3.7 Wissenstransfer / Know-How Transfer
Das MPE arbeitet an vorderster Front der Wissenschaft und Technologie. Deshalb ist es möglich, einige unserer Erkenntnisse entweder direkt in Projekten zusammen mit der Industrie zu transferieren, oder über Lizenzen aus unseren Patenten in die kommerzielle Nutzung zu überführen. Bei letzterem, so hat sich herausgestellt, brauchen die Industriepartner gewöhnlich Unterstützung bei der Einführung der Verfahren - nur so kann Wissenstransfer effizient durchgeführt werden. Das MPE fühlt sich verpflichtet - obwohl primär in der Grundlagenforschung tätig - diesen Wissenstransfer in angemessener Weise auszuführen. Ähnliches gilt bei der Unterstützung anderer Forschungsdisziplinen, beispielsweise für Wissenstransfer in die Halbleiterforschung, Elementarteilchenphysik und Medizin. Der Transfer erfolgt hauptsächlich aus den Bereichen Theorie und Detektorentwicklung. So werden Analyseverfahren zur Struktur- und Mustererkennung aus astrophysikalischen Fragestellungen (z.B. Materieverteilung im Universum) oder zum Studium von Phasenübergängen bei Komplexen Plasmen in die Medizindiagnostik oder Ingenieurwissenschaft transferiert. Röntgendetektoren, die für unsere Weltraumteleskope entwickelt wurden, werden einer industriellen Verwertung z.B. im Strahlungsdosismonitoring zugeführt.	The MPE researches at the cutting edge of science and technology. For this reason it is possible to achieve breakthroughs, which can be transferred into industrial applications. This may happen either through direct contacts and cooperations within projects or through license agreements with our patents. In the latter case, we have noted that our industrial partners require some initial support to make the transfer of know-how efficient. The MPE feels some obligation to support this (within appropriate limits), although our main calling is basic science, of course. Similar arguments hold for transferring our know-how into other branches of science, for example semiconductor research, elementary particle physics and medicine. Currently, know-how transfer comes mainly from the theory group and from the detector development. For instance new analysis techniques developed for structure and pattern quantification in the astrophysical context (e.g. matter distribution in the Universe) or for the study of phase transitions in complex plasmas are transferred to engineering or medical diagnostics. The development of X-ray detectors for our space telescopes are utilized for industrial applications e.g. in dosimetry.
3.7.1 Komplexitätsanalyse / Complexity Analysis
Die Arbeitsgruppe "Komplexe Systeme" ist Teil des "Centre for Interdisciplinary Plasma Science" CIPS und beschäftigt sich mit der Analyse "komplexer Systeme" in einer Vielzahl von Arbeiten innerhalb des MPE/CIPS (im Bereich der Analyse der Großräumigen Strukturen, Komplexer Plasmen und Aktiver Galaktischer Kerne) und in Kooperationen mit Partnern außerhalb des MPE. Unter dem Aspekt Wissenstransfer werden hier lediglich die Aktivitäten angesprochen, die interdisziplinäre Kooperationen mit universitären Forschungsinstituten und Industriepartnern aus Bereichen wie Biowissenschaften, Medizin, Technik oder Wirtschaft betreffen.	The working group "complex systems" is part of the "Centre for Interdisciplinary Plasma Science" CIPS and deals with the analysis of "complex systems" in a variety of projects within the MPE/CIPS (analysis of large scale structures, complex plasmas and active galactic nuclei) and in cooperations with partners outside the MPE. Referring to the aspect of know-how transfer, only those activities are addressed here, which concern interdisciplinary cooperations with partners from universities and industry in the areas bioscience, medicine, engineering and economics.
Die Methoden zur Komplexitätsanalyse entstammen vorzugsweise den Bereichen der Analyse nichtlinearer dynamischer Systeme und wurden in den letzen Jahren um Elemente aus der Graphentheorie und der künstlichen neuronalen Netze erweitert.	The methodological background is based preferably on the analysis of non-linear dynamic systems and has been expanded by elements from graph theory and artificial neural networks within the last years.
