: ELMUG-Technologiekonferenz „elmug4fu-

2 Technical University of Soﬁa, Bulgaria

ture“.

D. KIRSTEN, A. ROLAPP & Dr. D. NUERNBERGK (13.09.-

S. UZIEL (23.06.2010). Sensornahe Signalverarbeitung.

nische Universität Ilmenau.

Suhl: ELMUG-Technologiekonferenz „elmug4future“.

1 IMMS Institut für Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme gemeinnützige GmbH, Ilmenau

W. KATTANEK (21.07.2010). Praktische Aspekte der Ge-

2 Fraunhofer Application Center for Systems Engineering, Ilmenau

staltung von drahtlosen Sensornetzwerken. Ilmenau: Ein-

S. LANGE, Dr. B. DIMOV, Dr. T. REICH & Dr. E. HENNIG

geladener Vortrag zum Institutskolloquium des Instituts

(04.-06.10.2010). Realisierung eines PDICs für 12fach Blu-

für Informationstechnik der Technische Universität Ilme-

ray-Disc-RW Laufwerke mit Hilfe neuartiger eﬃzienter

nau.

Entwurfsmethodiken. Miltenberg: Kleinheubacher Tagung 2010.

8 Techfab s.r.l., Chivasso, Torino, Italy

A. AMAR (11.08.2010). Design of optical receivers (System

K. GASTINGER1, M. KUJAWINSKA 2, U. ZEITNER3, C. GORE-

and circuit level approaches). Erfurt: 50. Mikroelektronik-

Dr. W. SINN & Dr. T. HUTSCHENREUTHER (07.-08.10.2010).

Seminar.

Konvergenz von Navigation, Identiﬁkation und Sensorik.

Dr. W. SINN (26.08.- 27.08.2010). Satellitennavigation für Inspektionen in Land- & Forstwirtschaft. Jena: 8th NEMOSpectroNet Forum.

Lichtenwalde: Sensorsysteme 2010, 10. Leibniz Conference of Advanced Science. S. SCHRAMM (28.10.2010). Echtzeitanwendungen mit Li-

PUBLICATIONS | PATENTS | TRADE SHOWS

nux – quantitativer Vergleich verschiedener Ansätze am

Dr. W. SINN (15.12.2010). Intelligent Street Control with Mo-

A. RICHTER (22.03.-24.03.2010). Symbolische Analyse von

Beispiel einer EtherCAT -Echtzeitkommunikation für eine

bile Infrared Imaging. Jena: 9th NEMO-SpectroNet Forum.

eﬃzienten Y/S-Parameter-Umrechnungen für N-Ports. Er-

furt: 11. ITG/GMM-Fachtagung ANALOG 2010.

Posters I. GRYL, G. KROPP & R. PARIS (28.02.-02.03.2010). Entwurf und Einsatzerfahrungen eines ﬂexibel konﬁgurierbaren PXI-Testsystems für on-wafer Messungen im Halbleiterbe-

Dr. W. SINN (04.11.2010). Die intelligente Straße. Stuttgart:

reich. Paderborn: 22nd ITG/GI/GMM Workshop „Testmetho-

POSITIONs 2010, SatNav-Anwender Kongress.

den und Zuverlässigkeit von Schaltungen und Systemen“

B. BIESKE1, M. LANGE2 & S. BEYER2 (22.03.-24.03.2010). Test

(TuZ 2010).

von diﬀerentiellen 2,4 GHz IEEE 802.15.4 / ZigBeeTM ICs:

S. ENGELHARDT (05.11.2010). Energieeﬃzienz als Heraus-

Grenzen und Möglichkeiten. Erfurt: 11. ITG/GMM-Fachta-

forderungen beim Entwurf drahtloser Sensornetzwerke in

K. AGLA (08.03.2010-12.03.2010). From SystemC to Real

der Gebäudeautomation. Karlsruhe: Hitex Workshop ener-

Hardware. Dresden: Date 2010 – Design, Automation & Test

gieeﬃziente Systeme.

in Europe.

