Micro Technology and Medical
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Maschinenwesen
Mikrotechnische Sensoren / Aktoren - 1.Vorlesung
Willkommen
Technische Universität München
Lehrstuhl für Mikrotechnik und Medizingerätetechnik
o. Prof. Dr. Tim Lüth
1.Vorlesung
Mikrotechnische
Sensoren/Aktoren Dr. Irlinger
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Termine und Kontakt
Vorlesung
10 Termine inkl.
Gastvortrag
Do 13.00-14.30 Uhr
Übung 8 Termine
Do 14.30-15.15 Uhr
Lehrstuhlführung Vorletzter Vorlesungstermin
im Semester
Prüfung
Vsl. letzter
Vorlesungstermin im
Semester
90 min schriftlich
Vorlesung
Dr.-Ing. F. Irlinger
Raum MW 1106
Tel.: 289/15188
Übung
Dipl.-Ing. M. Kagerer
Raum MW 1128
Tel.: 289/15166
Unterlagen https://www.moodle.tum.de/
Termine Kontakt
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Inhalt der Vorlesung
• Einführung
• Werkstoffe der Mikrosystemtechnik
– Konstruktionswerkstoffe
– Funktionswerkstoffe
• Fertigungsverfahren
– Chipfertigung
– Mikrotechnik
– Feingerätetechnisch
– Verbindungstechnik
• Mikrotechnische Aktoren
• Mikrotechnische Sensoren
• Anwendungsbeispiele
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Gliederung
1) Motivation, Märkte und Begriffsdefinitionen, Silizum
2) Silizium als Konstruktionswerkstoff, Herstellung, Ver- und Bearbeitung
3) Piezokristall und Piezokeramik als Funktionswerkstoff
4) Piezoanwendungen und Formgedächtnislegierungen
5) Fertigungsverfahren der Mikroelektronik und Mikrotechnik
6) Verbindungstechnik und Rapid Prototyping
7) Aktoren – Grundlagen, physikalische Effekte, Randbedingungen in der MST
8) Anwendungen in der Mikrodosiertechnik
9) Sensoren – Grundlagen, physikalische Effekte
10) Anwendungen in der Mikrooptik, Laser, Glasfaser
11) Mikroskopie, Magnetische Messtechnik
12) Nanotechnologie
13) Führung durch den Lehrstuhl, Mess- und Versuchsaufbauten
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Literatur
1 Lehrbuch Mikrosystemtechnik: Anwendungen, Grundlagen, Materialien und Herstellung von Mikrosystemen;
N. Schwesinger, C. Dehne, F. Adler; 2008
2 Einführung in die Mikrosystemtechnik: Ein Kursbuch für Studierende;
G. Gerlach, W. Dötzel; 2006
3 Mikrosystemtechnik für Ingenieure;
W. Menz, J. Mohr, O. Paul; 2005
4 Praxiswissen Mikrosystemtechnik;
F. Völklein, T. Zetterer; 2006
5 Mikrosystemtechnik: Prozessschritte, Technologien, Anwendungen;
U.Hilleringmann; 2006
6 Fundamentals of Microfabrication (engl.): The Science of Miniaturization;
M. Madou; 2002
7 www.mstonline.de Portal zur Mikrosystemtechnik mit Lexikon, News, Jobbörsen etc.
8 http://www.halbleiter.org/ Informationen rund um die Prozesstechnologie der Mikroelektronik
9 www.microchemicals.de/technische_infos Informationen rund um die Prozesstechnologie der Mikroelektronik
10 www.mst-ausbildung.de Portal zur Weiter- bzw. Ausbildung in der Mikrosystemtechnik
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MEMS
Definitionen
Aktoren
Nanotechnologie
Mikrotechnik Mikrosystemtechnik
Mechatronik
Sensoren
Batch-Prozess
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Definitionen
Mechatronik
"Mechatronik ist eine Ingenieurwissenschaft, die
die Funktionalität eines technischen Systems
durch eine enge Verknüpfung mechanischer,
elektronischer und datenverarbeitender
Komponenten erzielt"
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Definitionen
Mikrotechnik
"Technologien, die die Herstellung miniaturisierter mechanischer, optischer und
elektronischer Komponenten und ihre Integration ermöglichen.
