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Slide 1Mikrosysteme – Materialien

Mikro- und Nanosysteme in der Umwelt, Biologie und MedizinMikro- und Nanosysteme in der Umwelt, Biologie und Medizin

MaterialienMaterialien

Dr. Marc R. DusseillerDr. Marc R. Dusseiller

Grundlagen Grundlagen Mikro- und NanosystemeMikro- und Nanosysteme

Slide 2Mikrosysteme – Materialien

Materialien in der MikrosystemtechnikMaterialien in der Mikrosystemtechnik

Vielfalt an Anwendungen erfordert vielzahl an MaterialienVielfalt an Anwendungen erfordert vielzahl an Materialien

Slide 3Mikrosysteme – Materialien

Materialien - ÜbersichtMaterialien - Übersicht

Mikrostruktur, Teilkristallinität, PorositätMikrostruktur, Teilkristallinität, PorositätMolekulare Struktur, ChemieMolekulare Struktur, ChemiePE, PMMA,PE, PMMA,

Kristallsymetrie, ZusammensetzungKristallsymetrie, Zusammensetzung

Amorphe Materialien (Glas)Amorphe Materialien (Glas)

Makroskopisches ProduktMakroskopisches ProduktVerbund von MaterialienVerbund von Materialien

KorngrenzeKorngrenze GefügeGefüge

BeschichtungenBeschichtungen

Slide 4Mikrosysteme – Materialien

MikrofabrikationMikrofabrikation

MaterialienMaterialien

Slide 5Mikrosysteme – Materialien

Materialien in der MikrosystemtechnikMaterialien in der Mikrosystemtechnik

Klassische MSTKlassische MSTSensorenSensoren

MEMSMEMS

Integrierte ElektronikIntegrierte Elektronik

DLP (Beamer)DLP (Beamer)

Optische SystemeOptische Systeme

Biomedizinische MSBiomedizinische MSKommt späterKommt später

Slide 6Mikrosysteme – Materialien

SubstratmaterialienSubstratmaterialien

Silizium Glas Kunststoff / Polymere

Slide 7Mikrosysteme – Materialien

MetalleMetalle

EigenschaftenEigenschaftenKristallinKristallin

Elektrische LeitfähigkeitElektrische Leitfähigkeit

PlastizitätPlastizität

AnwendungenAnwendungenBiokompatibilität (Ti, medizinische Stähle)Biokompatibilität (Ti, medizinische Stähle)

Ferromagnetische Eigenschaften, zB EisenFerromagnetische Eigenschaften, zB Eisen KupferKupfer

Messing MikrostrukturMessing MikrostrukturMessing MikrostrukturMessing MikrostrukturStahl MikrostrukturStahl Mikrostruktur

Slide 8Mikrosysteme – Materialien

Silizium - SiSilizium - Si

Silizium ist ein Halbmetall und HalbleiterSilizium ist ein Halbmetall und HalbleiterLeitfähigkeit je nach DotierungLeitfähigkeit je nach Dotierung

VorkommenVorkommen25% w/w der Erdhülle25% w/w der Erdhülle

in Form von Silikatischen Mineralenin Form von Silikatischen Mineralen

Gewinnung aus MineralenGewinnung aus MineralenDurch chemische ReduktionDurch chemische Reduktion

Anwendung meist alsAnwendung meist alsSubstratmaterialSubstratmaterial

StrukturmaterialStrukturmaterial

dotiert als n/p Regionendotiert als n/p Regionen

MikrostrukturMikrostruktur● EinkristallinEinkristallin● PolykristallinPolykristallin● poröses Siliziumporöses Silizium

Slide 9Mikrosysteme – Materialien

Siliziumwafers - EinkristallinSiliziumwafers - Einkristallin

Czochralski processCzochralski process

Slide 10Mikrosysteme – Materialien

GlasGlas

Amorphe Materialien auf SiO-BasisAmorphe Materialien auf SiO-Basis

EigenschaftenEigenschaftenTransparentTransparent

Optische EigenschaftenOptische Eigenschaften

Fast nur isotrope Ätzung möglichFast nur isotrope Ätzung möglich

Slide 11Mikrosysteme – Materialien

PolymerePolymere

Klassen nach Molekularer StrukturKlassen nach Molekularer Struktur• Lineare PolymereLineare Polymere• Verzweigte PolymereVerzweigte Polymere• Vernetzte PolymereVernetzte Polymere