Auch aus dem Bereich der Transferarbeiten, die hier nur exemplarisch dargestellt werden können, ergeben sich dabei immer wieder neue Ansätze zur Methodenentwicklung. Die durch das Studium der nichtlinearen Dynamik motivierte Skalierungs-Index-Methode (SIM) erlaubt eine strukturelle Charakterisierung beliebig dimensionaler Punktverteilungen. Aus den berechneten Skalierungsindizes bzw. ihrer Häufigkeitsverteilung lassen sich sowohl lokale als auch globale Maße ableiten.	The activities in the technology transfer projects, which are illustrated by only a few examples, often stimulate the development of new methods. The scaling-index-method (SIM), motivated from the study of non-linear dynamics, allows a structural characterisation of point distributions of any dimensionality. Local as well as global measures can be derived from the computed scaling indices and their frequency distribution, respectively.
SIM basiert auf dem Skalierungsverhalten der lokalen kumulativen Punktverteilung, die mit Hilfe der Heaviside-Funktion berechnet wird. Ein Manko des bislang verfolgten Ansatzes ist, dass wegen der Nichtdifferenzierbarkeit der Heaviside-Funktion statt der Ableitung der Differenzenquotient verwendet werden muss und zur Definition des Skalierungsbereiches zwei Radien festgelegt werden müssen. Diese Nachteile können vermieden werden, wenn statt der Heaviside-Funktion eine differenzierbare Formfunktion wie beispielsweise die Gauß-Funktion verwendet wird. Dies erlaubt den Übergang vom Differenzenquotient zur Ableitung an nur einem vorzugebenden Radius, der die Skala definiert, auf der die strukturelle Charakterisierung vorgenommen wird. Insbesondere erlaubt diese Fuzzifizierung - fSIM genannt - eine Formulierung der Skalierungs-Index-Methode als neuronales Netz. Der wesentliche Vorteil von neuronalen Netzen liegt in der Möglichkeit, Wissen in einer selbstorganisierenden Weise in das Netz einzubringen. Untersucht wurde bislang ein neuronaler fSIM-Ansatz, bei dem in den Testbeispielen eine deutliche Verbesserung der Strukturdetektion nachgewiesen werden kann (Abb. 3-25).	SIM is based on the scaling properties of the local cumulative point distribution, which is calculated using the Heaviside-function. A disadvantage of this approach is, that due to the non-differentiability of the Heavside-function the difference quotient has to be used instead of the derivative and two radii have to be supplied for the definition of the scaling range. These drawbacks can be remedied by replacing the Heaviside-function by a differentiable shaping function like e.g. the Gaussian. Thus the derivative can be used instead of the difference quotient. Furthermore only one radius has to be supplied, which defines the scale of the structural characterisation. In particular this fuzzification - called fSIM - facilitates the formulation of the scaling-index-method as a neural network. The primal benefit of neural networks lies in the possibility to incorporate knowledge into the network in a self-organized manner. Up to now a neural fSIM-approach was studied, which demonstrated on test examples a clear improvement in structure detection (Fig. 3-25).
Abb. 3-25: Im ersten Beispiel (obere Reihe) ist eine spiralförmige Linie zu detektieren, die mit bloßem Auge nicht zu erkennen ist (oben links). In der mittleren Spalte sind die berechneten Skalierungsindizes des trainierten neuronalen fSIM-Netzes als Grauwerte dargestellt. Ziel des zweiten Beispiels (untere Reihe) ist die Segmentierung punktartiger Strukturen gegen ein zum Rand hin zunehmendes Rauschen. Eine deutliche Verbesserung der Strukturerkennung unter Verwendung eines einfachen Schwellwertverfahrens illustrieren die "Receiver operator characteristic" (ROC) Kurven (rechte Spalte). Fig. 3-25: In the first example (upper panel) a spiral line has to be detected, which cannot be seen with the naked eye (upper left). The middle column shows the computed scaling-indices of the trained neural fSIM-network as grey-values. The objective of the second example (lower panel) is the segmentation of dot-like structures in the presence of radially increasing noise. A clear improvement of structure detection (using simple thresholding) is illustrated by the Receiver operator characteristic (ROC) curves in the right column.
