SMÅ FUNKTIONELLA KOMPONENTER

Transkript

1 FÖRSTUDIE INOM PROGRAMMET EXPERTKOMPETENS RÖRANDE SMÅ FUNKTIONELLA KOMPONENTER BASERADE PÅ MIKRO- OCH NANOSYSTEMTEKNIK JAN SÖDERKVIST OCH OLLE VOGEL 7 MARS 2004 Förstudie Små Funktionella Komponenter 1 (69)

2 Innehållsförteckning 1 UPPDRAG SAMMANFATTNING BAKGRUND KK-STIFTELSENS EXPERTKOMPETENSPROGRAM CENTRALA BEGREPP MIKROSYSTEMTEKNIK NANOSYSTEMTEKNIK TILLVÄXT OCH NATIONELL BETYDELSE TILLÄMPNINGSOMRÅDEN MIKROKOMPONENTER OCH NANOSYSTEM ANDRA SAMHÄLLSPERSPEKTIV NATIONELL BAS MIKRO- OCH NANOSYSTEMTEKNIK LYFTS FRAM INOM ENTREPRENÖRSKAP OCH NYFÖRETAGANDE NATIONELLA AKTÖRER INOM FORSKNING OCH UTVECKLING KUNSKAPSCENTRA FÖRETAGS ATTITYDER OCH KOMPETENSBEHOV BEHOV AV KUNSKAPSUPPBYGGNAD VILKA KAN STIMULERA EN BRED INDUSTRIELL UTVECKLING AV TEKNIKOMRÅDET? SLUTSATSER OCH REKOMMENDATION REFERENSER BILAGOR B1 MIKROSYSTEMTEKNIK EN ÖVERBLICK B2 BENNETGRUPPEN: NANOTEKNIK B3 LÄRANDETS PARADOX VID MINDRE FÖRETAGS UTVECKLING OCH TILLVÄXT B4 KONTAKTADE FÖRETAG OCH ORGANISATIONER Förstudie Små Funktionella Komponenter 2 (69)

3 1 Uppdrag En förstudie av området Små Funktionella Komponenter baserade på mikro- och nanosystemteknik ska genomföras för att utreda hur väl det är lämpat för en satsning inom programmet Expertkompetens skräddarsydda utbildningar för Sveriges företag. Studien ska beskriva området och belysa dess tillväxt och nationella betydelse samt ange var spetskompetens finns i Sverige. Studien skall vidare innehålla en inventering av kompetensbehov innehållsmässigt och volymmässigt samt identifiera viktiga delområden som bör prioriteras i en satsning. Förstudien utgör ett underlag för beslut om fortsatta åtgärder i KK-stiftelsen. Förstudie Små Funktionella Komponenter 3 (69)

4 2 Sammanfattning Med Mikro- och nanosystemteknik avses här teknik för att konstruera och tillverka funktionella komponenter och system där små dimensioner är avgörande för funktion och/eller prestanda (prefixen mikro- och nano- åsyftar karaktäristiska längder). Produkter baserade på sådan teknik kan ofta ges överlägsna lösningar avseende prestanda, effektivitet, flexibilitet och miljövänlighet och förväntas få tillämpningar inom de flesta samhällsoch industrisektorer inte minst genom att integrera mikro- och nanosystemteknik med IT och bioteknik. Av dessa skäl bedöms den framtida ekonomiska betydelsen av mikro- och nanosystemteknik vara av samma storleksordning som för tillämpningar av IT och bioteknik. Användning av Små Funktionella Komponenter möjliggör ett effektivare utnyttjande av våra begränsade resurser och en minskad miljöpåverkan samt förbättringar inom sjukvård och i säkerhetsfrågor. Följande exempel visar på existerande tillämpningsområden som inte hade kunnat utvecklas på ett kostnadseffektivt sätt i nuvarande takt utan tillgång till mikrosystemteknik: - Datorer: Hårddiskar med små, snabba mekaniskt rörliga system och bläckstråleskrivare med vätskesystem som innehåller små munstycken/hål, kanaler och pumpar. - Bilsäkerhet: Intelligenta sensorsystem. - Miljö: Tillförlitliga sensorer för motorkontroll i fordon. - Bioteknikområdet: Snabb DNA-analys med mycket små provmängder och billiga och snabba analyssystem för engångsbruk hos husläkare. - Medicin: Pacemakers och hörapparater som kräver mycket små och pålitliga system och blodtrycksmätning vid kranskärlsoperationer. Den totala världsmarknaden för mikrosystem har uppskattats till 68 miljarder dollar år 2005, med en genomsnittlig årlig marknadstillväxt på 20% för perioden 2000 till Vidare gäller att teknikområdets utveckling idag till stor del drivs av behov inom branscherna telekom, fordon och medicin/läkemedel, som ju har en avgörande betydelse för Sveriges ekonomiska ställning och inom vilka vi har en stark vetenskaplig bas. Den starka position som multinationella företag har inom dessa branscher i Sverige innebär vidare att det finns goda förutsättningar för utveckling av nya företag t.ex. genom avknoppningar från de större företagen eller den akademiska sfären. Nanovetenskap och nanosystemteknik är i dag ett av de mest strategiska forskningsområdena med en stor industriell potential. Stora satsningar görs internationellt med USA och Japan i spetsen. Nanoforskning har en central plats i EU:s sjätte ramprogram där 1,3 miljarder euro har reserverats för nanoteknologi och multifunktionella material. Därutöver finns resurser avsatt i andra tematiska områdena såsom nanoteknik i IT, medicin, etc. Industriellt ligger nanosystemområdet i många delar långt efter mikrosystemområdets varför marknadspotentialen för nya produkter är svår att kvantifiera, men när tekniken blivit etablerad kan man förvänta att den finner tillämpningar inom praktiskt taget alla industrigrenar. För att utvärdera företagens intresse för området Små Funktionella Komponenter har intervju- och enkätstudier genomförts. Härvid har nästan 100 svenska små- och medelstora företag (SMF), några större systembyggande företag och några särskilt sakkunniga kontaktats. Företagen var förhållandevis okunniga om teknikområdet. Trots detta fanns ett stort intresse för teknikområdets möjligheter. Vidare ser många företag ett behov av en kompetens- och affärsutveckling för att stärka sin konkurrensförmåga. Man anser också det angeläget att ha goda kontakter och samverkan med universitet, högskolor och institut som ett led i en sådan utveckling. Mikrosystemområdet har nått en mognad som gör att det börjar bli tillämpningsstyrt. Detta medför att det med rätt typ av kompetenshöjande insatser kan fås en stor industriell utväxling. För nanosystemområdet är en förväntad utväxling lägre eftersom dess industrialisering inte kommit lika långt. Programmet Små Funktionella Komponenter föreslås därför primärt inriktas mot mikrosystemteknik. Förstudie Små Funktionella Komponenter 4 (69)

