Willkommen o. Prof. Dr. Tim Lüth 1.Vorlesung ... · 5) Fertigungsverfahren der Mikroelektronik und Mikrotechnik 6) Verbindungstechnik und Rapid Prototyping 7) Aktoren – Grundlagen,

Micro Technology and Medical

Device Technology

o. Prof. Dr. rer. nat. Tim C. Lueth

Medizinische Fakultät

Klinikum rechts der Isar

Fakultät

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


Device Technology




Fakultät

Maschinenwesen

Mikrotechnische Sensoren / Aktoren - 1.Vorlesung 2

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

[email protected]

Übung

Dipl.-Ing. M. Kagerer

Raum MW 1128

Tel.: 289/15166

[email protected]

Unterlagen https://www.moodle.tum.de/

Termine Kontakt


Device Technology




Fakultät

Maschinenwesen


Inhalt der Vorlesung

• Einführung

• Werkstoffe der Mikrosystemtechnik

– Konstruktionswerkstoffe

– Funktionswerkstoffe

• Fertigungsverfahren

– Chipfertigung

– Mikrotechnik

– Feingerätetechnisch

– Verbindungstechnik

• Mikrotechnische Aktoren

• Mikrotechnische Sensoren

• Anwendungsbeispiele


Device Technology




Fakultät

Maschinenwesen


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


Device Technology




Fakultät

Maschinenwesen


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

http://www.mstonline.de/

http://www.halbleiter.org/

http://www.microchemicals.de/technische_infos

http://www.mst-ausbildung.de/




Device Technology




Fakultät

Maschinenwesen


MEMS

Definitionen

Aktoren

Nanotechnologie

Mikrotechnik Mikrosystemtechnik

Mechatronik

Sensoren

Batch-Prozess


Device Technology




Fakultät

Maschinenwesen


Definitionen

Mechatronik

"Mechatronik ist eine Ingenieurwissenschaft, die

die Funktionalität eines technischen Systems

durch eine enge Verknüpfung mechanischer,

elektronischer und datenverarbeitender

Komponenten erzielt"


Device Technology




Fakultät

Maschinenwesen


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"


Device Technology




Fakultät

Maschinenwesen


Definitionen

Batch-Prozess

"Fertigungsprozess, bei dem viele

Siliziumscheiben, auf denen sich viele

Chips befinden, gleichzeitig bearbeitet

werden"


Device Technology




Fakultät

Maschinenwesen


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


Device Technology




Fakultät

Maschinenwesen


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


Device Technology




Fakultät

Maschinenwesen


Definitionen

Sensoren

"Elemente, die physikalische,

chemische oder biologische

Eingangssignale in elektrische

Ausgangssignale umwandeln"

Kondensator-Elektroden

Membran


Device Technology




Fakultät

Maschinenwesen


MEMS

Definitionen

"Micro Electro Mechanical Systems.

Amerikanische Bezeichnung für

Mikrosystemtechnik"


Device Technology




Fakultät

Maschinenwesen


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


Device Technology




Fakultät

Maschinenwesen


Einsatz von Mikrosystemtechnik

Energietechnik

Fahrzeugtechnik

Fertigungstechnik

Gebäudemanagement

Informationstechnik

Kommunikations- technik

Medizintechnik

Messtechnik

Multimediatechnik

Nachrichtentechnik

Verkehrsleittechnik

Automatisierungs- technik

Mikrosysteme


Device Technology




Fakultät

Maschinenwesen


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)


Device Technology




Fakultät

Maschinenwesen


Märkte – Branchen


Device Technology




Fakultät

Maschinenwesen


Märkte – Produkte


Device Technology




Fakultät

Maschinenwesen


Chance


Device Technology




Fakultät

Maschinenwesen


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


Device Technology




Fakultät

Maschinenwesen


Einsatz in der Medizintechnik

Stents Smart pills


Device Technology




Fakultät

Maschinenwesen


Einsatz im Tintendruck - Backshooter


Device Technology




Fakultät

Maschinenwesen


Wo steht die Mikrotechnik

Maschinenbau

Maschinen

Feinwerktechnik

Mikrotechnik

Nanotechnik


Device Technology




Fakultät

Maschinenwesen


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.“

htt

p:/

/ww

w.g

ree

n-t

he

-fu

ture

.de

/site

s/F

eyn

ma

n.h

tml


Device Technology




Fakultät

Maschinenwesen


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


Device Technology




Fakultät

Maschinenwesen


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“

Documents

Willkommen o. Prof. Dr. Tim Lüth 1.Vorlesung ... · 5) Fertigungsverfahren der Mikroelektronik und Mikrotechnik 6) Verbindungstechnik und Rapid Prototyping 7) Aktoren – Grundlagen,