Die Strukturbestimmung von mono-molekularen Adsorbaten spielt eine wichtige Rolle beim Verständnis von Prozessen auf der Nanometer-Skala. In Zusammenarbeit mit der LMU München wurde die Struktur einer geordneten Doppelschicht mit Hilfe eines Raster-Tunnel-Mikroskops untersucht. Bei dieser Substanz handelt es sich um eine Doppelschicht der Nukleinbase Adenin, aufgewachsen auf Graphit. Da die Wechselwirkung der ersten molekularen Schicht mit dem Graphit-Substrat unterschiedlich zu der der zweiten Schicht ist, unterscheidet sich deren zweidimensionale Struktur und epitaktisches Wachstum wesentlich. Mittels molekül-mechanischer Simulation der Struktur der unteren Schicht konnte gezeigt werden, dass Wasserstoffbrückenbindungen eine wichtige Rolle bei der Stabilität der Schicht spielen, wenngleich die Molekül-Substrat-Wechselwirkung hauptsächlich von van der Waals-Kräften bestimmt wird. Es bilden sich Reihen von Adenin-Molekülen aufgrund der Wasserstoffbrückenbindungen zwischen benachbarten Molekülen. In Abb. 3-26 ist die berechnete Bindungsenergie für Verschiebungen parallel und senkrecht zur Wasserstoffbrückenbindung gezeigt. Der schwache Anstieg des Potentials senkrecht zu den Wasserstoffbrücken zeigt, dass die Moleküle in dieser Richtung leicht gegeneinander verschoben werden können, während die Adenin-Moleküle entlang der gebildeten Reihen stärker gebunden sind. Infolge dieser Eigenschaft der Einzelschicht kann eine Superstruktur entstehen.	The structure determination of mono-molecular adsorbates plays an important role in the understanding of processes on the nano-metre scale. In cooperation with the LMU München the structure of an ordered bi-layer has been investigated using a scanning tunnelling microscope (STM). The substance under investigation was a bi-layer made of the nucleic base adenine, grown on graphite. Since the interaction of the first molecular layer with the graphite substrate is different from the layer to layer interaction, the epitaxial growth and accordingly the two-dimensional structures of both layers differ significantly. By simulating the structure of the lower layer using a molecular mechanics simulation it has been found, that although the interactions of the molecules with the substrate are predominantly governed by van der Waals forces, hydrogen bonds play an important role in the stability of the layer. Namely, rows of adenine molecules are formed due to the hydrogen bonds between adjacent molecules. In Fig. 3-26 the calculated binding energy is shown for translations parallel and perpendicular to a hydrogen bond. The shallow gradient of the potential perpendicular to the hydrogen bond shows that it is easy to shift the molecules with respect to each other. The rows formed by the adenine molecules are therefore more tightly bound in the parallel direction than in the perpendicular direction and can be easily distorted in the perpendicular direction. Due to this non-isotropic structure of the mono-layer a super-structure can arise.
	Abb. 3-26: Graph der berechneten Bindungsenergie eines Adenin-Dimers gegen den Wert der Verschiebung parallel und senkrecht zur Richtung der Wasserstoffbrückenbindung. Fig. 3-26: Graph of the calculated binding energy of an adenine dimer versus the amount of translation parallel and perpendicular to the hydrogen bond direction.
Abb. 3-27: Links und Mitte: Modell und Rastertunnelbild. Die Objektgröße beträgt 25 nm. Rechts: molekül-mechanische Simulation einer Adeninschicht auf einem Graphit-Einkristall. Details siehe Text. Fig. 3-27: Left and middle panel: Model and recorded scanning tunnelling image data. The object size is 25 nm. Right panel: Molecular mechanics simulation of an adenine layer on a graphite bulk crystal. Details see text.
In Abbildung 3-27 wird das Modell mit einem aufgezeichneten Rastertunnel-Bild verglichen: Der linke Teil der Abbildung zeigt ein Modell von zwei gestapelten Adenin-Schichten, wobei die obere Schicht skaliert, verschoben und gedreht wurde. Im mittleren Teil (oben) ist das ursprüngliche Rastertunnelbild gezeigt. Die Anwendung eines Tiefpass-Filters (unten) hebt das Moiré-Muster hervor. Dieses Muster kann dazu benutzt werden, sehr kleine Änderungen in der Kristallstruktur zu erkennen. Im vorliegenden Fall konnte eine Verzerrung von 4% und eine Drehung von 0.7° detektiert werden, was weit unter der Auflösung des Rastertunnelmikroskops liegt.	In figure 3-27 the model is compared with the recorded scanning tunnelling image: The left panels show a model of two stacked adenine layers where the upper layer has been scaled, shifted and rotated. In the middle panel the original scanning tunnelling image is shown. In the lower image a low pass filter has been applied to the STM-image in order to enhance the Moiré pattern. The Moiré pattern can thus be used in order to detect very small changes of the crystalline structure. In the case under investigation a distortion of 4% and a rotation of 0.7° can be detected, which is much below the resolution of the scanning tunnelling microscope.
