Bachelor Informations- und Kommunikationstechnik

Studienschwerpunkt Mikrosystemtechnik Ein Leitfaden für Studienanfänger

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Inhalt

Grußwort 4Prof. Dr. Eberhard Menzel, Rektor der Fachhochschule Dortmund

Vorwort 5Prof. Dr.-Ing. Norbert Wißing, Dekan des Fachbereichs Informations- und Elektrotechnik

Herausforderung Mikrosystemtechnik 6Beispiele aus dem Alltag 6Gute Wachstumsprognosen 7Der Dortmunder MST-Cluster 7Karrierechancen in der Mikrosystemtechnik 8

Mikrosystemtechnik an der Fachhochschule Dortmund 9Bachelorangebot Mikrosystemtechnik 9Weiterqualifikation zum Master 9Studienverlaufsplan 10

Lehrinhalte/Module 12Halbleiterphysik 12Mikrosystemtechnik/Technologie 13Mikroelektronik 14Werkstoffe der Mikrosystemtechnik 15Mikrosensorik/MEMS 16MEMS-Anwendungen 17Spezialgebiete/Wahlpflichtfächer der Mikrosystemtechnik 17Fachspezifisches Seminar Mikrosystemtechnik 18Fachpraxis Mikrosystemtechnik 18

Impressum 19

Ansprechpartner

Prof. Dr. Gerhard Wiegleb Institut für Mikrosensorik Fachhochschule Dortmund Sonnenstraße 96 44139 Dortmund

Tel. (0231) 9112 - 275 Fax (0231) 9112 - 715 wiegleb@fh-dortmund.de www.ifm.fh-dortmund.de

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Grußwort

Liebe Leserinnen und Leser, mit dieser Broschüre informiert Sie die Fachhoch-schule Dortmund über das neue Bachelor-Studien-angebot „Mikrosystemtechnik (MST)“ des Fach-bereiches Informations- und Elektrotechnik. Dortmund hat sich in den letzten beiden Jahrzehnten, mit über 30 Firmen und über 1800 Beschäftigten, zu einem international anerkannten Schwerpunkt der Mikrosystemtechnik entwickelt. Die im MST-Cluster noch fehlende Komponente der Bachelor- und Masterausbildung wird nun von der Fachhochschule Dortmund in enger Zusammenarbeit mit Dortmunder MST-Firmen und der MST.factory dortmund zur Verfügung gestellt. Das Bachelorange-bot wird im Wintersemester 2006/2007 starten, das Masterangebot läuft bereits seit dem Wintersemester 2005/2006. In diesen anwendungsnahen Studiengängen wird Ihnen durch unsere ProfessorInnen und Mitarbeiter-Innen das notwendige Fachwissen vermittelt. Sie trainieren Ihre praktischen Fähigkeiten in einem der modernsten Reinräume in der MST.factory dortmund und arbeiten mit an zukunftsweisenden Entwicklun-gen in der Mikrosensorik, Mikroaktorik und Mikro-elektronik. Im Institut für Mikrosensorik (IfM) der Fachhochschule Dortmund werden z.B. Sensoren für die Automobilindustrie und die Gebäudesystemtech-nik entwickelt. Die Gassensorik bildet in der For-schung einen auf internationalem Niveau befindli-chen Forschungsschwerpunkt, in dem Studenten im Rahmen der Ausbildung ebenfalls mitarbeiten können.

Die projektbezogene Arbeit in kleinen Teams und in Kooperation mit MST-Firmen wird ergänzt durch spezielle Trainingseinheiten, die Ihnen die für die Berufswelt erforderlichen „soft skills“ vermitteln. Sie werden als Absolventinnen und Absolventen der Studiengänge bestens gerüstet sein und attrak-tive Beschäftigungsmöglichkeiten in Dortmund oder weltweit finden, denn der Bereich der MST befindet sich in stetigem Wachstum und es werden auch in Zukunft immer qualifizierte Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter gesucht. Als Alternative nach dem Studium bietet sich auch die Gründung einer Start-up-Firma an, unterstützt durch die Gründerlotsin der Fachhochschule Dortmund und das Dortmunder Gründernetzwerk. Die Fachhochschule Dortmund würde sich glücklich schätzen, Sie bald als Studierende begrüßen zu können.

Prof. Dr. Eberhard Menzel Rektor der Fachhochschule Dortmund

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Vorwort Liebe Leserinnen und Leser, mit dieser Broschüre möchte Sie der Fachbereich Informations- und Elektrotechnik über den Studien-schwerpunkt „Mikrosystemtechnik“ des Bachelor-Studiengangs „Informations- und Kommunikations-technik“ informieren. Der siebensemestrige Studiengang „Informations- und Kommunikationstechnik“ baut auf den bisher vom Fachbereich mit großem Erfolg und mit hoher Auslastung betriebenen Diplomstudiengängen „Informations- und Kommunikationstechnik“ und „Telekommunikationstechnik“ auf und schließt nach erfolgreichem Studium mit dem Bachelor of Enginee-ring ab. Inhaltlich vermittelt das Studium in den ersten vier Semestern ein Grundwissen der Elektrotechnik sowie ein solides Fachbasiswissen der Informationstechnik und der Kommunikationstechnik. Vervollständigt wird die Ausbildung durch das Angebot von Querschnitts-fächern wie Ingenieurmethodik, Zeit-/Projektmanage-ment und Englisch. Wesentlicher Bestandteil des Bachelor-Studiengangs „Informations- und Kommunikationstechnik“ ist eine frühzeitige Projektorientierung des Studiums, z. B. bereits im dritten Semester durch das Modul IT-Pro-jekt, wodurch Schlüsselqualifikationen, insbesonde-re die Arbeit im Team, vermittelt werden. Eine weitere Vertiefung der Fachkompetenz beginnt mit dem fünften Semester durch Wahl eines der vier Studienschwerpunkte „Informations- und Medien-technik“, „Mobilkommunikationstechnik“, „Telekom-munikationstechnik“ oder „Mikrosystemtechnik“.