Fertigungstechnische Basis der wichtigsten Verfahren ist die Halbleitertechno-
logie. Typische Größenordnung der Auflösung ist der µm-Bereich"
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Definitionen
Batch-Prozess
"Fertigungsprozess, bei dem viele
Siliziumscheiben, auf denen sich viele
Chips befinden, gleichzeitig bearbeitet
werden"
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Definitionen
Mikrosystemtechnik
"Mikrosystemtechnik ist der Überbegriff für die gemeinsame Verwendung
verschiedener, mindestens zweier Basistechnologien. Unter diesen
Basistechnologien haben die folgenden drei - Mikroelektronik, Mikromechanik
und Mikrooptik - einen hohen Reifegrad erreicht, der zu ihrer häufigen
Anwendung in Mikrosystemen führt"
VDE/VDI-Gesellschaft
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Definitionen
Aktoren
"Aktive Verbindungsglieder zwischen
dem informationsverarbeitenden Teil
von elektrischen Steuerungen und
technischen oder nichttechnischen
Prozessen"
beweglicher Teil
Ankerpunkt
feste Elektroden
Bondpad
Parallele Bewegung zu den Elektroden
Senkrechte Bewegung
zu den Elektroden
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Definitionen
Sensoren
"Elemente, die physikalische,
chemische oder biologische
Eingangssignale in elektrische
Ausgangssignale umwandeln"
Kondensator-Elektroden
Membran
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MEMS
Definitionen
"Micro Electro Mechanical Systems.
Amerikanische Bezeichnung für
Mikrosystemtechnik"
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Definitionen
Nanotechnologie
"Verfahren und Prozesse zur
Strukturierung von Funktionselementen
in der Größenordnung von
Nanometern, z.B. Speicherelemente,
die aus wenigen Atomen bestehen"
Entnommen aus: www.nasa.gov
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Einsatz von Mikrosystemtechnik
Energietechnik
Fahrzeugtechnik
Fertigungstechnik
Gebäudemanagement
Informationstechnik
Kommunikations- technik
Medizintechnik
Messtechnik
Multimediatechnik
Nachrichtentechnik
Verkehrsleittechnik
Automatisierungs- technik
Mikrosysteme
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Warum Mikrosysteme?
• Kosten (Integration vieler Prozessschritte in Batchfertigung)
• Baugröße (Eindringen in neue Bereiche)
• Zuverlässigkeit (Wegfall von Verbindungselementen)
• Funktionalität (Integration von Elektronik und Mechanik)
• Autonomie (geringer Energieverbrauch, Signalauswertung)
• Kurze Reaktionszeiten (kleine Wege, Massen und thermische Trägheit)
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Märkte – Branchen
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Märkte – Produkte
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Chance
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Einsatz im Automobilbau
Sicherheit
• Abstandsradar (ACC, Precrash)
• Neigungssensor (Scheinwerfer)
• Hochdrucksensor (ESP)
• Drehmomentsensor
(Servolenkung)
• Lenkradwinkelsensor (ESP)
• Beschleunigungssensor (Airbag)
• Sitzbelegungssensor (Airbag)
• Drehratensensor (ESP)
• Beschleunigungssensor (ABS)
• Neigungssensor
(Diebstahlsicherung)
• Drehratensensor
(Überrollsensierung)
• Drehzahlsensor (ABS)
• Drucksensor (Reifendruck)
Antriebsstrang
• Ladedrucksensor (Motronic)
• Luftmassensensor, Klopfsensor
• Hochdrucksensor (Benzineinspritzung)
• Lambda-Sonde (Abgasregelung)
• Drehzahlsensor (Motronic)
• Pedalwertgeber (EHB)
Komfort • Drehratensensor (Navigation)
• Luftgütesensor (Klimaregelung)
• Feuchte-/Temperatursensor (Klima)
• Drucksensor (Zentralverriegelung)
• Regensensor (Scheibenwischer)
• Abstandsensor
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Einsatz in der Medizintechnik
Stents Smart pills
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Einsatz im Tintendruck - Backshooter
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Wo steht die Mikrotechnik
Maschinenbau
Maschinen
Feinwerktechnik
Mikrotechnik
Nanotechnik
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Wann begann die Mikrotechnik?