Die in den letzten Jahren erarbeiteten Segmentierungsalgorithmen wurden zur volumetrischen Auswertung von Tumoren der Speiseröhre anhand von CT-Daten verwendet. In einer klinischen Studie (zusammen mit der TU München) wurden CT-Untersuchungen mit Positronen-Emissions-Tomographien (PET) für den Nachweis von sog. Respondern, d.h. Patienten, die auf die Chemotherapie angesprochen haben, verglichen. Es konnte gezeigt werden, dass die Messung mittels PET eine hohe Sensitivität bei jedoch geringer Spezifität zeigt, wohingegen die CT-Volumetrie eine höhere Spezifität, jedoch geringere Sensitivität hat. Die Kombination beider Methoden liefert die höchste diagnostische Genauigkeit.	The segmentation algorithms, which have been developed during the last years, were used for the volumetric evaluation of tumors of the oesophagus using CT-data. In a clinical study (together with the TU München) the CT-examinations were compared with positron emission tomography (PET) measurements for the detection of so-called "responders", i.e. of patients with successful chemotherapy. The histological findings served as gold standard. It could be shown that the measurement using PET yields a high sensitivity but only a low specificity, whereas CT volumetry leads to a higher specificity but lower sensitivity. The combination of both methods yields the highest diagnostic accuracy.
Im Rahmen der Arbeiten zur Verbesserung der Diagnose von Osteoporose durch die quantitative Analyse von Knochenstrukturen wurden in-vitro Pilotstudien durchgeführt, um Zusammenhänge zwischen neu entwickelten Knochenstrukturparametern, der Knochendichte sowie mechanischen Parametern abzuleiten. Für die Knochenstrukturen in den NMR-Bildern wurde ein nichtlineares Strukturmaß entwickelt, das sowohl mit der Bruchfestigkeit als auch mit der "bone mineral density" (BMD) verglichen wurde. Erste Ergebnisse liefern eine Korrelation zwischen Strukturparameter und Bruchfestigkeit, die der entsprechenden Korrelation des BMD vergleichbar ist. Die andererseits schwache Korrelation des Knochenstrukturmaßes mit dem BMD deutet darauf hin, dass beide Maße auf unterschiedliche Aspekte der Knochenstruktur ansprechen.	In the works concerning the improvement of the diagnosis of osteoporosis in-vitro pilot studies were performed in order to find connections between newly developed measures for bone structures, the bone density and mechanical parameters. For the bone structures in NMR-images a nonlinear structure measure was developed and compared with the tensile strength and the bone mineral density (BMD). First results yield a correlation between the structure parameter and the tensile strength, which is comparable to the respective correlation of the BMD. On the other hand, the weak correlation between the new structure measure and the BMD indicates that both measures are weighting different aspects of the morphological features of the bones.
Zur Clusteranalyse von Aktienkursen wurden in Kooperation mit der Forschungsabteilung einer großen deutschen Bankgesellschaft erste Forschungsarbeiten begonnen, bei denen Methoden der Graphentheorie und der nichtlinearen Dynamik zur Anwendung kommen. Ziel ist es, aus den Fluktuationen der Marktpreise mit Hilfe linearer und nichtlinearer Korrelationsmaße eine unabhängige Beschreibung von Börsensegmenten zu gewinnen. Insbesondere soll die Dynamik der Bewegung in Wirtschaftssektoren quantitativ aus dem Marktverhalten erfasst werden und Zusammenhänge zu konjunkturellen Parametern aufgezeigt werden.	For the Cluster analysis of stocks we have begun in cooperation with the research department of a large German banking corporation a project, that use methods from graph theory and nonlinear analysis techniques. The question is whether the analysis of market price fluctuations by means of linear and nonlinear correlation measures can be used for an independent definition of economic sectors. At the end it is intended to describe quantitatively the dynamics and interdependencies in different business sectors and to demonstrate connections in this description with known parameters of business cycles.