5 För att möta rådande marknadssituation rekommenderas en uppdelning av Små Funktionella Komponenter i två faser. Under den första fasen, på ca 2 år, fokuseras på att marknadsföra mikrosystemområdets möjligheter och att få ett begränsat antal företag att påbörja en kompetensutveckling inom området. I den efterföljande fasen omvandlas den initierade industriella efterfrågan till att företagen går in i verkliga utvecklingsprojekt stöttade genom programmet Små Funktionella komponenter. Under hela projekttiden arbetas också med nanosystemteknikens möjligheter. Ett nära samarbete med de fem existerande programmen inom Expertkompetensprogrammet kan förväntas. Den erfarenhet och det breda kontaktnät dessa byggt upp mot SMF kan här ses som en gemensam nationell resurs och som en del av Sveriges innovationssystem. De kan även assistera med kompetens inom de viktiga kompletterande områdena elektronik, system, produktion och affärsutveckling. Detta gör att startsträckan för en satsning på Små Funktionella Komponenter förväntas vara kort. Av studien framgår att mikro- och nanosystemteknik väl svarar mot urvalskriterierna avseende ekonomisk framtida betydelse samt att området är kvalitativt nydanande och förväntas ge nya värdeskapande strukturer i näringsliv och högskolesfär. Vidare kan man dra slutsatsen att företag som medverkar i en kommande satsning kommer att stärka sin konkurrensförmåga. När det gäller målgruppsföretag talar områdets betydelse i Sverige och globalt starkt för att antalet på sikt kommer att vara betydande. Utifrån urvalskriterierna för områden inom programmet Expertkompetens kan man därför dra slutsatsen att mikro- och nanosystemteknik är en mycket god kandidat för en satsning. Vi bedömer att en satsning från KK-stiftelsen har en stor betydelse för teknikområdets nationella utveckling och tillväxt och rekommenderar därför att Små Funktionella Komponenter startas på föreslagen nivå. Förstudie Små Funktionella Komponenter 5 (69)

6 3 Bakgrund Ny kunskap tas fram allt snabbare genom forskning och utveckling på högskolor och forskningsinstitut jorden runt. Företag som i samverkan med dessa förmår att tidigt fånga upp och föra in ny relevant kunskap i sina produkter får ett övertag. Även högskolorna vinner på denna samverkan genom att höja sin kunskap om företagens utvecklingsbehov samt de bakomliggande behoven hos individ, organisation och samhälle, det vill säga grunden för företagens marknad. Många små och medelstora företag (SMF) saknar resurser för att själva organisera kvalificerad utbildning för personal med nyckelfunktioner. Ofta saknar de också egna kontakter med universitet, högskolor och industriforskningsinstitut och har därför svårt att följa den globala kunskapsutvecklingen. Behovet av utbildning och breda kontaktnät mot externa kompetensleverantörer är särskilt stort inom teknikområden som är multidisciplinärt såsom det föreslagna området Små Funktionella Komponenter baserade på mikro- och nanosystemteknik. 3.1 KK-stiftelsens Expertkompetensprogram För att möta företagens behov av kompetensutveckling initierar KK-stiftelsen sedan 1999 genom programmet Expertkompetens skräddarsydda utbildningar för Sveriges företag (Expertkompetens) utbildningssatsningar inom viktiga tillväxtområden. Programmets mål är att bidra till dels kompetensutveckling och tillväxt, främst bland små och medelstora företag (SMF), i hela landet, dels utveckling av nya nätverk för kompetensutveckling och kompetensöverföring mellan företag, högskolor, universitet och industriforskningsinstitut. En underliggande strategi för programmet är att de områden som väljs ut ska vara tillräckligt utvecklade/mogna för att kunna tillämpas i många olika sammanhang utan att det krävs en forskningsbaserad utveckling hos berörda företag. Vidare gäller att programmet är inriktat på SMF som är etablerade på en marknad, det vill säga företag som har en god kännedom om sina kunder och deras behov av produktförbättringar. Detta industriella tillämpningsperspektiv gör att många SMF kan stärka sin kompetens och konkurrensförmåga genom de former för kunskapsöverföring mellan akademi och företag som erbjuds inom programmet Expertkompetens. För val av område att satsa på gäller att hela satsningen bör involvera många olika delar av näringslivet och att varje område bör uppfylla följande kriterier: - Området skall vara under stark tillväxt, eller ha stor betydelse för stark tillväxt, och vara nationellt viktigt - Spetskunskaper skall till stor del finnas på samverkande högskolor, universitet och industriforskningsinstitut - Antalet målgruppsföretag skall på sikt vara betydande - Utbildningarna på spetsnivå skall väsentligt stärka konkurrenskraften hos små och medelstora företag - Området skall innebära en kvalitativ nydaning och förväntas ge nya värdeskapande strukturer i näringsliv och högskolesfär Hittills har fem kompetensområden valts ut: Intelligenta produkter tekniq, Livsmedel-bioteknik meny, Strategisk affärsutveckling kraft, Upplevelseindustrin och Industriell produktframtagning prodesign. Vidare har området Mikro- och nanosystemteknik identifierats som en god kandidat för en ny satsning inom programmet. Verksamheten inom Expertkompetensprogrammet skall utgå från företagens behov. Därför är det nödvändigt att få belyst företagens förväntningar på de områden som utgör kandidater för nya satsningar inom programmet liksom företagens inställning till samverkan med universitet, högskolor och forskningsinstitut. Detta har motiverat en utredning för att dels göra en grundlig Förstudie Små Funktionella Komponenter 6 (69)