Ab hier gliedert sich das Studium in Pflicht- und Wahlpflichtbereiche des jeweiligen Studienschwer-punktes, die den Studierenden eine persönliche Profilbildung ermöglichen. Im siebten Semester ist das Praxis-Modul „Industrie-projekt“ integriert. Es führt die Studierenden an die berufliche Tätigkeit durch konkrete, praxisorientierte Aufgabenstellungen bzw. praktische Mitarbeit in Betrieben oder anderen Einrichtungen der Berufs-praxis heran. Es soll insbesondere dazu dienen, die im bisherigen Studium erworbenen Kenntnisse und Fähigkeiten durch Bearbeitung einer konkreten Aufgabe anzuwenden und zu reflektieren. Aufbauend zum Bachelor-Studiengang „Informations- und Kommunikationstechnik“ bietet der Fachbereich den Masterstudiengang „Informationstechnik“ mit den drei Profil bildenden Studienschwerpunkten „Kommunikationstechnik“, „Signalverarbeitung“ und „Mikroelektronik/Mikrosystemtechnik“ an. Das zum Master-Abschluss führende Studium ver-mittelt auf der Grundlage wissenschaftlicher Erkennt-nisse die theoretischen Inhalte der Informationstech-nik und befähigt die Absolventinnen und Absolven-ten, insbesondere Probleme aus den Gebieten der drei Studienschwerpunkte selbstständig wissen-schaftlich zu analysieren und mit den erlernten Methoden lösen zu können. Dabei werden auch inter-disziplinäre Zusammenhänge erfasst und beachtet. Der Fachbereich Informations- und Elektrotechnik steht Ihnen gerne für weitere Informationen zur Ver-fügung und würde sich freuen, wenn Sie Ihr Studium der „Informations- und Kommunikationstechnik“ mit dem Studienschwerpunkt „Mikrosystemtechnik“ bei uns in Dortmund beginnen würden.

Prof. Dr.-Ing. Norbert Wißing Dekan des Fachbereiches Informations- und Elektrotechnik

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Einleitung

Herausforderung Mikrosystemtechnik

Mikrosysteme sind bereits heute fester Bestandteil unserer Alltagswelt geworden. Unter anderem be-gegnet man ihnen in Kraftfahrzeugen, in der Kom-munikationstechnik, in der Fertigungs- und Auto-matisierungstechnik, in der Chemie, Pharmazie, zunehmend auch in der Gebäudetechnik, in Haus-haltsgeräten und in der Medizintechnik. Überall dort, wo Miniaturisierung eine zentrale Rolle spielt, ergeben sich neue und zunehmend komplexere Einsatzmöglichkeiten von mikrotechnischen Bautei-len und Systemen. In vielen Fällen sind Produktin-novationen ohne die Einbindung von Mikrosyste-men gar nicht mehr denkbar. Die Mikrosystemtech-nik verfügt somit über ein gewaltiges Wachstums- und Wertschöpfungspotenzial und kann entschei-dend zur Wettbewerbsfähigkeit neuer und beste-hender Unternehmen beitragen.

Die Mikrosystemtechnik (MST) befasst sich mit Technologien und Anwendungen im Mikrometer-bereich (1 µm = 1 Millionstel Meter). Sie verbindet Mikrostrukturierung mit systemtechnischen Aufga-benstellungen. In einem Mikrosystem ergänzen sich unterschiedliche mikrotechnische Kompo-nenten (z. B. mikromechanische, mikroelektro-nische, mikrofluidische oder mikrooptische Ele-mente) zu einem integralen Gesamtkonzept, das sensorische, aktorische oder sonstige intelligente Funktionen ausführen kann. Die Vorteile von Mikro-systemen sind neben der geringen Größe und dem kleinen Gewicht die hohe Funktionsdichte, der re-duzierte Energiebedarf sowie die Einsparung von Material und Fertigungskosten.

Beispiele aus dem Alltag

In Automobilen bestimmen Mikrosysteme heute schon weitgehend den Alltag. Zahlreiche (Mikro-) Sensoren erfüllen hier die Forderungen der Käufer nach mehr Betriebssicherheit und komfortablem Fahrzeugverhalten. Die Fahrdynamikregelung (ESP) funktioniert mit Drehraten- und Beschleunigungs-sensoren. Ein Auto ohne Airbag kann sich heute niemand mehr vorstellen. Aber auch Regensenso-ren, Reifendrucksensoren, Helligkeitssensoren für das automatische Ein- und Ausschalten der Fahr-zeugbeleuchtung oder Neigungssensoren für die Diebstahlwarnanlage gehören bald zur Standard-ausstattung.

In der Chemie und Pharmazie werden für Wirk-stoffscreenings Mikrofluidiksysteme entwickelt, mit denen sich Flüssigkeiten im Nanoliterbereich (1 Nanoliter = 1 Millionstel Milliliter) dosieren lassen. Ganze Laboratorien werden auf Chip-kartenformat dimensioniert.

Luftmassenströmungssensor für Dieselmotoren, HL-Planartechnik GmbH, Dortmund

In der Medizintechnik ermöglichen stark miniatu-risierte Instrumente und Diagnosegeräte die Durchführung minimal-invasiver Eingriffe am menschlichen Körper. Hör- und Sehimplantate sorgen für Durchbrüche bei Krankheitsbildern, für die es keine konventionellen Behandlungsmög-lichkeiten gibt.

Treibgasfreier Zerstäuber Respimat® zur effizienteren Therapie von Atemwegserkrankungen, Boehringer Ingelheim microParts GmbH, Dortmund

Mit Hilfe der Funkortung lassen sich Warenströ-me in inner- und außerbetrieblichen Logistikpro-zessen signifikant optimieren. Über so genannte RFID-Chips (Radio Frequency IDentification) kön-nen Gegenstände weltweit eindeutig identifiziert und lückenlos verfolgt werden.