In Analogie zu den Clusteruntersuchungen der großräumigen Struktur im Universum werden mittels minimal aufspannender Bäume und der ultrametrischen Distanz Cluster von Elementen (hier Aktientitel) generiert, die eine Taxonomie der Wirtschaftsunternehmen nach Branchenaspekten liefert. Die Metrik im hochdimensionalen Darstellungsraum wird auf der Grundlage des gewählten Korrelationsmaßes, wie zum Beispiel der mutuellen Information, definiert. Wie Abb. 3-28 zeigt, lassen sich allein auf der Grundlage von Ähnlichkeiten in den zeitlichen Mustern der Preisfluktuationen Wirtschaftsektoren identifizieren, und es lässt sich untersuchen, wie stark einzelne Titel an den jeweils zugeordneten Sektor gebunden sind. Zeitabhängige Untersuchungen zeigen, dass die Stärke der Bindung der einzelnen Cluster mit globalen Wirtschaftsparametern korreliert.	By analogy of the cluster analysis in the field of the large scale structure of the Universe cluster of elements (in this case stock titles) are created with the help of minimal spanning trees and the use of ultrametric distances that yield a taxonomy of companies with respect to business sectors. The metric in this high-dimensional state space is determined by the chosen correlation measure, such as the mutual information. As can be seen from Fig. 3-28, it is possible to identify business sectors based solely on the market price and to investigate the strength of relationship within the sectors. Time dependent analysis yields a correlation between cluster properties and global economic trends.
Abb. 3-28: Dargestellt ist die aus den Preisfluktuationen abgeleitete Taxonomie von Börsentitel in einem hierarchischen Baum (links). Die ultrametrische Distanz einzelner Cluster ist umso geringer, je größer die nichtlinearen Korrelationen unter den Clustermitgliedern ist. Die Farben codieren die verfahrensunabhängige Branchenzuordnung von Wirtschaftsanalysten. In der alternativen Darstellung (rechts) ist das branchenspezifische Clusterverhalten besser zu erkennen (z.B.: rot = Technologiewerte, dunkelblau = Finanzwerte, rosa = Verbraucherwerte). Fig. 3-28: Taxonomy representation of stock titles from the market price fluctuations by means of a hierarchical tree (left). The ultrametric distances decrease with increasing nonlinear correlation. The colors code independent sector affiliation by economic analysts. In the alternative representation (right) the cluster behavior with respect to the business line is even more obvious (e.g.: red = technology, dark blue = financial, pink = consumers).
Zu den Fragestellungen der Zeitreihen- und Bildanalysen, die hier nicht näher beschrieben wurden, zählen darüber hinaus beispielsweise die Bestimmung der Narkosetiefe aus dem EEG, die Identifikation von Zellstrukturen aus fluoreszenzmikroskopischen Aufnahmen oder die Analyse von Genexpressionen.	Other questions in the field of the analysis of time series and images that are not addressed in detail here are dealing for instance with the assessment of the anaesthetic depth from EEG-recordings, the detection of cell structures in fluorescence microscopic images and the analysis of gene expressions.
Potentiale des Technologietransfers der Arbeitsgruppe wurden unter anderem auf verschiedenen Veranstaltungen der MST Aerospace/ESA und auf der Hannovermesse (Technologietransfer aus der Astrophysik) Interessenten aus der Industrie vorgestellt. Einer breiteren Öffentlichkeit wurden Resultate erfolgreichen Transfers der letzten Jahre zudem im Rahmen der Ausstellung "Physik und Leben" der DPG im Deutschen Museum, München, präsentiert.	Potentials of the know-how transfer of the working group have been presented at various technology transfer conferences arranged by MST Aerospace/ESA  and at the Hanover Fair (Technology Transfer from Astrophysics). Examples of successful transfer projects from the last years have been presented to a broader public at the exhibition "Physik und Leben", organized by the DPG at the Deutsches Museum, München.
Unsere Arbeiten im Wissenstransferbereich wurden unterstützt vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt DLR (50.TT.9731.0).	Our know-how transfer projects are supported by Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt DLR (50.TT.9731.0).