7 belysning av området Små Funktionella Komponenter baserade på mikro- och nanosystemteknik innefattande en prövning av kriterierna ovan (avrapporteras nedan), dels utveckla en projektplan som tar till vara de erfarenheter och nätverk som byggts upp inom programmet Expertkompetens (avrapporteras i en separat rapport). 3.2 Centrala begrepp Teknikområdena mikrosystemteknik och nanosystemteknik, som överlappar varandra, angränsar bl. a. till finmekanik, mikroelektronik, bioteknik och molekylär materialteknik och är etablerade och dynamiska forskningsområden. Med mikrosystemteknik och nanosystemteknik avses här teknik för att konstruera och tillverka funktionella komponenter och system där små dimensioner är avgörande för funktion och/eller prestanda. Dessa mikrokomponenter och nanokomponenter kan utföra specifika funktioner men måste ingå i ett system för att bli hanterbara. Mikrosystem och nanosystem byggs upp av en eller flera ingående mikro- och nanokomponenter. Exempel på komponenter är mikrosensorer och fullerener (nanoklot). Begreppen nanosystem och nanosystemteknik är inte etablerade, men är lämpliga att använda i analogi med begreppen mikrosystem och mikrosystemteknik. I båda fallen betonas att en användbar funktion fås först när de små delarna ingår i ett hanterbart system. Ur ett industriellt tillämpningsperspektiv finns därför väsentliga likheter mellan mikrosystemteknik och nanosystemteknik även om det finns en stor skillnad i mognadsgrad. Utifrån ett inomvetenskapligt perspektiv finns däremot avgörande skillnader t ex när det gäller användbara teoretiska modeller och experimentella metoder även om det även här finns överlapp. Eftersom studiens utgångspunkt är ett industriellt tillämpningsperspektiv används den sammansatta benämningen mikro- och nanosystemteknik om inte specifikt det ena eller det andra området diskuteras. Vidare används benämningen Små funktionella komponenter baserade på mikro- och nanosystemteknik för att tydligt markera att det är möjligheter att utveckla industriella tillämpningar som är i fokus och inte att åstadkomma en inomvetenskaplig lägesbeskrivning. Med Små Funktionella Komponenter avses i det följande Små funktionella komponenter baserade på mikro- och nanosystemteknik. Prefixen mikro- och nano- åsyftar karaktäristiska längder. 1 mikrometer (1 µm) är 0,001 mm och 1 nanometer (1 nm) är 0, mm. 3.3 Mikrosystemteknik Mikrosystemteknik rör strukturer vars egenskaper på ett avgörande sätt beror på detaljer med dimensioner i mikroskala, det vill säga större än ca 0,1µm och mindre än ca 100 µm. Att arbeta i små dimensioner erbjuder ofta revolutionerande möjligheter att till låg kostnad uppnå prestanda, effektivitet, flexibilitet och miljövänlighet som vida överstiger vad konventionella lösningar erbjuder. Exempel på aspekter som kan tala för användandet av mikrosystem är: - Bättre prestanda - Reducerad kostnad - Nya och fler funktioner - Reproducerbarhet och robusthet - Miniatyrisering av system (vikt, storlek) - Minimering av energi- och materialåtgång - Kompetensutveckling för framtida tillämpningar Exempel på tillämpningar av mikrosystem är trycksensorer i medicintekniska sammanhang, vätskesystem och DNA-chip för genanalys, accelerometrar för krockkuddar, kompakta och energisnåla sensorer för hörapparater, pacemakers och implanterbara insulinpumpar, bläckpatroner för skrivare samt läs- och skrivhuvuden för hårddiskar. Vardagliga tillämpningar såsom kontroll av Förstudie Små Funktionella Komponenter 7 (69)

8 sugeffekt i dammsugare och avancerade stegräknare i sportskor visar att det är företagens fantasi som sätter gränsen för hur bred användningen av mikrosystem kommer att bli. NEXUS, den Europeiska branschorganisationen inom området, har gjort en undersökning av marknad och utvecklingstrender som publicerades år De framhåller att den totala världsmarknaden för mikrosystem år 2000 var 30 miljarder dollar och att den förväntas växa till knappt 68 miljarder dollar år Detta kan jämföras med en tillväxt på 300 miljarder dollar för världsmarknaden för elektronikkretsar i slutet av 90-talet. Den genomsnittliga årliga marknadstillväxten för de produkter som NEXUS studerade beräknas vara 20% för perioden 2000 till Dessa siffror är i linje med de i amerikanska studier. Området är strategiskt för svensk industri: IT, fordon, medicin och bioteknologi är exempel på områden som bedöms ha mycket stor nytta av mikrosystem inom dessa områden har vi även en stark vetenskaplig bas. Den industriella tillväxten av svenska tillämpningsinriktade företag som utnyttjar mikrosystem har inte motsvarat förväntningarna. En bidragande orsak är att de akademiska forskningsmiljöerna väsentligen saknar incitament för att synliggöra hur tekniken kan tillämpas. Företagen och särskilt SMF är i allmänhet okunniga om mikrosystemteknikens möjligheter. Trots detta har intresset från SMF varit stort vid de presentationer av teknikområdet som gjorts i denna studie. Mer information om mikrosystemteknik finns i bilaga B Nanosystemteknik Nanosystemteknik rör material och strukturer vars egenskaper på ett avgörande sätt beror på dimensioner i nanoskala, det vill säga större än ca 0.1 nm och mindre än ca 100 nm (100nm = 0,1 µm = mm). Vanligen krävs att strukturerna ska vara små i fler än en dimension, vilket exkluderar tunna skikt. Man kan ändå anse att skikt med tunnhet i nanoskala och hög funktionalitet tillhör området. Nanovetenskap och nanosystemteknik är i dag ett av de mest strategiska forskningsområdena med en stor industriell potential. Stora satsningar görs internationellt med USA och Japan i spetsen. Nanoforskning har en central plats i EU:s sjätte ramprogram där 1,3 miljarder euro har reserverats för nanoteknologi och multifunktionella material. Därutöver finns stora resurser avsatta i andra tematiska områden såsom nanosystemteknik i IT, medicin, etc. Den svenska framtidsstudien Teknisk Framsyn från år 2000 pekar på nanosystemtekniken som ett viktigt och strategiskt forskningsområde, en uppfattning som också framförs i nu pågående Teknisk Framsyn. Nanosystemteknik är ett utpräglat tvärvetenskapligt område där man strävar efter att styra och kontrollera strukturen hos material och komponenter ända ner på atom- och molekylnivå. Detta kan göras genom att förfina tekniker i mikrosystemområdet så att de uppnår en upplösning på nanonivå ( top-down ) eller genom att syntetisera strukturer med atomer och molekyler som byggelement ( bottom-up ). Nanosystemteknik är inte ny utan har tillämpats sedan länge inom t.ex. fysik och kemi. Det unika idag är att den förenar materialteknik, informationsteknologi och bioteknik och föder ett samarbete mellan fysiker, kemister, biologer m.fl. Troligen har det aldrig tidigare funnits ett så brett, tvärvetenskapligt arbetsfält där olika forskargrupper naturligt kan samverka på. Nanosystemteknik brukar delas in i tre huvudsakliga tillämpningsområden: elektronik, materialvetenskap och biokemi/medicin. Inom elektronik är det kvantmekaniska effekter som används för att skapa nya typer av elektroniska komponenter t.ex. för datalagring. Inom materialvetenskap inriktas på nya material med förbättrade egenskaper såsom ytor som är reptåliga eller smutsavstötande. Inom biokemi och biomedicin vill man t.ex. mäta substanser med extrem noggrannhet, göra ett labb på ett chip och skapa nya och bättre läkemedel. Ytterligare ett område som kan identifieras är mikroskop med nanoupplösning. Detta är exempelvis viktigt för analys och undersökningar inom forskning och utveckling och vid kvalitetskontroll av produkter där strukturen på nanonivå är av kritisk betydelse. Förstudie Små Funktionella Komponenter 8 (69)