Lineare PolymereLineare Polymere Verzweigte PolymereVerzweigte Polymere

Vernetzte PolymereVernetzte Polymere Vernetzte Polymere 3DVernetzte Polymere 3D

PolyethylenPolyethylen

Slide 12Mikrosysteme – Materialien

PolymerePolymere

Klassen nach MikrostrukturKlassen nach Mikrostruktur• Amorphe PolymereAmorphe Polymere• Teilkristalline PolymereTeilkristalline Polymere• HydrogeleHydrogele

amorphe Phaseamorphe Phase lamellarer Kristalllamellarer Kristall

HydrogeleHydrogele

Slide 13Mikrosysteme – Materialien

PolymerePolymere

Klassen nach VerarbeitungKlassen nach Verarbeitung• ThermoplasteThermoplaste• ElastomereElastomere• DuromereDuromere

Slide 14Mikrosysteme – Materialien

Polymere – Beispiele & KenngrössenPolymere – Beispiele & Kenngrössen

BeispieleBeispiele• TTGG < Raumtemperatur < Raumtemperatur →→ E E ↓ (ca 0.1 Gpa)↓ (ca 0.1 Gpa)

• TTGG > Raumtemperatur > Raumtemperatur →→ E E ↑↑ (ca 3 Gpa) (ca 3 Gpa)

•

KenngrössenKenngrössenGlastemperaturGlastemperatur

SchmelztemperaturSchmelztemperatur

ZersetzungZersetzung

Mechanische EigenschaftenMechanische Eigenschaften

PermeabilitätPermeabilität

Im Buch: Kapitel 4 & Appendix AIm Buch: Kapitel 4 & Appendix A

Slide 15Mikrosysteme – Materialien

KeramikenKeramiken

Verschiedene AnwendungenVerschiedene Anwendungenspontane Oxidespontane Oxide

BeschichtungenBeschichtungen

Oxide, Nitride, CarbideOxide, Nitride, Carbide

KorrosionsschutzKorrosionsschutz

IsolatorenIsolatoren

Sensormaterialien !!Sensormaterialien !!

Slide 16Mikrosysteme – Materialien

Mit Piezoelektrizität (griechisch: Druckelektrizität) wird die Eigenschaft eines Werkstoffs bezeichnet, welcher elektrische Ladung an seiner Oberfläche zeigt, wenn mechanische Spannung auf ihn einwirkt oder umgekehrt ein Werkstück seine äusseren Abmessungen ändert, wenn an ihn ein elektrisches Feld angelegt wird.

Wenn Zug oder Druck auf Quarz oder Turmalin einwirkt, treten Ladungen an den Oberflächen der Proben auf.

Typische Materialien sind PZT (PbTiO3-PbZrO3), Blei Magnesium Niobate (Pb(Mg1/3Nb2/3)O3, PMN)

Spezielle Keramiken - PiezoelektrikaSpezielle Keramiken - Piezoelektrika

Slide 17Mikrosysteme – Materialien

PiezoelektrizitätPiezoelektrizität

Slide 18Mikrosysteme – Materialien

Spezielle Keramiken - PyroelektrikaSpezielle Keramiken - Pyroelektrika

• Der wahre pyroelektrische Effekt beruht auf der Änderung der spontanen Polarisation Ps eines polaren Materials mit der Temperatur.

• Die Änderung der Polarisation hat eine Änderung der Oberflächenladung des Werkstückes zur Folge, die gemessen werden kann.

• Der pyroelektrische Effekt setzt sich zusammen aus dem primären und dem sekundären Effekt. Der primäre Effekt wird durch die Temperaturabhängigkeit der dielektrischen Verschiebung D hervorgerufen. Den sekundären Effekt verursacht die thermische Ausdehnung.

• Die wichtigsten pyroelektrischen Werkstoffe sind LiTaO3 und modifizierte PZT-Keramiken.

Slide 19Mikrosysteme – Materialien

Übersicht MaterialienÜbersicht Materialien

Ganz unterschiedliche EigenschaftenGanz unterschiedliche EigenschaftenProbleme bei der IntegrationProbleme bei der Integration

verschiedene Mechanische Eigenschaftenverschiedene Mechanische Eigenschaften

Thermische AusdehnungThermische Ausdehnung

Slide 20Mikrosysteme – Materialien

Materialien - ÜbersichtMaterialien - Übersicht

Mikrostruktur, Teilkristallinität, PorositätMikrostruktur, Teilkristallinität, PorositätMolekulare Struktur, ChemieMolekulare Struktur, ChemiePE, PMMA,PE, PMMA,

Kristallsymetrie, ZusammensetzungKristallsymetrie, Zusammensetzung

Amorphe Materialien (Glas)Amorphe Materialien (Glas)

Makroskopisches ProduktMakroskopisches ProduktVerbund von MaterialienVerbund von Materialien

KorngrenzeKorngrenze GefügeGefüge

BeschichtungenBeschichtungen