3.7.2   Wissenstransfer aus dem Fergungsbereich / Know-How Transfer from the MPI Semiconductor Laboratory to Industry
Das Halbleiterlabor der Max-Planck-Institute für extraterrestrische Physik und für Physik (MPI-HLL) besteht in seiner jetzigen Form seit 1991. Seine Aufgaben sind die Entwicklung und Fertigung von Halbleiterdetektoren für die Röntgenastronomie und für die Hochenergiephysik. Zu den wichtigsten Projekten seitens des MPE zählen die Entwicklung und Fertigung der XMM-Fokalebene, des ABRIXAS-Detektors, die Pixeldetektoren im CELIAS Experiment auf SOHO und die Streifendetektorentwicklung für das MEGA Experiment. Auf der Seite des MPI für Physik und dem Werner-Heisenberg-Institut für Physik (WHI), waren es die Siliziumstreifendetektoren für das "fixed-target" Experiment NA11/32, der ALEPH-Vertexdetektor, die Detektorentwicklung strahlenharter Siliziumstreifenzähler und pn-Pixeldetektoren für die Beschleuniger-Experimente ATLAS und HERA-B. Die zukünftigen Vorhaben des MPE beinhalten die XEUS Mission der ESA (2012) und die deutsche ROSITA Mission (2006/7). Auf der WHI Seite stehen die Aktivitäten zum neuen Beschleuniger TESLA und der Röntgenlichtquelle FEL im Vordergrund.	The "Halbleiterlabor der Max-Planck-Institute für Physik und extraterrestrische Physik" (MPI-HLL) exists in its present form since 1991. Its tasks are the development, fabrication and assembly of semiconductor detectors for experiments mainly in X-ray astronomy and high energy physics. From the MPE's point of view the most important projects were the development and fabrication of the XMM-Newton focal plane, the ABRIXAS detector, pixel detectors for the CELIAS instrument on SOHO and silicon strip detectors for the MEGA experiment. For the MPI für Physik and the Werner-Heisenberg-Institut für Physik (WHI) the development of dedicated silicon strip detectors for the fixed-target experiment NA11/32 and the the collider detector ALEPH were essential in the past, in the near future the radiation hard silicon strip detectors for ATLAS at the LHC storage ring and for the HERA-B experiment at DESY in Hamburg. In the long run MPE's main projects comprise the German ROSITA X-ray mission (2006/7) and ESA's X-ray observatory XEUS (2012); for the WHI the TESLA accelerator and its experiments as well as the FEL X-ray source.
Neben diesen Aktivitäten wurden im Bereich der Instrumentierung für Synchrotronstrahlungsexperimente Röntgendetektoren für hohe Zählraten entwickelt. Sie werden im Rahmen der Röntgenholographieexperimente am HASYLAB/DESY eingesetzt. Für Kunstuntersuchungen wurden Raumtemperaturspektrometer auf der Basis von Siliziumdriftkammern beigestellt. In Zusammenarbeit mit dem Politecnico di Milano wurden unzählige Messungen an Kunstobjekten in Rom, Mailand, Paris und Athen durchgeführt. Für Anwendungen in der industriellen Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) werden diese Detektoren von der Firma KETEK weiterentwickelt und vermarktet. Die Haupteinsatzgebiete liegen im Bereich der Elektronenmikroskopie, der Materialanalyse und der Schichtdickenmessung.	Beside the core activities of both MPIs, X-ray detectors for synchrotron radiation experiments with very high count rate capabilities were developed. They have been used in X-ray holography applications at HASYLAB/DESY. For the analysis of works of art, room temperature X-ray spectrometers have been supplied. Within a collaboration with the Politecnico di Milano numerous measurements were performed at art objects in Rome, Milan, Paris and Athens. For applications in the field of industrial X-ray fluorescence analysis (XRF) those detectors were packaged, qualified and marketed by the KETEK company. Main application areas are in micro beam analysis, material analysis and the determination of various layer thicknesses.
Unterschiedlichste Randbedingungen, wie zum Beispiel sehr große Detektorflächen für die Experimente in der Hochenergiephysik oder den Betrieb spektroskopischer Systeme in der Materialanalyse oder Qualitätssicherung, machen den Transfer von Wissen an ausgewählte Industrieunternehmen über Herstellungsverfahren, Detektorkonzeption und -betrieb zu einem wichtigen Bestandteil der Arbeit am MPI-HLL. In Deutschland gib es nur wenige Unternehmen, die sich auf dem Nischenmarkt der Halbleiterdetektorfertigung mit moderner Planartechnik bemühen: Dies sind die Firmen CiS, XFAB und Silicon Sensors. Alle drei Firmen sind in den neuen Bundesländern ansässig.	Different boundary conditions, as e.g. very large sensitive detector areas for experiments in high energy physics or the use in spectroscopic systems in material analysis or quality control, make it desirable to transfer the knowledge of fabrication of the silicon detectors and their operation to industrial partners. In Germany only a limited number of manufacturers were acting in the niche market of detector fabrication on the basis of a planar process: they are CiS, XFAB and Silicon Sensors. All three are located in the "new Bundesländer".