9 Idag är nanosystemteknik ett område som fortfarande främst tillämpas i den akademiska världen och i forskningsrelaterade företag. För en bredare industriell användning krävs bl. a. att en uppsättning rationella design- och tillverkningsmetoder utvecklas. Innan sådana kan erbjudas kommer nanosystemteknik att användas i endast ett mindre antal specifika tillämpningar. Industriellt ligger nanosystemområdet i många delar långt efter mikrosystemområdet. Marknadspotentialen för produkter baserade på nanosystemteknik är därför svår att kvantifiera, men när tekniken blivit etablerad kan man förvänta att den finner tillämpningar inom praktiskt taget alla industrigrenar. Därför kan nanosystemteknik ur ekonomisk synvinkel komma att bli väl så betydelsefull som IT och bioteknik. Att på ett tidigt stadium stärka en industriell efterfrågan kommer att ge Sverige en internationell konkurrensfördel. Mer information om nanosystemteknik finns i bilaga B2. Förstudie Små Funktionella Komponenter 9 (69)

10 4 Tillväxt och nationell betydelse Framtidens produkter måste vara pålitliga, resurssnåla och hålla ett konkurrenskraftigt pris. De kommer i allt högre grad att baseras på elektronik och nya material. Vidare ska de klara av fler uppgifter, dvs. tillhandahålla en ökad funktionalitet, och vara användarvänliga för att öka kundnyttan. Samtliga dessa värden kan Små Funktionella Komponenter bidra till att uppfylla. Mikro- och nanosystem är multidimensionella i många aspekter. De kan såväl användas för att vidareutveckla befintliga produkter eller tillverkningsmetoder som utgöra grunden för helt nya. Små Funktionella Komponenter har därför stor betydelse för hela tillverknings- och processindustrin. Den NEXUS-studie av världsmarknaden och utvecklingstrender för mikrosystem som berördes i avsnitt 3.3 kommer att återges i mer detalj nedan. Studien bygger till stor del på branschaktörernas egen bedömning. En jämförelse med NEXUS tidigare prediktioner från 1998 med verkligt utfall och med andras studier gör att prediktionerna framstår som seriösa. De baserar sin marknadsanalys på priset för den minsta kommersiellt tillgängliga del som innehåller mikrokomponenter. Exempelvis har för bläckstråleskrivare priset för bläckpatronen utnyttjats och inte det för patronens pump, vätskekanaler och små hål. NEXUS har beräknat den ekonomiska hävstångseffekten för mikrosystem, dvs. förhållandet mellan hela produktens värde och ingående mikrokomponenter, till 10-50, beroende på produkttyp. Detta betyder att mikrosystems totala marknadsinverkan är klart större än de siffror som visas i efterföljande tabeller. NEXUS betonar också att marknaden för mikrosystem är stabilare än för halvledarindustrin som har ett tydligt cykliskt konjunkturberoende. När studien publicerades 2002 hade marknaden för mikrosystem inte heller uppvisat samma konjunktursvängningar som exempelvis telekombranschen. 4.1 Tillämpningsområden Tillämpningar inom bilindustrin var den mest betydande drivkraften under den tidiga kommersialiseringen av mikrosystem i början av 90-talet. Idag har andra områden såsom biomedicinska och IT-relaterade tillämpningar tagit över initiativet; exempelvis kommer utvecklingen mot allt högre frekvenser inom telekommunikation att driva fram nya, små och strömsnåla komponenter med goda högfrekvensegenskaper. Följande visar exempel på existerande produktområden som inte hade kunnat utvecklas kostnadseffektivt utan tillgång till mikrosystemteknik: - Datorer: Hårddiskar med små, snabba mekaniskt rörliga system och bläckstråleskrivare med vätskesystem som innehåller små munstycken/hål, kanaler och pumpar. - Bilsäkerhet: Intelligenta sensorsystem. - Miljö: Tillförlitliga sensorer för motorkontroll i fordon. - Bioteknikområdet: Snabb DNA-analys med mycket små provmängder och billiga och snabba analyssystem för engångsbruk hos husläkare. - Medicin: Pacemakers och hörapparater som kräver mycket små och pålitliga system och blodtrycksmätning vid kranskärlsoperationer. För produktområden under stark utveckling och för helt nya produkter är framtida marknadsbedömningar svåra att göra. Det snabba genombrottet för optiska möss förutsågs exempelvis inte för något år sedan. Svårbedömda områden idag inkluderar mikrodisplayer, optisk telekommunikation, implanterbara doseringssystem för medicin och nya biochip. Tabell 1 över marknadsvärdet för mikrosystem visar en förväntad stark tillväxt och att tillämpningar finns inom många olika områden. Mikrosystem behandlas i avsnitten och nanosystem i Förstudie Små Funktionella Komponenter 10 (69)