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Einleitung

Gute Wachstumsprognosen

Die Mikrosystemtechnik ist bis heute eines der am schnellsten wachsenden Teilgebiete der Technik. Aufgrund des technischen Fortschritts und des kontinuierlichen Miniaturisierungsdrucks in Füh-rungsbranchen wie der Informations- und Kommu-nikationstechnik, der Datentechnik und der Medi-zintechnik erweitert sich der Spielraum für Produkt-anwendungen der Mikrosystemtechnik ständig.

Piezoelektrischer Motor, Elliptec Resonant Actuator AG, Dortmund

Alle großen Marktforschungsinstitute prognostizie-ren deshalb für die Mikrosystemtechnik weltweit einen Multi-Milliarden-Dollar-Markt mit überdurch-schnittlich hohen Wachstumsraten. Die aktuelle Marktuntersuchung von NEXUS (Network of Excel-lence in Multifunctional Microsystems) beziffert den Markt für Mikrosysteme in 2009 weltweit auf 25 Mrd. USD, was in etwa einer Verdoppelung der Marktgröße aus dem Jahr 2004 (12 Mrd. USD) ent-spricht.

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2004 2005 2006 2007 2008 2009

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Entwicklung des weltweiten Gesamtmarkts für MST/MEMS-Produkte (Quelle: NEXUS 2005)

Nach wie vor gehören Lese-Schreib-Köpfe für Fest-plattenspeicher, Tintenstrahlschreiber, Laserköpfe für CD-Player, Hörgeräte und Herzschrittmacher zu den größten Umsatzträgern der Mikrosystem-technik.

Unter den neuen Applikationen wird den MOEMS (Mikrooptik-Komponenten) und RF-MEMS (draht-lose Funktechnik), Wafer-Testsystemen, Mikro-fluidiksystemen zur chemischen Analyse, Mikro-pumpen und Mikrospektrometern, ferner den Mikrodisplays und Projektionssystemen sowie biometrischen Sensoren großes Wachstums-potenzial beigemessen. Die Telekommunikations-branche mit ihrem gigantischen Stückzahlen-bedarf stellt den größten Innovationsmotor der Mikrosystemtechnik dar. Dort ist der Bedarf an mikrooptischen Komponenten und drahtloser Funktechnik besonders groß.

Der Dortmunder MST-Cluster

Dortmund hat sich seit Ende der 80er Jahre zu einem der stärksten deutschen Cluster auf dem Gebiet der Mikrosystemtechnik mit internationa-ler Ausstrahlung entwickelt.

Zeitliche Entwicklung der Anzahl der Mikrotechnik-Unter-nehmen am Standort Dortmund (Quelle: MST.factory dortmund GmbH)

Zum Jahresende 2005 umfasste der Cluster mehr als 30 Mikrotechnik-Unternehmen, die über 1.800 Mitarbeiter beschäftigten.

Entwicklung der Beschäftigtenzahl in den Dortmunder MST-Firmen in den letzten 10 Jahren (Quelle: MST.factory dortmund GmbH)

Einige dieser Unternehmen, allen voran die ELMOS Semiconductor AG, die Boehringer Ingelheim microParts GmbH, die HL-Planartechnik GmbH und die LIMO Lissotschenko Mikrooptik GmbH, gehö-ren zu den Weltmarktführern in ihren Produktbe-reichen. Die in Dortmund gefertigten Mikrokompo-nenten und –systeme zielen in erster Linie auf den Automobilbereich sowie den Medizintechnik- und IuK-Sektor.

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Einleitung

Schwerpunktbranchen des Dortmunder MST-Clusters (Quelle: dortmund-project)

Einen besonderen Schwerpunkt unter den Kompe-tenzfeldern des Dortmunder MST-Clusters bildet die Sensortechnik, gefolgt von der Mikromechanik, Mikroelektronik, Mikrooptik und Messtechnik.

Prioritäre Technologiefelder des Dortmunder MST-Clusters (Quelle: dortmund-project)

Neben den Wirtschaftsunternehmen verfügt der Cluster über eine gut ausgebildete akademische Infrastruktur sowie über zahlreiche Kompetenz-zentren, deren Aufgabenschwerpunkte und Dienst-leistungsangebote auf die spezifischen Bedarfe der Mikrotechnikunternehmen ausgerichtet sind. Hierzu gehören an erster Stelle die MST.factory dortmund auf der ehemaligen Stahlfläche PHOENIX West sowie das BioMedizinZentrum (BMZ), das Mikrostrukturzentrum und das Zentrum für Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT) im Technologie-zentrum Dortmund. Darüber hinaus ist Dortmund Firmensitz des IVAM e.V., des international aktiven Fachverbandes für Mikrotechnik.

Karrierechancen in der Mikrosystemtechnik

Für eine breite Umsetzung der Mikrosystemtech-nik sind hoch qualifizierte Fachkräfte erforderlich. Bedarf an Absolventen eines Studiums der Mikro-systemtechnik besteht daher in allen Industrie-zweigen, bei denen Produkte mit mikrotech-nischen Komponenten oder Systemen zum Ein-satz kommen. Beispielsweise bietet der Standort Dortmund mit seiner Vielzahl und Vielfalt von MST-Unternehmen ausgezeichnete Perspektiven für den beruflichen Einstieg von MST-Ingenieuren.

Die Tätigkeitsfelder von MST-Ingenieuren sind sehr vielseitig und oft stark interdisziplinär ge-prägt. MST-Ingenieure kommen entlang der ge-samten Wertschöpfungskette eines Produktes zum Einsatz, d.h. von der Konzeption bis zur in-dustriellen Umsetzung und Vermarktung. Sie wer-den sowohl in der Forschung und Entwicklung, als auch in der industriellen Fertigung und im Ver-trieb von mikrotechnischen Produkten benötigt.

Beispielsweise kommen sie als Entwicklungs- oder Projektingenieure bei der Konzipierung so-wie der Neu- und Weiterentwicklung von miniatu-risierten Bauelementen und Geräten zum Einsatz. Auch wirken sie bei der Erarbeitung von Simula-tions- und Berechnungsprogrammen mit oder wenden diese im Rahmen der Produktentwick-lung an.