Für die Hochenergiephysik wurden zuletzt strahlenharte Siliziumstreifendetektoren und Pixeldetektoren für das ATLAS Experiment am Large Hadron Collider (LHC) entwickelt, der im Jahr 2006 in Betrieb gehen soll. Mit einer Gesamtfläche von ~250 m2 an Siliziumdetektoren kommt es hier ganz besonders auf eine zuverlässige und kostengünstige Herstellung an. Das am MPI-HLL entwickelte Detektorkonzept hat sich in allen Tests behauptet.	The transfer of fabrication technology to industry was a must for the MPI-HLL: radiation hard silicon strip detectors and silicon pixel detectors were required for high energy physics experiments in large quantities for the ATLAS experiment at the Large Hadron Collider (LHC), supposed to start operation in 2006. With a total sensitive area of ~250 m2 of silicon detectors a major concern was the reliable and cost effective fabrication. The detector concept developed at the MPI-HLL has fulfilled all technical and economical requirements.
Die Firma CiS (Centrum für intelligente Sensorik) aus Erfurt hat die Herstellungsverfahren vom Halbleiterlabor übernommen und erfolgreich erste Prototypen hergestellt. Sie wird als einzige europäische Firma das ATLAS Konsortium mit Siliziumstreifendetektoren beliefern. In den Bereichen Qualitätssicherung und Technologieberatung wird das MPI-HLL die Firma CiS bis zum Abschluss der Fertigung begleiten. Zur Zeit beschäftigt das Unternehmen etwa 70 Mitarbeiter und ist im weitesten Sinne auf dem Gebiet der Mikrosystemtechnik tätig.	The Company CiS (Center for intelligent Sensors) has received a licence for the fabrication procedures of the MPI-HLL. CiS is now the only European company supplying silicon strip detectors to the ATLAS consortium. In the field of quality control and assurance the MPI-HLL will consult the company CiS until the delivery of the last detectors. CiS operates a cleanroom facility for all kind of micro-systems with a total of approximately 70 employees.
Abb. 3-29: Photographie eines Siliziumstreifen-detektormoduls für das ATLAS Experiment. Die Streifen der beiden Siliziumdetektoren sind in der Mitte zusammengebondet und ergeben so ein etwa 6 x 12 cm² großes Modul. Am linken Ende ist die Ausleseelektronik zu erkennen. Sie muss in der Lage sein, innerhalb von 20 ns die Treffer auf den Siliziumstreifen zu verarbeiten. Fig. 3-29: Photograph of a silicon strip detector for the ATLAS experiment. The strips of both detector chips are wire bonded in the middle of the module. The total size of the module is 6 x 12 cm2. On the left hand side the readout electronics is mounted. Within 20 ns only it has to process a signal from the silicon strip detector.	Abb. 3-30: Maskenlayout des Randbereiches eines Siliziumstreifendetektors. Die Schutzstrukturen umgeben den mit Sperrspannung versehenen aktiven Bereich des Detektors. Sie bauen die starken elektrischen Felder nach außen ab und ermöglichen so auch bei hoher Strahlenbelastung den stabilen Betrieb. Die sensitiven p+-Streifen mit ihren meanderförmigen Spannungszuführungen werden an den Bondpads einer externen Signalelektronik zugeführt. Fig. 3-30: Layout of the edges of the silicon strip detector. Guard rings are surrounding the strips with the full depletion voltage in the active part of the detector. They continuously reduce the electric field towards the outer non-depleted area, guaranteeing save operation despite of high radiation levels. The sensitive p+-strips with its meander-type voltage supplies are connected to the external electronics.