Richard Feynman, 1918 – 1988, 1965 Nobelpreis
Theoretischer Physiker
Dezember 1959 hielt er am California Institute of
Technology (Caltech) den Vortrag:
„There‘s Plenty of Room at the Bottom“
„Sehen wir uns doch einmal an, was das bedeuten würde. Ein Stecknadelkopf hat einen Durchmesser von
etwa 1/16 Inch (=1,6 mm). Vergrößert man ihn um den Faktor 25.000, ist die Fläche des Stecknadelkopfs so
groß wie die Fläche aller Seiten der Encyclopaedia Brittanica. Also muss man einfach die Schriftgröße der
Encyclopaedia 25.000mal verkleinern.
Ist das überhaupt möglich? Das Auflösungsvermögen des Auges beträgt etwa 1/120 Inch (0,2 mm) - das
entspricht ungefähr dem Durchmesser eines kleinen Punkts der feinen Halbtonreproduktionen in der
Encyclopaedia. Wenn man diesen 25.000mal verkleinert, misst er immer noch 80 Angström im Durchmesser,
das ist soviel wie 32 Atome eines gewöhnlichen Metalls nebeneinander. Anders ausgedrückt: Einer dieser
Punkte würde in seiner Fläche immer noch 1.000 Atome enthalten. Die Größe jedes Punktes kann also leicht
den Erfordernissen des Photogravierverfahrens angepaßt werden, und es steht außer Frage, dass auf dem
Stecknadelkopf genügend Platz ist, um die gesamte Encyclopaedia Brittanica unterzubringen.“
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Größenordnungen
1027 Ausdehnung des Universums
1024 ~10 Quasare
1021 ~1 Durchmesser der Milchstraße
1018 exa- Em 1 ,5 nächster offener Sternhaufen
1015 peta- Pm 40 nächster Fixstern
1012 tera- Tm 0,3 Durchmesser der Erdumlaufbahn
109 giga- Gm 1 ,4 Durchmesser der Sonne
106 mega- Mm 12,7 Durchmesser der Erde
103 kilo- km 10 Dicke der Biosphäre
100 m 1,7 Mensch
10-3 milli- mm 1 ,2 Laus
10-6 mikro- m 2 Bakterien
10-9 nano- nm 0,54 Gitterkonstante Si
10-12 pico- pm 2,4 Compton-Wellenlänge des Elektrons
10-15 femto- fm ~1 Neutron
10-18 atto- am
1 Lichtjahr, Ij = 0,946 * 1016 m
1 astronomische Einheit, AE = 1,5 1011 m
1 Angström, A = 10-10 m
1 X-Einheit, XE = 1,002 10-13 m
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Größenordnungen
Mikrotechniken
1 m
100 mm
10 mm
1 mm
100 µm
10 µm
1 µm
100 nm
10 nm
1 nm
100 pm
Zum Vergleich:
menschliche Hand
Wassertropfen
Haardurchmesser
Zelle
Virus
DNA
Siliziumwaferdurchmesser 4‘‘
Leiterplattenabmessungen
Chipgrößen
Waferdicken 500 – 1000 µm
mikromechanische Strukturen
Stukturauflösung opt. Lithografie
Wellenlänge sichtbares Licht
Dünnfilmschichtdicken
Gitterkonstante Silizium 0,542 nm
Entnommen aus: „Wehl“