Dr. W. SINN (05.11.2010). Mobilkommunikation & Satelli-

D. KIRSTEN & Dr. D. NUERNBERGK (17.03.-19.03.2010).

tennavigation – Quelle für neue Anwendungen. Ilmenau:

Evaluation of Low Leakage Currents using a Floating-Gate

TU Ilmenau (Gastvortrag).

Transistor. Glasgow, UK: Ultimate Integration on Silicon.

Prof. Dr. H. TÖPFER (10.11.2010). Drahtlos vernetzte Sen-

A. AMAR & T. COHRS (22.03.-24.03.2010). Adaptive gain

on. Hannover: 4. edaWorkshop.

sorsysteme zur Erhebung von Messgrößen zur Gebäudeau-

control for high dynamic range optical receivers. Erfurt: 11.

tomation. Jena: 33. Stammtisch „Automatisierungstech-

ITG/GMM-Fachtagung ANALOG 2010.

1 IMMS Institut für Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme gemeinnützige GmbH, Ilmenau

nik“ Fachhochschule Jena.

W. WU & M. ISIKHAN (22.03.-24.03.2010). Application of 3-D

G. METHNER (07.12.2010). IMMS Ambient light sensor

EM-Simulation in Research of Integrated Inductors, System

D3010A – Entwicklung, Charakterisierung, Anwendung so-

in Package (SiP) Design and Package Eﬀects. Erfurt: 11.

wie die Kompetenzen des IMMS von der Idee bis hin zum

ITG/GMM-Fachtagung ANALOG 2010.

Sample. Erfurt: 54. Mikroelektronik-Seminar.

D. KIRSTEN & Dr. D. NUERNBERGK (22.03.-24.03.2010). Pro-

Dr. W. SINN (09.-10.12.2010). Satellitennavigation und

grammierbare Präzisionsreferenzspannungsquelle durch

Identiﬁkation – Zukunftstechnologien mit enormen Markt-

Nutzung eines analogen Floating-Gate-Speicherelements.

zuwächsen. Dresden: 4. RFID-Symposium.

Erfurt: 11. ITG/GMM-Fachtagung ANALOG 2010.

IMMS | FUTURE IS NOW | ANNUAL REPORT 2010

gung ANALOG 2010. 1 IMMS Institut für Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme gemeinnützige GmbH, Ilmenau 2 Atmel Germany GmbH, Heilbronn

A. JÄGER1 & K. GILLE2 (04.05.-05.05.2010). X-FAB PLL Demonstrator – Increase in design eﬃciency by the use of high abstraction level modelling and mixed-level simulati-

2 X-FAB Semiconductor Foundries AG, Erfurt

1 IMMS Institut für Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme gemeinnützige GmbH, Ilmenau, Germany

Trade Shows

2 Institut für Prozessmess- und Sensortechnik, TU Ilmenau, Ilmenau, Germany

embedded world

02. - 04. March

Nuremberg

OSADL shared booth

Dr. K. FÖRSTER (05.10.-07.10.2010). OKTOPUS: Anwen-

11. ITG/GMM-Fachtagung ANALOG 2010

22. - 24. March

Erfurt

Organizer: IMMS

Lange Nacht der Technik Ilmenau

28. May 2010

Ilmenau

Organizer: Ilmenau University of Technology

Bonding

03. - 04. May

Dresden

Silicon Saxony Day

18. - 19. Mai 2010

Dresden

D&E Entwicklerforum "EmbeddedSystem-Entwicklung"

19. - 20. October 2010

Ludwigsburg

inova

20. October 2010

Ilmenau

SPS/IPC/Drives 2010

23. - 25. November 2010

Nuremberg

OSADL shared booth

Patents

Precision Fair 2010

01. - 02. December 2010

Veldhoven/ Eindhoven (NL)

ELMUG shared booth

Dr.-Ing. C. SCHÄFFEL. Vorrichtung zur Positionsbestim-

electronica 2010

09. - 12. December 2010

Munich

OSADL shared booth

dungsfelder Halbleitertest. Randolfzell: ProjektabschlussMeeting.

OSADL shared booth

PUBLICATIONS | PATENTS | TRADE SHOWS

FUTURE IS NOW

15 ANNUAL REPORT 2010