Die erste Fertigung von CiS für das MPE bediente ein Prototypen-Experiment des vorgeschlagenen Compton-Teleskops MEGA mit doppelseitigen Silizium-Streifen-Detektoren als Instrument zur Vermessung der gestreuten Compton-Elektronen. Etwa 100 doppelseitige Detektoren wurden zunächst mit mäßiger Qualität hergestellt. Aber bereits hier war die Steigerung der Qualität von der ersten zur letzten Fertigungscharge deutlich erkennbar. Durch unsere intensive Zusammenarbeit wurde CiS auch an der Fertigung des ATLAS SCT Vertexdetektor mit etwa 3000 Detektoren beteiligt (Abb. 3-29 und 30), ebenso wie mit ungefähr 1000 Detektoren bei dem zentralen Pixeldetektor von ATLAS. Das Volumen der Aufträge liegt bei etwa 1000 bis 2000 DM pro Detektor, je nach Komplexität des Herstellungsprozesses. Auch bei dieser Massenfertigung hat sich im Laufe der Fabrikationsgeschichte die Fehlerhaftigkeit von den Auslesestreifen von 1% auf etwa 0.2% senken lassen. Die elektrische Vermessung der Detektoren erfolgt im MPI-HLL, so dass wir unmittelbar nach der Fertigung bereits eine qualifizierte Rückmeldung an CiS machen können.	The first fabrication of CiS for the MPE were prototype double sided silicon strip detectors for the proposed MEGA Compton telescope for the position measurement of the scattered electrons. About 100 detectors were fabricated with moderate success. But a continuous improvement was achieved from the first to the last fabrication batch. The intense cooperation with CiS was eventually resulting in the selection for the fabrication of 3,000 detectors (Fig. 3-29 and 30) for the ATLAS SCT vertex detector and about 1000 units for the central pixel detector. The financial volume varies between 1.000 and 2.000 DM per detector, depending on the complexity of the fabrication process. In the process of mass production the fabrication yield was significantly improved, the percentage of defect strips was lowered from 1% to 0.2%. The electrical tests are performed at the MPI-HLL. This way an immediate feedback to the manufacturer is possible.
Die gute Marktstellung von CiS ist auch durch die Nutzung von Erfindungen aus dem MPI-HLL begründet. So werden von CiS insbesondere 2 Innovationen (Patente) in die Fertigung implementiert:	The good market position of CiS is also due to the use of patents from the MPI-HLL. Two patents were used for the fabrication of the ATLAS silicon detectors:
1. Die Zuführung der Versorgungsspannungen zu den p+-Streifen der Siliziumdetektoren erfolgt über speziell hierfür entwickelte hochohmige Widerstände, die auch noch die benötigte Strahlenhärte aufweisen (Abb. 3-30). Diese Strahlenhärte besitzen Polisiliziumwiderstände zwar auch, jedoch sind die implantierten Widerstände wesentlich preisgünstiger zu fertigen.	1. The supply of the voltages to the p+-strips of the silicon detectors is realized through high ohmic implanted resistors with the adequate radiation hardness (Fig. 3-30). Polysilicon equally shows the high radiation hardness but at a higher price.
2. Zur Isolation der über eine Elektronenakkumulationsschicht verbundenen n+-Strukturen wurde eine sogenannte unmaskierte wohldosierte Borimplantation eingeführt. Sie ermöglicht bereits vor dem Einbau die Vermessung der erwarteten Strahlenresistenz. Es gibt derzeit keine andere Herstellungstechnik für Halbleiterdetektoren, die einer Strahlenbelastung von über 1015 Neutronen pro cm2 standhält.	2. To isolate the n+-structures from each other, an unmasked p-spread implant (Boron) was implemented. This offers the option to test the radiation resistance prior to the integration into the experiment. There is no other fabrication technology offering such a degree of radiation hardness (1015 neutrons per cm2).
Die Fa. CiS ist heute imstande mit weltweit allen Herstellern zu konkurrieren - bezüglich Qualität, Innovationskraft und Kosten. Die ausgezeichnete Positionierung am Markt zwingt die Firma derzeit zu einem 3-Schichtbetrieb in der Fertigung. Um den Anfordernissen der Zukunft gerecht werden zu können, ist geplant, in den nächsten Jahren einen neuen Reinraum einzurichten.	Concerning innovation, quality and cost the company CiS is able to compete worldwide. The excellent market position forces the company to extend the fabrication to 3 shifts. It is planned to install a new clean room facility within the next years to face future demands.
Die Arbeiten zum Wissenschaftstransfer wurden durch Sonderzuwendungen der Max-Planck-Gesellschaft gefördert. Die europäische Raumfahrtagentur ESA hat das MPI-HLL im Rahmen des TRP Programms unter ESTEC 14807/00NL/NB gefördert. Die Dr. Johannes Heidenhain-Stiftung unterstützt diese Arbeiten seit 1996.	Our know-how transfer projects are supported by the Max-Planck-Gesellschaft. The European Space Agency (ESA) supported The MPI-HLL in the context of the TRP Program under ESTEC 14807/00NL/NB. The Dr. Johannes Heidenhain-Stiftung has supported our work since 1996.

MPE Jahresbericht 2001 / MPE Annual Report 2001