11 Tabell 1: Mikrokomponenter fördelat på tillämpningsområde [miljoner dollar] År 2000 År 2005 IT Medicinsk teknik/biomedicin Fordon Konsumentvaror Telekommunikation Övrigt Summa IT År 2000 såldes mer än 230 miljoner datorer till ett marknadsvärde av ca 330 miljarder dollar. Utvecklingen går mot högre prestanda, mer komplicerade system och mot multimedia för privatmarknaden samtidigt som priserna sjunker. Dessutom gäller att områdena datorer och spel, TV och video respektive telefoni får allt större överlapp. Nya värdekedjor och affärsmöjligheter uppstår. Noterbart är att mindre än två procent av världens tillverkade mikroprocessorer används i datorer. Den största användningen är att via inbyggda system ge vanliga produkter ökad intelligens och funktionalitet. Små Funktionella Komponenter är viktiga för att ge kunden ett mervärde via datorers periferiutrustning och inbyggda systems sensorfunktioner. För användning av datorer har mikrosystem varit en nödvändighet för utveckling av bläckstråleskrivare (vätskesystemet), hårddiskar och CD/DVD (läs- och skrivhuvudet), datorprojektorer (spegelmatriser) och optiska möss. Detta gäller också för kommande små näraögat-displayer som projicerar bilden direkt mot ögat i t.ex. kameror och headsets samt för skrivare för storformatsbilder. Mikrosystem kan också göra det enklare att använda datorkapacitet/it i vardagsprodukter och utbildningsmaterial. Exempelvis har LEGO lanserat produktserien Mindstorms där barn och självklart också vuxna kan bygga robotar som kan förflytta sig och känna av (sensorer) och påverka omgivningen (aktuatorer) via en enkel datorprogrammering. LEGO följer utvecklingen av mikrosystem noga vid framtagning av nya byggblock för Mindstorms. Förstudie Små Funktionella Komponenter 11 (69)

12 Tabell 2a: Mikrokomponenter för IT-tillämpningar [miljoner dollar] År 2000 År 2005 Bläckpatroner Läs/skrivhuvuden Optiska möss Mikrodisplayer Gyron Magneto-optiska huvuden Mikromotorer - 20 Summa SNIkod Tabell 2b*: Antal svenska företag verksamma inom några områden relaterade till IT Benämning Storleksklass (efter antal anställda) Summa Tillverkning av kontorsmaskiner Tillverkning av datorer och annan informationsbehandlingsutrustning *) Underlaget till tabellerna 2b, 3b, 4b, 5b och 6b är hämtad från SCB och representerar alla företagsformer. I tabellerna har företag med 0 och 1-4 anställda exkluderats då dessa bedöms inkludera många enskilda firmor och handelsbolag för vilka tillväxtpotentialen bedöms låg Medicinsk teknik och biomedicin Den sammanlagda sjukvårdskostnaden i världen ligger på miljarder dollar per år, inkluderandes 140 miljarder dollar för medicinska instrument och 400 miljarder dollar för läkemedel. Detta är en av flera faktorer som gör medicinsk teknik och biomedicin till några av de viktigaste tillväxtområdena för mikrosystemteknik. Utvecklingen inom medicinsk teknik och biomedicin kommer att ha stor inverkan på sjukvård och människors hälsa. Potentialen att sänka kostnaden för landsting är stor samtidigt som livskvaliteten för patienter kan ökas, diagnostiken av sjukdomar förbättras och vistelsetiden på sjukhus förkortas. Här krävs en omfattande revision av hela sjukvårdsorganisationen för att till fullo ta tillvara dessa möjligheter. För att ge ett perspektiv så finns det i USA 16 miljoner diabetespatienter, 20 miljoner astmatiker och 13 miljoner hjärtinfarktspatienter. Sjukvårdskostnaden för dessa är 120, 13 respektive 20 miljarder dollar årligen. Mikrosystem kan förväntas sänka denna kostnad via t.ex. implanterbara insulinpumpar, inhalatorer och förbättrade möjligheter vid kranskärlsoperationer. Några av motiven för att gå ned i storlek på analyssystem i labbet är att minska kostnaden för reagens och öka hastigheten på mätningarna. Då mängden tillgänglig provmängd är liten ger mikrosystem en avgörande fördel, t.ex. vid DNA-analys. Förstudie Små Funktionella Komponenter 12 (69)

13 Inom medicinsk teknik vävs biologi, kemi och elektronik samman med mikro- och nanosystemteknik. Denna tvärvetenskap bidrar till att en mycket stark utveckling kan förväntas. Exempelvis är marknaden för biochip förhållandevis ny och har inte nått mättnad. Utrymme finns fortfarande för nya aktörer, möjligtvis med undantag för DNA-analys där ett stort antal konkurrerande företag redan har startats. Små Funktionella Komponenter påverkar flera områden inom medicinsk teknik och biomedicin. Följande är några exempel där mikrosystem spelar, eller kommer att spela, en avgörande roll: - Analys: DNA-analys, lab-på-ett-chip av engångstyp Små, billiga, tillförlitliga fluidsystem, aktuatorer och sensorer behövs. - Implantat: Implantat för automatisk dosering av läkemedel, pacemakers, och anslutningar till nervceller Små, strömsnåla, tillförlitliga sensorer och aktuatorer behövs. - Medicinteknisk utrustning: Hjälpmedel vid forskning och utveckling av medicin Små, strömsnåla, tillförlitliga sensorer och aktuatorer behövs. - Operationer: Titthålskirurgi, blodrening vid hjärtkirurgi och karaktärisering av förträngningar vid kranskärlsoperationer Små, tillförlitliga aktuatorer, fluidsystem och sensorer behövs. - Patientövervakning: Glukosmätare, akutsjukvård, hemsjukvård och hälsoövervakning Enkla, tillförlitliga sensorer behövs. - Robotar: Vård och hjälp i hemmet och på sjukhus Tillförlitliga sensorer kombinerade med inbyggd intelligens behövs. - Rehabilisering: Övervakning och stimulering av patienters rörelser Tillförlitliga sensorer behövs. Tabell 3a: Mikrokomponenter för medicinsk teknik och biomedicin [miljoner dollar] År 2000 År 2005 In vitro diagnostik Pacemakers Biochip Hörapparater Implanterbara mikropumpar Inhalatorer Nålfri injektion Mikrospektrometrar 8 75 Trycksensorer Mikromotorer - 20 Flödessensorer Summa Förstudie Små Funktionella Komponenter 13 (69)

