Institut für Sensor- und Aktuatorsysteme

Seit fünf Jahrzehnten steht das Institut für Sensor- und Aktuatorsysteme für wissenschaftliche Exzellenz, technologische Innovationskraft und internationale Sichtbarkeit in der Mikro- und Nanosystemtechnik. Aufbauend auf einer langen Tradition in der Sensorentwicklung und den Materialwissenschaften hat sich das Institut zu einer führenden Forschungseinrichtung auf den Gebieten innovativer NEMS/MEMS (nano-/micro electro-mechanical systems), Materialien, der Technologie sowie der Messtechnik von und mit NEMS/MEMS Bauelementen, als auch deren Modellierung und Simulation entwickelt.

Die Basis der Forschungsaktivitäten bilden modern ausgestattete Reinraum- und MEMS-Messtechniklabore, deren Ursprung bis in die 1970er-Jahre zurückreicht und die kontinuierlich an den neuesten Stand der Technik angepasst wurden. Die dort entwickelten Prozesse und Strukturen, hauptsächlich im Bereich der Siliziummikrotechnik, aber auch robuster NEMS/MEMS Materialien, wie Siliziumkarbid, sind die Grundlage zahlreicher innovativer Forschungsarbeiten und neuartiger Sensor- und Aktuatorkonzepte.

Heute vereint das Institut zwei international anerkannte Forschungsgruppen: die Forschungsgruppe Mikrosystemtechnik unter der Leitung von Univ.-Prof. Ulrich Schmid sowie die Forschungsgruppe Mikro-und Nanosensorik unter der Leitung von Univ.-Prof. Silvan Schmid.

Die Forschungsgruppe Mikrosystemtechnik beschäftigt sich mit der Technologie, den Materialien, der Herstellung und der Charakterisierung von MEMS-Bauelementen sowie deren Modellierung und Simulation. Im Mittelpunkt der Forschungsaktivitäten stehen piezoelektrische Mikrosysteme zur Realisierung von MEMS-Resonatoren, akustischen Sensoren sowie Aktuatoren wie z.B. kompakte Ultraschall-Emitter. Die Basis dafür sind neuartige, piezoelektrische Materialsyteme und deren Integration in neuartige MEMS Bauelementekonzepte. Im Rahmen dieser Aktivitäten konnte 2022 durch Assoc.-Prof. Schneider ein Christian Doppler-Labor mit dem Titel “Piezoelektrische Silizium-MEMS mit erhöhter Sensitivität und Responsivität“ eingeworben werden. Ein zweiter Forschungsschwerpunkt in der Forschungsgruppe Mikrosystemtechnik umfasst die Modellierung und Simulation als auch quantenmechanischen Anwendungen von MEMS-Bauelementen, der von Ass.-Prof. Daniel Platz geleitet wird. Es steht das tiefergehende Verständnis sowie die physikalisch-basierte Beschreibung von bauelement-spezifischen Nichtlinearitäten im Vordergrund, so wie sie z.B. bei der Fluid-Struktur-Wechselwirkung von MEMS-Resonatoren mit ihrer Umgebung als auch bei bistabilen MEMS-Plattenelementen auftreten. Im Bereich der Quantensensorik werden Konzepte sowie deren Umsetzung in on-Chip integrierbare, CMOS-kompatiblen Strukturen bearbeitet, die es ermöglichen, auch „makroskopische“ Komponenten, wie z.B. MEMS-Balken, an das quantenmechanische Rauschlimit zu bringen, um höchste Messsensitivitäten zu erreichen. Als weitere Forschungsrichtung stehen das Hochleistungsmaterial Siliziumkarbid mit seinen herausragenden mechanischen, thermischen und chemischen Eigenschaften für robuste MEMS/NEMS Bauelemente im Vordergrund. Neben diesem Anwendungsgebiet liegt der wissenschaftliche Fokus auf dem photoelektrochemischen Porösizieren von einkristallinem Siliziumkarbid, um die dominierenden Mechanismen zu erforschen und dieses Wissen für neuartige MEMS/NEMS Bauelemente sowie für leistungselektronische Anwendungen nutzbar zu machen. 2023 konnte Ass.-Prof. Georg Pfusterschmied im Rahmen dieser Forschung ein CD-Labor mit dem Titel „Nachhaltige Siliziumkarbidtechnologie“ lukrieren.

Die Forschungsgruppe für Mikro- und Nanosensorik widmet sich der Entwicklung und dem Einsatz nanomechanischer Resonatoren als ultrasensitive Sensoren. Im Zentrum stehen Siliziumnitrid-basierte Strukturen, die zwei für die Sensorik herausragende Eigenschaften vereinen: Durch dissipationsverdünnte Bauweise erreichen sie mechanische Gütefaktoren weit jenseits von 10⁶ und zählen damit zu den kohärentesten mechanischen Oszillatoren überhaupt; gleichzeitig ermöglichen ihre hohen Aspektverhältnisse eine außergewöhnlich schwache thermische Ankopplung an die Umgebung. Die hohen Gütefaktoren bilden die Grundlage der optomechanischen Forschungsarbeiten der Gruppe, in der mittels optischer Interferometrie Verschiebungsmessungen bis an das quantenmechanische Rauschlimit herangeführt werden. Darauf aufbauend werden Konzepte für höchstauflösende Kraft- und Impulsmessungen entwickelt. Die hohen Aspektverhältnisse wiederum sind die entscheidenden Voraussetzungen für die nanomechanische photothermische Spektroskopie, bei der durch Lichtabsorption induzierte Frequenzverschiebungen des Resonators die Absorptionsspektren von Probenmengen im Einzelpartikel- bis zum Pikogramm-Bereich zugänglich machen. Aus dieser Technologie ging das TU Wien Spin-off Invisible-Light Labs GmbH hervor, das mit dem Instrument EMILIE^TM die weltweit erste kommerzielle NEMS-FTIR-Plattform anbietet und Anwendungen von der Nanoplastik-Analytik bis zur Charakterisierung atmosphärischer Aerosole erschließt. Ein weiterer Forschungsschwerpunkt, geleitet von Dr. Pius Theiler, befasst sich mit der chiralitätsinduzierten Spinselektivität (CISS) und deren Nutzung in neuartigen Spintronik- und Sensorkonzepten. Methodisch wird die Gruppe durch die Entwicklung dedizierter Auslese- und Regelelektronik sowie die Modellierung von Verlustmechanismen, Rauschen und Wärmetransport ergänzt. Die Arbeiten verbinden konsequent Grundlagenforschung mit anwendungsorientierter Entwicklung in den Bereichen Umweltmonitoring, Aerosolanalytik, Massenspektrometrie, Infrarotsensorik, und Spintronik.