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Vorlesung MSA - mimed
Willkommen Technische Universität München Lehrstuhl für Mikrotechnik und Medizingerätetechnik o. Prof. Dr. Tim Lüth 1.Vorlesung Mikrotechnische Sensoren/Aktoren Dr. Irlinger Mikrotechnische Sensoren / Aktoren - 1.Vorlesung Micro Technology and Medical Device Technology o. Prof. Dr. rer. nat. Tim C. Lueth Fakultät Maschinenwesen Medizinische Fakultät Klinikum rechts der Isar Termine und Kontakt Termine 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 Mikrotechnische Sensoren / Aktoren - 1.Vorlesung Micro Technology and Medical Device Technology o. Prof. Dr. rer. nat. Tim C. Lueth https://www.moodle.tum.de/ Fakultät Maschinenwesen Medizinische Fakultät Klinikum rechts der Isar 2 Inhalt der Vorlesung • Einführung • Werkstoffe der Mikrosystemtechnik – Konstruktionswerkstoffe – Funktionswerkstoffe • Fertigungsverfahren – Chipfertigung – Mikrotechnik – Feingerätetechnisch – Verbindungstechnik • Mikrotechnische Aktoren • Mikrotechnische Sensoren • Anwendungsbeispiele Mikrotechnische Sensoren / Aktoren - 1.Vorlesung Micro Technology and Medical Device Technology o. Prof. Dr. rer. nat. Tim C. Lueth Fakultät Maschinenwesen Medizinische Fakultät Klinikum rechts der Isar 3 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 Mikrotechnische Sensoren / Aktoren - 1.Vorlesung Micro Technology and Medical Device Technology o. Prof. Dr. rer. nat. Tim C. Lueth Fakultät Maschinenwesen Medizinische Fakultät Klinikum rechts der Isar 4 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 8 http://www.halbleiter.org/ 9 www.microchemicals.de/technische_infos 10 www.mst-ausbildung.de Portal zur Mikrosystemtechnik mit Lexikon, News, Jobbörsen etc. Informationen rund um die Prozesstechnologie der Mikroelektronik Informationen rund um die Prozesstechnologie der Mikroelektronik Portal zur Weiter- bzw. Ausbildung in der Mikrosystemtechnik Mikrotechnische Sensoren / Aktoren - 1.Vorlesung Micro Technology and Medical Device Technology o. Prof. Dr. rer. nat. Tim C. Lueth Fakultät Maschinenwesen Medizinische Fakultät Klinikum rechts der Isar 5 Definitionen Mechatronik Nanotechnologie Mikrotechnik Mikrosystemtechnik Batch-Prozess Sensoren Aktoren MEMS Mikrotechnische Sensoren / Aktoren - 1.Vorlesung Micro Technology and Medical Device Technology o. Prof. Dr. rer. nat. Tim C. Lueth Fakultät Maschinenwesen Medizinische Fakultät Klinikum rechts der Isar 6 Definitionen Mechatronik "Mechatronik ist eine Ingenieurwissenschaft, die die Funktionalität eines technischen Systems durch eine enge Verknüpfung mechanischer, elektronischer und datenverarbeitender Komponenten erzielt" Mikrotechnische Sensoren / Aktoren - 1.Vorlesung Micro Technology and Medical Device Technology o. Prof. Dr. rer. nat. Tim C. Lueth Fakultät Maschinenwesen Medizinische Fakultät Klinikum rechts der Isar 7 Definitionen Mikrotechnik "Technologien, die die Herstellung miniaturisierter mechanischer, optischer und elektronischer Komponenten und ihre Integration ermöglichen. Fertigungstechnische Basis der wichtigsten Verfahren ist die Halbleitertechnologie. Typische Größenordnung der Auflösung ist der µm-Bereich" Mikrotechnische Sensoren / Aktoren - 1.Vorlesung Micro Technology and Medical Device Technology o. Prof. Dr. rer. nat. Tim C. Lueth Fakultät Maschinenwesen Medizinische Fakultät Klinikum rechts der Isar 8 Definitionen Batch-Prozess "Fertigungsprozess, bei dem viele Siliziumscheiben, auf denen sich viele Chips befinden, gleichzeitig bearbeitet werden" Mikrotechnische Sensoren / Aktoren - 1.Vorlesung Micro Technology and Medical Device Technology o. Prof. Dr. rer. nat. Tim C. Lueth Fakultät Maschinenwesen Medizinische Fakultät Klinikum rechts der Isar 9 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 Mikrotechnische Sensoren / Aktoren - 1.Vorlesung Micro Technology and Medical Device Technology o. Prof. Dr. rer. nat. Tim C. Lueth Fakultät Maschinenwesen Medizinische Fakultät Klinikum rechts der Isar 10 Definitionen Parallele Bewegung zu den Elektroden Aktoren Senkrechte Bewegung zu den Elektroden "Aktive Verbindungsglieder zwischen dem informationsverarbeitenden Teil von elektrischen Steuerungen und technischen oder nichttechnischen Prozessen" Mikrotechnische Sensoren / Aktoren - 1.Vorlesung Micro Technology and Medical Device Technology o. Prof. Dr. rer. nat. Tim C. Lueth beweglicher Teil feste Elektroden Ankerpunkt Bondpad Fakultät Maschinenwesen Medizinische Fakultät Klinikum rechts der Isar 11 Definitionen Sensoren Kondensator-Elektroden Membran "Elemente, die physikalische, chemische oder biologische Eingangssignale in elektrische Ausgangssignale umwandeln" Mikrotechnische Sensoren / Aktoren - 1.Vorlesung Micro Technology and Medical Device Technology o. Prof. Dr. rer. nat. Tim C. Lueth Fakultät Maschinenwesen Medizinische Fakultät Klinikum rechts der Isar 12 Definitionen MEMS "Micro Electro Mechanical Systems. Amerikanische Bezeichnung für Mikrosystemtechnik" Mikrotechnische Sensoren / Aktoren - 1.Vorlesung Micro Technology and Medical Device Technology o. Prof. Dr. rer. nat. Tim C. Lueth Fakultät Maschinenwesen Medizinische Fakultät Klinikum rechts der Isar 13 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 Mikrotechnische Sensoren / Aktoren - 1.Vorlesung Micro Technology and Medical Device Technology o. Prof. Dr. rer. nat. Tim C. Lueth Fakultät Maschinenwesen Medizinische Fakultät Klinikum rechts der Isar 14 Einsatz von Mikrosystemtechnik Automatisierungstechnik Energietechnik Verkehrsleittechnik Fahrzeugtechnik Nachrichtentechnik Fertigungstechnik Mikrosysteme Multimediatechnik Gebäudemanagement Messtechnik Informationstechnik Medizintechnik Kommunikationstechnik Mikrotechnische Sensoren / Aktoren - 1.Vorlesung Micro Technology and Medical Device Technology o. Prof. Dr. rer. nat. Tim C. Lueth Fakultät Maschinenwesen Medizinische Fakultät Klinikum rechts der Isar 15 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) Mikrotechnische Sensoren / Aktoren - 1.Vorlesung Micro Technology and Medical Device Technology o. Prof. Dr. rer. nat. Tim C. Lueth Fakultät Maschinenwesen Medizinische Fakultät Klinikum rechts der Isar 16 Märkte – Branchen Mikrotechnische Sensoren / Aktoren - 1.Vorlesung Micro Technology and Medical Device Technology o. Prof. Dr. rer. nat. Tim C. Lueth Fakultät Maschinenwesen Medizinische Fakultät Klinikum rechts der Isar 17 Märkte – Produkte Mikrotechnische Sensoren / Aktoren - 1.Vorlesung Micro Technology and Medical Device Technology o. Prof. Dr. rer. nat. Tim C. Lueth Fakultät Maschinenwesen Medizinische Fakultät Klinikum rechts der Isar 18 Chance Mikrotechnische Sensoren / Aktoren - 1.Vorlesung Micro Technology and Medical Device Technology o. Prof. Dr. rer. nat. Tim C. Lueth Fakultät Maschinenwesen Medizinische Fakultät Klinikum rechts der Isar 19 