In der Fertigung sind sie für den laufenden Be-trieb von Maschinen sowie ganzer Prozessketten, teilweise unter Reinraumbedingungen, verant-wortlich.

Als Dokumentationsingenieure erledigen sie viele Aufgabenstellungen der technischen Redaktion, wie z.B. das Erstellen von Produktbeschreibun-gen oder Wartungsanleitungen, aber auch von komplexen Benutzer- oder Zertifizierungshand-büchern.

Als Service-Ingenieure sind sie für die Instand-haltung und Wartung von Produkten und Anlagen beim Kunden zuständig.

Im Vertrieb kümmern sich MST-Ingenieure um die serienmäßige Vermarktung von Hochtechnologie-Produkten bzw. -dienstleistungen, um die Projek-tierung von Kundengeschäften sowie den After Sales Service.

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Einleitung

Mikrosystemtechnik an der Fachhochschule Dortmund Die Fachhochschule Dortmund hat in den letzten Jahren den Bereich der Mikrosystemtechnik konti-nuierlich ausgebaut. So entstand beispielsweise im Jahr 2003 das Institut für Mikrosensorik mit einem eigenen Gebäude auf dem Campus der Fach-hochschule. Mit der Zusammenlegung der beiden Fachbereiche Elektrische Energietechnik und Nach-richtentechnik zu dem neuen Fachbereich „Informations- und Elektrotechnik“ wurden wesent-liche Voraussetzungen für ein fachübergreifendes Forschungs- und Lehrangebot in der Mikroelektro-nik und Mikrosystemtechnik geschaffen.

Im Rahmen der europaweiten Umstrukturierung und Angleichung des Hochschulstudiums wurde die zweistufige Bachelor- und Masterausbildung mit dem Schwerpunkt „Mikrosystemtechnik“ ein-geführt, die das bisherige Diplomstudium ersetzt und international vergleichbare Abschlüsse ermög-licht.

Mittelfristig plant die Fachhochschule, den Schwerpunkt ihrer MST-Aktivitäten zum Standort PHOENIX West in unmittelbare Nachbarschaft zur MST.factory dortmund, dem regionalen Kompe-tenzzentrum für Mikro- und Nanotechnologie, zu verlagern. Dort wird zurzeit ein Praktikumsrein-raum aufgebaut, der speziell für die Ausbildung zum Bachelor/Master Mikrosystemtechnik ausge-legt sein wird und Fortgeschrittenenpraktika in einer praxisnahen Arbeitsumgebung gestattet.

Bachelorangebot Mikrosystemtechnik

Beginnend mit dem WS 2006/07 startet an der Fachhochschule Dortmund das neue Bachelor-Studium mit dem Schwerpunkt Mikrosystem-technik.

Das Bachelor-Studium ist anwendungsorientiert und auf sieben Semester einschließlich einem Industrieprojekt angelegt. Es baut auf das Grund-studium der Informations- und Kommunikations-technik (IuK) auf, in dem die notwendigen mathe-matisch-physikalischen und ingenieurwissen-schaftlichen Grundlagen sowie Spezialkenntnis-se auf dem Gebiet der Halbleiterphysik vermittelt werden. Der weitere Studienverlauf gliedert sich in einzelne Lehr- und Praxismodule zur Vertiefung und Spezialisierung der fachlichen Kenntnisse.

Im 4. Semester wird das berufsqualifizierende Grundwissen durch die Basismodule „Mikrosys-temtechnik“, „Informations- und Medientechnik“, „Mobilkommunikationstechnik“ und „Telekommu-nikationstechnik“ bereitgestellt.

Im 5. Semester findet eine Vertiefung dieses Wis-sens in den Pflichtmodulen „Mikrosysteme“ und „Mikroelektronik“ statt. Begleitet wird diese Ver-tiefungsphase durch ein Fachpraktikum, das den praktischen Umgang mit mikrotechnischen Verfah-ren und der dazu gehörigen Mess- und Prüftechnik, insbesondere auch der Mikrosensorik sicherstellt.

Eine weiterführende Spezialisierung erfolgt im 6. Semester durch Wahlpflichtmodule, die je nach Neigung aus einem vorgegebenen Katalog ausge-wählt werden können. Der Katalog enthält Lehr-veranstaltungen, die eine weitere Vertiefung in Richtung Mikroelektronik, Sensorik oder Techno-logie erlauben.

Jedem Modul ist eine bestimmte Zahl von Kredit-punkten nach dem European Credit Transfer Sys-tem (ECTS) zugeordnet. Ein Kreditpunkt entspricht dabei einer Studienleistung, die in 30 Arbeits-stunden erbracht werden kann. Pro Semester sind bis zu 30 Kreditpunkte zu erlangen.

Weiterqualifizierung zum Master

Mit dem Bachelor wird ein Studienabschluss an-geboten, der bereits nach dreieinhalb Jahren zu einem berufsqualifizierenden Abschluss führt. Alternativ zu einem frühen Berufseinstieg kann an den Bachelor ein Masterstudium zur weiteren fachlichen Spezialisierung oder fachübergreifen-den Kompetenzbildung angehängt werden. Das Masterstudium kann entweder unmittelbar an das Bachelorstudium anschließen oder erst zu einem späteren Zeitpunkt erfolgen.

Die Fachhochschule Dortmund bietet den Master-Studiengang Informationstechnik mit dem Schwer-punkt Mikroelektronik/Mikrosystemtechnik an.

Das Studium geht über vier Semester. Neben dem Pflichtstudium im 1. Semester enthält es das Wahlpflichtstudium im 2. und 3. Semester und die Master-Thesis im 4. Semester. Das Wahl-pflichtstudium umfasst zwei Projektarbeiten, die im Rahmen von Forschungs- und Entwicklungs-projekten, ggf. auch in Zusammenarbeit mit der Industrie, durchgeführt werden.

Die Stufung des Studiums in Bachelor und Master, die modulare Struktur des Studiums und die ein-heitlich praktizierte Quantifizierung der erbrach-ten Studienleistung führen zu mehr Kompatibilität auf internationaler Ebene und bilden damit die Grundlage für mehr Mobilität im Studium europa-weit.