14 Tabell 3b: Antal svenska företag verksamma inom några områden relaterade till medicinsk teknik och biomedicin SNIkod Benämning Tillverkning av medicinsk utrustning och instrument Medicinsk och farmaceutisk forskning och utveckling Storleksklass (efter antal anställda) Summa Fordon och transport Årligen produceras ca 50 miljoner fordon varav ca 75% är personbilar. Av en bils förädlingsvärde kan ca 20% relateras till ingående elektroniska komponenter. I lyxbilar kan det finnas mellan sensorer, varav ca 30% baseras på mikrosystemteknik. Inom fordonsindustrin, som är en massmarknad med höga krav på tillförlitlighet och stark priskonkurrens, insågs tidigt möjligheterna med mikrosystem. Små Funktionella Komponenter, och då främst mikrosensorer, används i fordon för att öka säkerhet och komfort samt för att minska energiförbrukning. De utnyttjas för att styra t.ex. krockkuddars utlösning och aktiva stabiliseringssystem (accelerometrar, gyron, inklinometrar), klimatanläggningar (flödessensorer, trycksensorer, elektroniska näsor) och motorkontroll (trycksensorer, munstycken). Nya lagar påverkar också utvecklingen. Miljökrav gör att effektivare motorer med ökad intelligens måste utvecklas. En kommande lag i USA kräver att alla bilar skall utrustas med system som varnar om däcken förlorar tryck. Bäst prestanda, och därmed säkraste system, fås med system som aktivt mäter trycket. Konsumentundersökningar visar att bilköpare i de flesta fall inte är beredd att betala mer för ökad säkerhet. Det betyder att dagens säkerhetsnivå inte skulle kunna hållas om mikrosensorer inte fanns. Exempelvis skulle krockkuddesystemen få sämre prestanda i brist på kostnadseffektiva accelerometrar (se avsnittet Drivande faktorer i bilaga B1), vilket skulle leda till fler skadade och förolyckade människor. Fordonsindustrin är sektionerad med komponentleverantörer, systemleverantörer och fordonstillverkare (systembyggare). Den hårda konkurrensen har medfört att det inom varje industriell sektion finns allt färre leverantörer. Tillförlitlighetskraven har också lett till att det är svårt att som ny leverantör slå sig in på marknaden. Bäst tillfälle kommer vid teknikskiften, vilket t.ex. utnyttjades av norska SensoNor och finska VTI Hamlin när de etablerade sig som leverantörer av accelerometrar till fordonsindustrins systemleverantörer. Inom transportsektorn har förbättrad logistik, kvalité och säkerhet varit motiv för införande av mikrosystem. Utvecklingen går mot elektroniska märkbrickor för identifiering och övervakning som kan registrera var enskilt gods har varit och varit med om under transport (temperatur, rörelse, position, tid, icke-auktoriserad öppnande, identifiera godset, etc.). Speciellt efter 11 septemberdådet har detta blivit ett mycket aktivt område i USA inom deras program för hemlandssäkerhet. Även livsmedelsindustrin vill övervaka transporter och få sensorer i förpackningar som kan varna innan mat riskerar att bli hälsovådlig. För trafikövervakning/trafikreglering kan också en stark utveckling av mikrosystem förväntas. Förstudie Små Funktionella Komponenter 14 (69)

15 Tabell 4a: Mikrokomponenter för fordonstillämpningar [miljoner dollar] År 2000 År 2005 Trycksensorer Gyron Accelerometrar Flödessensorer Inklinometrar (lutningsgivare) HVAC (värme, ventilation, luftkonditionering) Summa SNIkod Tabell 4b: Antal svenska företag verksamma inom några områden relaterade till fordon och transport Benämning Storleksklass (efter antal anställda) Summa Motorfordonstillverkning Tillverkning av traktorer Tillverkning av andra jord- och skogsbruksmaskiner Tillverkning av delar och tillbehör till motorfordon och motorer Järnvägstransport Vägtransport av gods Godshantering Varulagring och magasinering Konsumentvaror Konsumentvaror utgör en av de största marknaderna för elektroniska system och elektronik, med en internationell omsättning på ca 90 miljarder dollar per år. Asien representerar den största marknaden (38%) följd av västra Europa (29%) och USA (27%). I Europa produceras årligen ca 16 miljoner tvättmaskiner, 12 miljoner kylskåp och ca 6-7 miljoner ugnar, diskmaskiner och spisar. Mindre hushållsmaskiner, såsom elvispar och brödrostar, omfattar 23 miljoner enheter och representerar 20-25% av den totala omsättningen för konsumentvaror. Tillverkningskostnaden för konsumentvaror kan grovt uppdelas enligt följande: 25-40% för mekanisk stomme, 33% för elektronik och kraftförsörjning, 20% för motorer och andra aktuatorer samt 15-20% för sensorer. Utnyttjandet av sensorer och andra mikrosystem har i många fall varit avgörande för att nå önskad funktionalitet. Noterbart är att utnyttjande av sensorer på senare tid har ökat dramatiskt. Några viktiga tillämpningsområden för mikrokomponenter i form av sensorer (mikrosensorer) är: Förstudie Små Funktionella Komponenter 15 (69)