Einsatz im Automobilbau Sicherheit Antriebsstrang • Abstandsradar (ACC, Precrash) • Ladedrucksensor (Motronic) • Neigungssensor (Scheinwerfer) • Luftmassensensor, Klopfsensor • Hochdrucksensor (ESP) • Hochdrucksensor (Benzineinspritzung) • Drehmomentsensor (Servolenkung) • Lambda-Sonde (Abgasregelung) • Drehzahlsensor (Motronic) • Lenkradwinkelsensor (ESP) • Pedalwertgeber (EHB) • Beschleunigungssensor (Airbag) • Sitzbelegungssensor (Airbag) • Drehratensensor (ESP) • Beschleunigungssensor (ABS) • Neigungssensor (Diebstahlsicherung) • Drehratensensor (Überrollsensierung) • Drehzahlsensor (ABS) • Drucksensor (Reifendruck) Komfort • Drehratensensor (Navigation) • Luftgütesensor (Klimaregelung) • Feuchte-/Temperatursensor (Klima) • Drucksensor (Zentralverriegelung) • Regensensor (Scheibenwischer) • Abstandsensor Mikrotechnische Sensoren / Aktoren - 1.Vorlesung Micro Technology and Medical Device Technology o. Prof. Dr. rer. nat. Tim C. Lueth Fakultät Maschinenwesen Medizinische Fakultät Klinikum rechts der Isar 20 Einsatz in der Medizintechnik Stents Smart pills Mikrotechnische Sensoren / Aktoren - 1.Vorlesung Micro Technology and Medical Device Technology o. Prof. Dr. rer. nat. Tim C. Lueth Fakultät Maschinenwesen Medizinische Fakultät Klinikum rechts der Isar 21 Einsatz im Tintendruck - Backshooter Mikrotechnische Sensoren / Aktoren - 1.Vorlesung Micro Technology and Medical Device Technology o. Prof. Dr. rer. nat. Tim C. Lueth Fakultät Maschinenwesen Medizinische Fakultät Klinikum rechts der Isar 22 Wo steht die Mikrotechnik Maschinenbau Maschinen Feinwerktechnik Mikrotechnik Nanotechnik Mikrotechnische Sensoren / Aktoren - 1.Vorlesung Micro Technology and Medical Device Technology o. Prof. Dr. rer. nat. Tim C. Lueth Fakultät Maschinenwesen Medizinische Fakultät Klinikum rechts der Isar 23 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“ http://www.green-the-future.de/sites/Feynman.html Wann begann die Mikrotechnik? „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.“ Mikrotechnische Sensoren / Aktoren - 1.Vorlesung Micro Technology and Medical Device Technology o. Prof. Dr. rer. nat. Tim C. Lueth Fakultät Maschinenwesen Medizinische Fakultät Klinikum rechts der Isar 24 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 1 Lichtjahr, Ij = 0,946 * 1016 m 109 giga- Gm 1 ,4 Durchmesser der Sonne 1 astronomische Einheit, AE = 1,5 1011 m 106 mega- Mm 12,7 Durchmesser der Erde 1 Angström, A = 10-10 m 103 kilo- km 10 Dicke der Biosphäre 1 X-Einheit, XE = 1,002 10-13 m 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 Mikrotechnische Sensoren / Aktoren - 1.Vorlesung Micro Technology and Medical Device Technology o. Prof. Dr. rer. nat. Tim C. Lueth Fakultät Maschinenwesen Medizinische Fakultät Klinikum rechts der Isar 25 Größenordnungen Zum Vergleich: menschliche Hand 1m 100 mm 10 mm Wassertropfen Haardurchmesser Mikrotechniken Zelle Virus 1 mm 100 µm Leiterplattenabmessungen Chipgrößen Waferdicken 500 – 1000 µm mikromechanische Strukturen 10 µm 1 µm 100 nm 10 nm DNA Siliziumwaferdurchmesser 4‘‘ 1 nm Stukturauflösung opt. Lithografie Wellenlänge sichtbares Licht Dünnfilmschichtdicken Gitterkonstante Silizium 0,542 nm 100 pm Mikrotechnische Sensoren / Aktoren - 1.Vorlesung Micro Technology and Medical Device Technology o. Prof. Dr. rer. nat. Tim C. Lueth Entnommen aus: „Wehl“ Fakultät Maschinenwesen Medizinische Fakultät Klinikum rechts der Isar 26