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Studienverlaufsplan

SWS: Semesterwochenstunden (Präsenzstudium) MEMS: Micro-Electro-Mechanical Systems

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Studienverlaufsplan

Pflicht-, Wahlpflicht- und Praxismodule des fortgeschrittenen Bachelor-Studiums „Mikrosystemtechnik“ (ab dem 4. Semester):

Typ 1 Modul SWS 2 4. Sem.

5. Sem.

6. Sem.

7. Sem.

ECTS 3 Credits

P Mikrosystemtechnik - Mikro- und Sensorsysteme 3 3 4 - Mikroprozessortechnik 3 3 4

P Informations- und Medientechnik - Audio- und Videosysteme 3 3 3 - Software-Engineering 3 3 4

P Mobilkommunikationstechnik - Zellulare und Wireless-Systeme 3 3 3 - Digitale Signalverarbeitung 3 3 4

P Telekommunikationstechnik - Systeme und Standards 3 3 4 - Schaltungen 3 3 4

P Mikrosysteme I - MEMS I 3 3 4 - Mikrosensorik I 3 3 4

P MEMS-Anwendungen 4 3 3 3

P Mikroelektronik 6 6 6

P Technologie / Werkstoffe 6 6 6

P Mikrosysteme II - MEMS II 3 3 4 - Mikrosensorik II 3 3 4

P Fachspezifisches Seminar der MST 6 6 6

W Spezialgebiete der Mikrosystemtechnik 6 6 8

PR Fachpraktikum 8 4 4 12

PR Planung und Projektierung 3 3 3

PR Industrieprojekt 12 12 15

PR Bachelor-Thesis 13 13 15

Summe SWS */ ECTS ** 99 * 24 * 25* 25 * 25 * 120 **

1 P: Pflichtmodul, W: Wahlpflichtmodul, PR: Praxismodul 2 SWS: Semesterwochenstunden 3 ECTS: European Credit Transfer System 4 MEMS: Micro-Electro-Mechanical Systems

Im Folgenden sind die MST-spezifischen Lehr- und Praxismodule ausführlicher beschrieben.

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Lehrinhalte/Module

Halbleiterphysik Prof. Dr. Klaus Eden

Nahezu jedes Gerät oder System nutzt heute mehr oder weniger komplexe elektronische Komponenten zur Steuerung, Bedienung oder zur Systemsicherheit. Mit der Erfindung des Transistors im Jahre 1947 und der Realisierung der ersten integrierten Halbleiter-schaltungen im Jahr 1958 hat sich die Elektronik nahezu vollständig zu einer Halbleiter-Elektronik gewandelt. Erst das Verständnis der grundlegenden physikalischen und elektronischen Eigenschaften der Halbleitermaterialien, insbesondere von Silizium, ermöglichte die Erschließung vieler neuer Anwen-dungsfelder.

Das Entwicklungspotential lässt sich sehr gut am Beispiel der integrierten Drucksensoren verdeut-lichen: Drucksensoren gibt es schon seit langer Zeit. Doch erst die Kombination von Sensoren und Halb-leiterbauelementen machte den Einsatz dieser Sen-soren z.B. als Reifendrucksensoren in Fahrzeugen möglich. Hier befindet sich ein Sensor inklusive der Auswerteelektronik im Fahrzeugreifen. Das von der Elektronik linearisierte und temperaturkompensierte Signal wird über ein Funkmodul an den Bordcompu-ter gemeldet.

MOSFET Bauelement mit Source, Drain, Gate- Anschlüssen (aus: Rainer Waser, Nanoelectronics and Information Tech-nology, Wiley-VCH, 2003)

Im Modul Halbleiterphysik wird das Verständnis für die grundlegenden Eigenschaften von Halbleiter-materialien und deren Beschreibung geschaffen. Dabei werden die Auswirkungen und Gesetzmäßig-keiten auf die Funktionsweise der Halbleiterbau-elemente übertragen.

Wesentlicher Bestandteil sind die Grundlagen des Bändermodells und die physikalischen und elektri-schen Vorgänge in einem pn-Übergang. Das Ver-ständnis der prinzipiellen Eigenschaften darauf basierender Bauelemente, wie Bipolartransistoren, MOS-Kapazitäten und MOS-Transistoren ermöglicht im Weiteren die Entwicklung komplexer Schaltungs-systeme.

REM-Aufnahme einiger Speicherzellen des Infineon 64 MB-Chip (aus: Rainer Waser, Nanoelectronics and Information Technology, Wiley-VCH, 2003)

REM piezoresistiver Drucksensor (ELMOS Semiconductor AG)

Forschungsprojekte an der FH Dortmund

• Charakterisierung und Qualifikation von Druck-sensoren für Automotive Anwendungen z.B. für Klimasteuerung, Reifendruck, Airbag-Anwendun-gen

• Beschleunigungs- und Drehratensensoren

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Lehrinhalte/Module

Mikrosystemtechnik/Technologie Dr. Jan Albers

Integrierte elektronische Schaltungen und Sensoren sind heute ein nicht mehr weg zu denkender Be-standteil der meisten Elektronikanwendungen. Ins-besondere die Informationstechnik wäre ohne hoch integrierte ICs nicht möglich. Die Industrie entwickelt jedoch schon viel weiter gehende Systemlösungen, die neben der Elektronik auch Sensoren und Aktoren in immer kleiner werdenden Mikrosystemen inte-grieren.

Blick in die Halbleiterfertigung

Der Modul Mikrosystemtechnik / Technologie ver-mittelt einen Überblick über den Aufbau und die Anwendung von Mikrosystemen sowie über die Fertigung in der Siliziumtechnologie. Anhand ein-zelner Anwendungsbeispiele lernt der Student die Begriffe und die Definitionen sowie die Kompo-nenten eines Mikrosystems (Sensoren, Aktoren, Elektronik und Schnittstellen) kennen. Er soll dabei eine Vorstellung von der Kleinheit der einzelnen Mikrokomponenten entwickeln und in diesem Zu-sammenhang die Bedeutung der Reinraumtechno-logie verstehen lernen. Hierzu wird der Student über die Herkunftsquellen sowie die Eigenschaften von partikulären und molekularen Verunreinigun-gen unterrichtet. Maßnahmen gegen diese Verun-reinigungen werden in einem Reinraum erläutert.