16 - Flöde (trycksensorer) - Färg (spektrometrar) - Fukt (IR-sensorer, kapacitiva sensorer) - Gas (multigassensorer, elektroniska näsor) - Lutning (accelerometrar, lutningsgivare) - Vattennivå (tryckbrytare, magnetiskt aktiverade reläer) - Vibration (accelerometrar) - Vikt (piezoresistiva töjningsgivare) Konsumentvaror säljs på en massmarknad med en tuff priskonkurrens. En tumregel är att priset för ett enkelt mikrosystem endast i undantag får överstiga 3 dollar. Komponentantal i inledande serier kan vara enheter, för att växa till efter 3-5 år. Leverantörer måste oftast garantera prestanda och livslängd på ingående komponenter i år. Ett område under utveckling är det intelligenta hemmet, inklusive vård i hemmet, där konsumentnytta och miljöaspekter möts. En trend är att integrera olika funktioner. Det kan innebära gemensamma kontrollpaneler och -system för t.ex. ljus, värme, ventilation, säkerhet, hushållsapparater och TV/video/musik. Flera olika aktörer är inne på detta tema och försöker positionera sig. Exempelvis antar Electrolux att köket kommer att vara en central plats i huset och har därför utvecklat ett kylskåp som i dörren har en inbyggd dataterminal. Tabell 5a: Mikrokomponenter för konsumentvaror [miljoner dollar] År 2000 År 2005 Fingeravtryckssensorer Mikrodisplayer IR-sensorer Elektroniska näsor Trycksensorer Flödessensorer Mikromotorer - 20 Summa Tabell 5b: Antal svenska företag verksamma inom några områden relaterade till hushållsapplikationer SNIkod Benämning Tillverkning av kyl- och frysskåp, tvättmaskiner och andra vitvaror Tillverkning av övriga elektriska hushållsmaskiner och hushållsapparater Tillverkning av icke-elektriska hushållsmaskiner och hushållsapparater Storleksklass (efter antal anställda) Summa Förstudie Små Funktionella Komponenter 16 (69)

17 4.1.5 Telekommunikation Trots de senaste årens negativa utveckling av telekommarknaden kvarstår att mönster för kommunikation och umgänge har förändrats. Detta märks tydligast hos ungdomar med deras flitiga bruk av att sända kompakta meddelanden (SMS) och bilder (kameramobiler). Vårt behov av att söka och skicka information har ökat genom användandet av internet. Vi har blivit vana att snabbt få kontakt med våra vänner. Bra bildtelefoni och effektiv videokonferens kommer snart att vara en realitet när teknologin har mognat. Flödet av digitalt baserad kommunikation ökar, om än inte lika fort som det förutspåddes för några år sedan. Små Funktionella Komponenter utnyttjas i de moderna telenäten. Teknikområdet påverkar både nätsidan och terminalsidan via t.ex. linser, speglar, gitter, omkopplare, mekaniska positioneringsstrukturer av optiska fibrer, delar i kameror och RF-komponenter för filter. För terminaler, t.ex. mobiltelefoner, ger mikrosystem ökad funktionalitet kombinerat med lägre strömförbrukning, vikt och storlek. RF-komponenter för telekommunikation bedöms vara ett av de viktigaste tillväxtområdena för mikrosystemteknik. Telekommunikation är också en möjliggörare som kommer att påverka andra branscher. Att kunna föra över information och bild ökar möjligheten att gå från att sälja produkter till att sälja tjänster. Även kommunikation maskin-till-maskin (M2M) kommer att öka starkt där behovet normalt är hög säkerhet och tillgänglighet istället för stor bandbredd. Exempelvis har Scania utöver lastbilar även börjat sälja transporttjänster till speditörer i form av exempelvis förebyggande underhåll. De expanderar därmed sina aktiviteter på eftermarknaden med målet att lastbilarna skall hållas rullande dygnet runt. Ett led i detta är att lastbilar själva skall ringa och meddela behov av service och att Scania då ser till att en serviceverkstad står beredd vid nästa anhalt. Andra möjligheter är att speditörerna kan köpa en uppgradering av motorns mjukvara som ger extra hästkrafter när de t.ex. ska ta sig upp för branta backar i alperna. I båda fallen behövs elektronik och övervakning av lastbilen i form av många sensorer, som måste vara billiga, robusta och tillförlitliga. Detta öppnar upp en intressant marknad för Små Funktionella Komponenter. På liknande sätt kommer möjligheten att föra över information och bild att påverka samspelet mellan ambulanser, läkare på sjukhus och patienter i hemmet. Hemsjukvården kan utvecklas och delar av akutvården utföras i ambulanser. Detta kan sänka kostnaden för landstingen och ge patienten ökad livskvalitet. Sensorsystem kommer att vara en nödvändighet och behovet kommer att vara stort. Tabell 6a: Mikrokomponenter för telekommunikationssystem [miljoner dollar] År 2000 År 2005 Mikrodisplayer Komponenter för radiofrekvensområdet (RF) Optiska mikrosystem Mikromotorer - 20 Summa Förstudie Små Funktionella Komponenter 17 (69)

18 Tabell 6b: Antal svenska företag verksamma inom några områden relaterade till telekommunikation och elektronik SNIkod Benämning Tillverkning av elektroniska komponenter Tillverkning av radio- och TV-sändare samt apparater för trådtelefoni och trådtelegrafi Tillverkning av radio- och TV-mottagare samt apparater för upptagning och återgivning av ljud och videosignaler Storleksklass (efter antal anställda) Summa Övrig marknad för mikrosystem Ett flertal ytterligare tillämpningsområden finns som är beroende av komponenter baserade på mikrosystem. Exempel på sådana områden är: - Säkerhet: Personlig säkerhet, identifiering av individer, säkerhetskontroll av bagage och gods samt övervakning av gods under transport, speciellt i ljuset av 11 september 2001 och USA:s program för hemlandssäkerhet. - Miljöövervakning: Övervakning av föroreningar, utsläpp, vattenkvalitet och buller. - Livsmedelsindustrin: Processkontroll, kvalitetskontroll och förpackning. - Kemiska industrin: Mixning, dosering och provtagning. - Instrument och Processkontroll: Tillverkning och kraftanläggningar samt indirekt via ovanstående områden. - Upplevelseindustrin och Sport: Videospel, leksaker och robotar, logga kroppsrörelser och krafter. - Flygindustrin: Integrering, miniatyrisering, funktionalitet, förbättrad livslängd och kostnadsreduktion inom existerande system. - Försvarsindustrin: Tröghetsmoduler (IMU), inbyggda sensorer för förebyggande underhåll, identifierare, displayer, bio-kemiska sensorer, etc. Tabell 7a: Mikrokomponenter för övriga marknader [miljoner dollar] År 2000 År 2005 Fingeravtryckssensorer Trycksensorer IR-sensorer Mikromotorer 2 20 Accelerometrar 7 18 Summa Förstudie Små Funktionella Komponenter 18 (69)