Anschließend werden der grundlegende Aufbau sowie die Funktionsweise der wichtigsten Kompo-nenten einer integrierten Schaltung (Widerstände, Kondensatoren, Dioden, Bipolar- und MOS-Tran-sistoren, Speicherbauteile) behandelt.

Im zweiten Teil der Lehrveranstaltung werden die Verfahren zum Herstellen der Mikrostrukturen in der Siliziumtechnologie erläutert. Neben den klas-sischen Verfahren zur Herstellung von integrierten Schaltungen (Dünnschichttechnik, Lithographie, Ätztechnik und Dotierung) werden Verfahren zur Erzeugung dreidimensionaler Strukturen in Silizium vorgestellt. Des Weiteren werden die Verfahren der Aufbau- und Verbindungstechnik (Die-Bonden, Draht-Bonden und Moulding) zum Einhausen der ICs besprochen.

Reinigungsanlage für Siliziumwafer

Forschungsprojekte an der FH Dortmund

• Entwicklung einer Mikropumpe nach den Bubble-Jet-Prinzip zur Anwendung in einer EC-Karte

• Weiterentwicklung zu einer geregelten Mikro-pumpe durch den Einsatz integrierter Druck-sensoren

• Untersuchungen zur Bondalterung durch hohe Strombelastungen

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Lehrinhalte/Module

Mikroelektronik Prof. Dr. Thomas Giebel / Prof. Dr. Werner Schardein

Die Lehrveranstaltungen des Labors für Mikro-elektronik behandeln im Schwerpunkt die Halb-leiter-Elektronik, d.h. die physikalischen und tech-nischen Grundlagen der Halbleiter sowie bipolare und MOS-Transistoren, die Entwicklung von Schal-tungen mit Transistoren, Simulationsprogramme, Anwendungen von Operationsverstärkern sowie die Messtechnik. Weitere Themenfelder sind CAS (CAD in der Schaltungsentwicklung), MIS (Monolithisch Integrierte Schaltungen) und SIM (Schaltungs-entwicklung in der Mikroelektronik), die sich mit VHDL-getriebenem Systementwurf, der techno-logischen Seite der Mikroelektronik sowie der CMOS-Schaltungsentwicklung befassen.

Vorlesung, Übung und Praktikum bilden dabei immer eine pädagogische Einheit und dienen der Vermitt-lung und Vertiefung von Wissen und Kompetenzen unter verschiedenen Blickwinkeln. Projekt- und Stu-dienarbeiten verbinden stets Lehre und Forschung miteinander. Während Projektarbeiten im Labor für Mikroelektronik unter intensiver Betreuung durchge-führt werden, können Bachelor- und Masterarbeiten auch extern bei Firmen der näheren Umgebung ange-fertigt werden.

Die Projekt- und Studienarbeiten befassen sich ins-besondere mit Themenstellungen auf den Gebieten:

• Entwurfsautomatisierung, • Mikrocontroller-Entwicklung, • Verschlüsselungsverfahren.

Entwurfsautomatisierung

Mit Hilfe einer eigens entwickelten Bibliothek kann das physikalische Layout für integrierte CMOS-Schaltungen symbolisch und Technologie-invariant auf der Algorithmus-Ebene beschrieben werden. Die Beschreibung kann mit einem C-Compiler übersetzt werden. Bei der Ausführung des Codes wird die Schaltungsdatenbasis für einen beliebig vorgebbaren CMOS-Prozess automatisch erzeugt und auf ein kommerzielles Entwurfssystem übertragen. Dort fin-den dann die Standard-Prüf- und Verifikationszyklen statt. Ziel ist der fertigungsreife IC-Entwurf.

Mikrocontroller-Entwicklung

Mikrocontroller haben den Alltag jedes einzelnen weit stärker durchdrungen, als gemeinhin bekannt ist: Es wird geschätzt, dass auf jeden „sichtbaren“ PC etwa 10 mehr oder weniger unsichtbare Mikrocontrol-ler kommen. Man findet sie in der Unterhaltungs-elektronik, im Auto, in allen Bereichen der indus-triellen Produktion, in Kommunikationssystemen, in Waschmaschinen usw. Die Entwicklung geht dabei immer stärker vom universellen hin zum ganz spe-ziell auf das Problem angepassten Mikrocontroller.

Entwicklung eines universellen Registermoduls nach dem beschriebenen Verfahren im Rahmen einer Studienarbeit

Hierzu werden im Labor Mikroelektronik Kompo-nenten solcher Mikrokontroller auf der Basis von modernen Hardware-Beschreibungssprachen ent-wickelt und mit Hilfe von komplexen programmier-baren logischen Schaltungen (FPGA) realisiert und getestet. Es besteht auch die Möglichkeit, die so entwickelten Schaltungen in den Entwurf für eine integrierte Schaltung umzusetzen.

Verschlüsselungsverfahren

Vor allem durch die große Verbreitung des Internets und zunehmende Zahl drahtloser Anbindungen wird die Frage der Verschlüsselung zur Datensi-cherheit immer wichtiger. Neben allgemeinen Ana-lysen zur Verschlüsselung von Daten werden im Labor für Mikroelektronik auch spezielle Verfahren untersucht mit dem Ziel, diese in Form einer dedi-zierten Hardware für Echtzeit-Anwendungen bereit-zustellen.

Screenshot der Programmierumgebung von Altera

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Lehrinhalte/Module

So werden zum Verfahren AES (Advanced Encryption Standard) VHDL-Modelle entwickelt, die sich mit Hilfe von Synthese-Werkzeugen auf ein FPGA abbilden oder direkt monolithisch integrieren lassen.

Justierung einer Maske vor der Belichtung im Reinraum während eines Praktikums

Das Labor für Mikroelektronik umfasst zwei Prakti-kumsräume zu den Lehrveranstaltungen der Mikro-elektronik und Grundlagen der Halbleiter- und Schaltungstechnik. Für die Bachelor- und Master-Studiengänge stehen zwei Projektlabors zur Verfü-gung. Die Räume sind mit untereinander vernetzten Rechnern ausgestattet, die zum Entwurf, zur Simu-lation, zur Verifikation, zur Programmierung und Messung von Schaltungen dienen. Als Rechnerplatt-formen sind sowohl Workstations von SUN als auch Standard-PCs, die mit den Betriebssystemen Solaris, Linux und MS-Windows laufen, verfügbar. Weiterhin stehen diverse Mess- und Prüfgeräte, optische und Laser-Mikroskope sowie einige spezielle Geräte für automatisierte Testprozesse zur Verfügung. Ferner verfügt das Labor über Softwarelizenzen von Cadence und Synopsys für den vollständigen Ent-wurfsablauf für die IC- und PCB-Entwicklung sowie über Testboards von ALTERA für die Prototypen-herstellung.

Werkstoffe der Mikrosystemtechnik Prof. Dr. Ulrich Hahn

Die Eigenschaften von Mikrosystemen werden wesentlich durch die verwendeten Werkstoffe bestimmt. Deren Eigenschaften sind im atomaren bzw. molekularen Aufbau begründet sowie in der meist kristallinen Struktur der aus den Atomen aufgebauten Festkörper.

Nach einer kurzen Einführung in atomphysikalische, chemische und elektrochemische Zusammenhänge werden die Eigenschaften von Leitern, Isolatoren sowie magnetischen Werkstoffen vorgestellt. Dabei wird auch auf die Herstellung eingegangen. Halb-leiterwerkstoffe werden ausführlich im Fach „Halb-leiterphysik“ besprochen.

3D-Aufnahme der Oberfläche einer 1 Euro-Münze (Teilaus-schnitt)

Lichtmikroskopische Aufnahme eines Integrierten Schalt-kreises (Teilansicht)

Die Werkstoffe werden für die unterschiedlichsten Funktionen in Mikrosystemen verwendet. Basis eines jeden Systems ist das Substrat, auf denen die übrigen Komponenten wie zum Beispiel Leitungen, elektrische Bauelemente, Sensoren oder Aktoren aufgebaut werden. Dabei werden auch die relevan-ten physikalischen Phänomene, auf denen die Wandlung beruht, erläutert.

Mikrosysteme werden schließlich über weitere Lei-tungen elektrisch mit der Außenwelt verbunden, deren Werkstoffe wiederum anderen Anforderungen genügen müssen. Ein geeignetes Gehäuse schützt das System vor schädigenden Umwelteinflüssen.

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Lehrinhalte/Module

Mikrosensorik/MEMS Prof. Dr. Gerhard Wiegleb

Mikrosensoren werden in vielen Anwendungen der Industrie und des täglichen Lebens eingesetzt. Am Beispiel eines elektronischen Ohrthermometers kann man sehr gut diese Einsatzbereiche erkennen. Herz-stück eines solchen Thermometers ist ein Infrarot-Detektor. Dieser miniaturisierte Strahlungsdetektor

Strahlungsdetektor für Ohrthermometer

besteht aus 100 einzelnen Thermoelementen auf einem Mikrochip, der die Wärmestrahlung im Ohr erfasst und in ein Spannungssignal umwandelt. Die Spannung steigt mit der Ohrtemperatur an und wird in einer ebenfalls integrierten Auswerteelektronik in ein Temperatursignal umgewandelt und über ein Display zur Anzeige gebracht. Neben der Medizin-technik ist vor allem die Fahrzeugtechnik (z.B. Air-bagsensor), die Gebäudesystemtechnik (z.B. Bewe-gungsmelder) und die Kommunikationstechnik (z.B. Handy mit Kamera) ein wichtiger Anwendungsbereich für mikrosensorische Komponenten.

Gassensor für Wasserstoff und Edelgase

Im Hauptfach Mikrosensork werden Kenntnisse zur Sensortechnik und die entsprechenden Miniaturi-sierungsmöglichkeiten vermittelt.

Strahlungsdetektor für Bewegungsmelder

Wesentlicher Bestandteil sind die unterschied-lichen Messprinzipien zur Erfassung physikalischer und chemischer Größen. Es werden die Sensor-eigenschaften beschrieben, die zur Beurteilung der Sensorik für verschiedene Einsatzgebiete erforder-lich sind. Die Einsatzgebiete und die Anwendungs-möglichkeiten werden ebenfalls behandelt. In die-sem Zusammenhang werden auch die Integrations-verfahren (hybrid/monolithisch) besprochen, die insbesondere in Sensorsystemen durch Zusammen-schaltung mehrerer Sensoren mit einer Auswerte-elektronik wichtig sind.

Gassensorstruktur in Falschfarbendarstellung

Forschungsprojekte an der FH Dortmund

• Entwicklung miniaturisierter Gassensoren für Anwendungen in der Gebäudetechnik (Erdgas-messung für den Explosionsschutz und Kohlen-dioxidmessung für die bedarfsgerechte Lüftung in Räumen).

• Untersuchungen an miniaturisierten Druck-sensoren mit integrierter Auswerteelektronik für Anwendungen in der Automobilindustrie (z.B. Reifendruckmessung).

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Lehrinhalte/Module

MEMS-Anwendungen Prof. Dr. Gerhard Wiegleb

Mikrosysteme bestehen aus Sensoren, Aktoren und einer zentralen elektronischen Einheit - dem Control-ler oder auch Mikroprozessor. Sensoren erfassen die physikalischen Parameter wie Temperatur, Druck, Feuchtigkeit, Schadstoffe (Gase), Füllstände usw., während die Aktoren die ausführenden Organe dar-stellen. Aktoren führen Bewegungen aus, ähnlich wie das bei einem Menschen die Gliedmaßen (Füße und Beine) vollziehen. Die zentrale Steuereinheit - der Mikroprozessor - ist dann mit dem Gehirn vergleich-bar. Werden diese drei Komponenten zu einer Funkti-onseinheit zusammengefasst, spricht man von einem System. Integriert man diese Einheit schließlich zu einem miniaturisierten System, spricht man von ei-nem integrierten Mikrosystem.