19 4.1.7 Tillämpningsområden för nanosystem Nanosystemteknikens potentiella tillämpningar återfinns i de flesta av dagens industribranscher. Dessutom finns en stor potential för framväxt av nya branscher som bygger på tekniken. Industriellt är nanosystemområdet fortfarande jungfrulig mark, varför det är svårt att ge underbyggda bedömningar av marknadens expansion. Materialteknik, IT och bioteknik är de områden som ligger närmast ett genombrott i industriella tillämpningar. Några exempel på möjliga tillämpningsområden är: nya hårda ytbeläggningar, ultralätta och starka material, högeffektiva katalysatorer med skräddarsydd reaktivitet, sensorer (känsliga för vissa specifika molekyler, temperaturförändringar eller elektromagnetisk strålning), elektronikkomponenter gånger mindre än dagens, solceller med avsevärt ökad prestanda, mer effektiva och selektiva läkemedelsbärare som kan hitta till specifika celler, etc. Nanosystemområdets huvudsakliga tillämpningsområden kan delas in enligt följande: Nanoelektronik är väsentligen en utveckling av mikroelektronik mot än finare dimensioner, med syftet att utveckla allt kompaktare och energisnålare kretsar för exempelvis datorer. Man närmar sig raskt dimensioner som är så små att kvantfenomen blir märkbara, och nästa utmaning blir att utveckla komponenter baserade på singulära kvantmekaniska fenomen. Nanoelektroniska komponenter fungerar på grund av att de är små, och deras funktion bygger helt på kvantmekanik, till skillnad mot dagens mikroelektronikkomponenter som fungerar trots att de är små, och trots att kvantmekaniken börjar göra sig gällande. Nanomaterial i bulkform framställda av väldefinierade och funktionella nanopartiklar som kan ges mycket särpräglade egenskaper, t.ex. mycket hög hållfasthet och speciella optiska egenskaper. Nanosystemtekniken innebär främst en ytterligare förfining av den traditionella materialvetenskapen. Exempel på nanosystemteknik i materialvetenskap är nanokompositer, Sandviks Nanoflex-stål, starka eller elektriskt ledande kompositer med kolnanotuber och funktionella ytor. Dessa material bygger sin funktion på nanopartiklar och detta kan inte nås genom vanliga bulkprocesser. Molekylär nanosystemteknik (nano-bio) möjliggör framställning av material och strukturer med exakt tredimensionell positionering av individuella atomer och molekyler, med tillämpning inom en rad områden såsom katalys, medicindosering och elektronik. Delområden är nanobiologi och nanomedicin. Molekyler och biomolekyler har storlekar som ligger i nanometerområdet. För att betraktas som nanosystemteknik krävs att funktionen på ett avgörande sätt bygger på nanofenomen, på samma sätt som för nanoelektronik. Exempelvis är en kolloidlösning av magnetiska nanopartiklar täckta av sockermolekyler, eller en liten kapsel som rymmer 100 antikroppar, nanosystem, medan en lösning av enbart sockermolekyler eller antikroppar inte bör betraktas som ett sådant. Nanoverktyg såsom mikroskop med nanoupplösning som kommer till användning vid analys och undersökningar inom forskning och utveckling och vid tillverkningskontroll av produkter där strukturen på nanonivå är av kritisk betydelse Visionära exempel och tillväxtområden Det ovan sagda har främst berört konkreta produktexempel. Många nya produktidéer kan förväntas genom att föra samman tillämpningskunnande med entreprenöriellt nytänkande. Som ett illustrativt exempel på de möjligheter som mikrosystem erbjuder kan framtidens tvättmaskiner lyftas fram. Automatiskt programval kan komma att bli standard istället för att användaren väljer program. Detta blir möjligt genom att tvättmaskinen genom mikrosensorer bl.a. kan identifiera textiltyp och tvättmängd genom att fylla på en bestämd mängd vatten och registrera hur vattnet absorberas i tyget. Förstudie Små Funktionella Komponenter 19 (69)

20 Andra exempel på kända produktidéer som inte fanns i sinnevärden för ett antal år sedan och tänkvärda produktidéer är: - Sportskor som uppmuntrar barn att bli aktivare genom ett inbyggt system med rörelsesensor, lysdioder och summer - Robotdammsugare som själv känner av när och var det behöver dammsugas - Implanterat system i öga som mäter tryckökningen vid starr och styr medicinering - Metrev som består av en optisk fiber vars drag har en inbyggd kamera och som visar var fisken är, och som t.ex. utnyttjar mobiltelefonens display för att presentera bilder - Övervakning av djur på lantbruk och vid slakttransport - Spädbarnsövervakning kopplad till aktivering av rörelse av vaggan för att motverka plötslig spädbarnsdöd - Sensorer som kopplas till telefon för automatisk loggning och överföring av data till t.ex. läkare - Sensorer i blöjor för barn och inkontinenspatienter för att övervaka hälsotillstånd och om blöjan behöver bytas - Luktövervakning i kylskåp - Fuktstyrd fläkt i badrum Exemplen illustrerar att det är de tillämpningsinriktade företagens fantasi som sätter gränsen för hur bred användningen av mikro- och nanosystem kommer att bli. 4.2 Mikrokomponenter och nanosystem De tillämpningsinriktade företag som vill utnyttja Små Funktionella Komponenter kan i många fall utnyttja existerande mikrokomponenter. De slipper då arbetet och kostnaden med att egenutveckla sådana komponenter utan kan fokusera på den identifierade tillämpningen och en systemlösning. Insamling, bearbetning och överföring av information utgör centrala delar i många produkters funktion. För att insamla information behövs sensorsystem. Efter att insamlad information bearbetats ska normalt någonting i omgivningen påverkas vilket kräver aktuatorer och/eller resonatorer. I Tabell 8 nedan presenteras de vanligast förekommande komponentområdena, marknadsomsättningen år 2000 och förväntad sådan år 2005 enligt studien från NEXUS. Förstudie Små Funktionella Komponenter 20 (69)