Definition eines Mikrosystems

In vielen Anwendungsfällen findet allerdings keine räumlich nahe Integration der Einzelkomponenten statt. So müssen z.B. die Sensoren in der Lage sein, an verschiedenen Stellen die gewünschte Informa-tion abzufragen, was zu einer Verteilung der einzel-nen Sensoren führt. Die Kommunikation mit dem Controller erfolgt über geeignete Bus-Systeme.

Definition verteilter Mikrosysteme

Auch die Aktoren sind zumeist an unterschied-lichen Stellen platziert. Weiterhin müssen Aktoren in der Lage sein, große Stellkräfte aufzubringen, die nur durch elektromotorische Antriebe realisiert wer-den können. Daher sind verteilte Mikrosysteme der Regelfall. In vielen Anwendungsfällen werden aber auch Teilintegrationen (Sensor + Elektronik oder Aktor + Elektronik) durchgeführt.

Die Vorlesung führt in die Grundlagen, unterschied-lichen Konzepte und Anwendungsfälle von Mikro- und Sensorsystemen ein. Anhand von Beispielen werden bereits realisierte Mikrosysteme vorgestellt und hinsichtlich ihrer Funktionsweise analysiert.

Spezialgebiete/Wahlpflichtfächer der Mikrosystemtechnik Prof. Dr. Gerhard Wiegleb

Neben den beschriebenen Pflichtmodulen werden Veranstaltungen zu speziellen Themen der Mikro-systemtechnik angeboten, die zu einer indivi-duellen Vertiefung führen sollen. Diese Veran-staltungen sind aus einem Katalog (Wahlpflichtf-ächer in der Mikrosystemtechnik) je nach Neigung und Interesse des Studenten frei wählbar. Sie ge-ben dem Studenten die Möglichkeit, zusätzliche Qualifikationen zu erwerben, die er für seinen wei-teren Berufsweg für sinnvoll erachtet.

Hierzu zählen folgende Lehrveranstaltungen:

• Sensortechnik • Biometrische Identifikation • Elektromagnetische Verträglichkeit • Gassensorik • Halbleitertechnologie • Schaltungsentwurf in der Mikroelektronik • Systeme der Signalverarbeitung • Elektrochemie

•

CAD Werkzeuge in der Schaltungsintegration • Vakuumphysik • Oberflächenanalytik

Infrarot-Gassensor, smartGAS Mikrosensorik GmbH, Dortmund

Sensor

Sensor

Sensor Controller Aktor

BUS-Verbindungen

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Lehrinhalte/Module

Fachspezifisches Seminar Mikrosystemtechnik Prof. Dr. Gerhard Wiegleb (Koordinator)

Als angehender Bachelor muss der Student in der Lage sein, komplexe ingenieurwissenschaftliche Zusammenhänge systematisch erfassen und bear-beiten zu können. Im Rahmen des fachspezifischen Seminars Mikrosystemtechnik sollen die hierzu er-forderlichen übergeordneten Kenntnisse vermittelt werden. Eine weitere wichtige Fähigkeit ist die ver-ständliche Vermittlung von erklärungsbedürftigen wissenschaftlichen Ergebnissen. Der Student wird hierzu mit modernen Methoden der Präsentations- und Vortragstechnik vertraut gemacht werden.

Fachpraxis Mikrosystemtechnik Prof. Dr. Gerhard Wiegleb

Ingenieurmethodik

Im Rahmen des Grundstudiums werden erste Kenntnisse der Berichterstellung und der dafür erforderlichen Software-Werkzeuge vermittelt. Weiterhin sollen Sprachkenntnisse wie tech-nisches Englisch vertieft werden.

Grundpraktikum

Das Grundpraktikum wird parallel zu den Grund-lagenfächern Physik, Elektrotechnik und Elektro-nik angeboten und soll den Praxisbezug der Lehr-veranstaltung unterstützen.

Planung und Projektierung

Nach dem Grundstudium soll der Student eigen-ständiges wissenschaftliches Arbeiten erlernen. Die Planung und Projektierung von Aufgaben-stellungen ist hierbei eine wichtige Schlüssel-kompetenz. Begleitende Laborübungen zu den vorgegebenen Pflichtfächern runden dieses Mo-dul ab.

Fachpraktikum

Das Fachpraktikum besteht aus speziellen Labor-übungen zu den Pflicht- und Wahlpflichtmodulen im Hauptstudium.

Industrieprojekt

In dem Industrieprojekt wird der Student erst-malig mit konkreten ingenieurwissenschaftlichen Fragestellungen aus der aktuellen industriellen Praxis konfrontiert. Das Projekt wird als eigen-ständige Aufgabe über ein Semester bearbeitet.

Bachelor-Thesis Den Abschluss des Studiums bildet die Bachelor-Thesis, die ebenfalls als eigenständige ingenieur-wissenschaftliche Arbeit durchgeführt wird. Diese Arbeit kann sowohl an der Hochschule als auch in der Industrie durchgeführt werden.

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Impressum

Herausgeber Der Rektor der Fachhochschule Dortmund Prof. Dr. Eberhard Menzel

Hausanschrift Fachhochschule Dortmund Sonnenstraße 96 44139 Dortmund

Postanschrift Postfach 10 50 18 44047 Dortmund

Homepage www.fh-dortmund.de

Redaktion MST.factory dortmund GmbH www.mst-factory.com

Druck Wiemer & Partner GmbH Dortmund

Titelfoto „Excimerlaser im Einsatz“ Bartels Mikrotechnik GmbH www.bartels-mikrotechnik.de

Foto oben “Paar im Reinraum” dortmund-project www.dortmund-project.de www.mikrotechnik-dortmund.de

Stand Juli 2006

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