Mikrosystemtechnik: Konzepte und Anwendungen

298 Pages·2004·10.58 MB·German

by  Ulrich Mescheder (auth.)

Ulrich Mescheder
Mikrosystemtechnik
--~-~-
Sen sorscha Itu ngen
von P. Baumann
Elemente der angewandten Elektronik
von E. Bohmer, D. Ehrhardt und W. Oberschelp
Digitaltechnik
von K. Fricke
M ikrosystemtechnik
von U. Hilleringmann
Silizium-Ha Ibleitertechnologie
von U. Hilleringmann
Grundkurs Leistungselektronik
von J. Specovius
Simulation elektronischer Schaltungen mit MICRO-CAP
von 1. Vester
Praxiswissen Mikrosystemtechnik
von F. Vol klein und T. letterer
Mikroprozessortechnik
von K. WUst
Elektronik
von D. Zastrow
www.viewegteubner.de ___________________- '
Ulrich Mescheder
Mikrosystemtechnik
Konzepte und Anwendungen
2., Gberarbeitete und erganzte Auflage
Mit 175 Abbildungen, 23 Tabellen und 95 Aufgaben
STUDIUM
•
VI EWEG+
TEUBNER
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chlorfrei gebleichtem Papier gedruckt. Die EinschweiBfolie besteht aus Polyathylen und damit aus
organischen Grundstoffen, die weder bei der Herstellung noch bei der Verbrennung Schadstoffe frei
setzen.
1. Auflage 2000
2., Gberarbeitete und ergiinzte Auflage 2004
Unveriinderter Nachdruck 2010
Aile Rechte vorbehalten
© Vieweg+Teubner Verlag I Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 2004
Softcover reprint of the hardcover 2nd edition 2004
Lektorat: Reinhard Dapper I Andrea BroBler
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berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im
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von jedermann benutzt werden dGrften.
ISBN-13: 978-3-519-16256-8 e-ISBN-13: 978-3-322-84878-9
DOl: 10.1007/978-3-322-84878-9
Vorwort zur zweiten Auflage
Die Uberarbeitung eines Lehrbuchs in einem sich sehr schnell entwickelndem Gebiet wie der
Mikrosystemtechnik ist eigentlich eine Daueraufgabe. Allerdings ist eine kontinuierliche Uberar
beitung fUr das Medium Buch (noch) nicht moglich (vielleicht eroffnet zukiinftig auch in diesem
Bereich die Mikrosystemtechnik neue Moglichkeiten). Aufgrund der iiberaus positiven Aufnah
me der ersten Auflage habe ich mich daher nach Riicksprache mit dem Teubner Verlag entschlos
sen, die Anderungen der zweiten Auflage im Wesentlichen auf die erforderlichen Korrekturen
und einige wenige Erganzungen zu beschranken. Die Erganzungen betreffen dabei die Kapitel
1 (neue Marktdaten), Kapitel 2 (neue Technologien), Kapitel 3 (aufgrund der neueren Entwick
lungen haben Drehratensensoren ein groBeres Gewicht bekommen) und Kapitel 4 (Mikrorelais
und Mikroschalter insbesondere fiir den HF-Bereich als wichtige neue Produktfelder der Mikro
systemtechnik). 1m Anhang wird ein Finite-Elemente-Modell zu einem Problem mit gekoppelten
Feldern vorgestellt. Weiterhin wurde die Literaturnummerierung auf eine Kapitel bezogene Num
merierung umgestellt.
Natiirlich gibt es noch viele andere Bereiche, die schon heute eine Aufnahme in ein Lehr
buch iiber Mikrosystemtechnik verdient hatten. So sind im Uberlappungsbereich zwischen Bio
technologie und Mikrosystemtechnik wichtige Entwicklungen entstanden. Auch die MOEMS
(Micro-optical-electro-mechanical systems) haben sich stark entwickelt, v.a. in den USA. Und in
einigen Bereichen werden aus MEMS (Micro-electro-mechanical systems) nun NEMS (Nano
electro-mechanical systems), d.h. die Mikrotechnologie geht dort in die Nanotechnologie iiber.
Auch im Bereich der Entwurfs-und Simulationswerkzeuge haben sich in den letzten Jahren
Entwicklungen erg eben, die sicher einen Abschnitt verdient hatten. All diese Gebiete sind aber
einer zukiinftigen Uberarbeitung vorbehalten.
In dieser Auflage ging es neben den genannten Korrekturen und Ergiinzungen auch darum,
das Lehrbuch fUr Studierende erschwinglicher zu machen. Hierzu dient der leicht vergr6Berte
Satzspiegel, durch den trotz der Erganzungen von mehr als 30 Manuskriptseiten die Anzahl der
Druckseiten reduziert werden konnte. Zusatzlich wurde aus diesem Grund auch Anzeigen aus
dem Bereich der Mikrosystemtechnik aufgenommen. Den Inserenten sei an dieser Stelle fUr die
Unterstiitzung gedankt. Ein besonderer Hinweis sei an dieser Stelle auf den Masterstudiengang
Microsystems Engineering erlaubt, der seit dem Jahr 2000 an der FH Furtwangen angeboten
wird. Dies Buch wird auch in diesem Masterprogramm eingesetzt.
Danken mochte ich Dr. Rolf Huster, Dr. Wolfgang Kronast, Dip!. Phys. Bernhard Miiller und
Dip!. Ing. (cand.) Stefan Mescheder fUr das Korrekturlesen und MSc. Markus Freudenreich fUr
die U nterstiitzung bei einigen Grafiken und beim FEM -Anhang. Wie schon bei der ersten Auflage
hat Herr Werner Kramer die Umsetzung in BTEX vorgenommen. Herrn Dr. Feuchte yom Teub
ner Verlag gebiihrt Dank fiir die Begleitung bei der Realisierung der 2.Auflage.
Danken mochte ich last but not least meiner Lebenspartnerin Cornelia M. fiir liebevolles Ver
standnis seit nunmehr mehr als 25 Jahren.
Zum Schluss noch ein technischer Hinweis: Zu diesem Buch werden weitere Inforrnationen
Online zur Verfiigung gestellt.
VI
Unter
http://www.rnescheder.net/ulrich
bzw.
http://www.fh-furtwangen.de/-rneschede/Buch-MST
findet man eine aktuelle Korrekturliste, L6sungen zu den Ubungsaufgaben und weitere Ubungs
aufgaben.
Furtwangen, Juni 2004 Ulrich Mescheder
Vorwort zur ersten AufJage
Die Mikrosystemtechnik ist ein zwar junges, aber sich schnell entwickelndes Teilgebiet der Tech
nik. Die wirtschaftliche Bedeutung wird bereits heute oft mit der der Mikroelektronik verglichen,
obgleich viele Arbeiten noch immer Forschungscharakter haben. Aber die M6g1ichkeiten sind im
mens, erlaubt doch die Mikrosystemtechnik wie die Mikroelektronik ein »Wachsen ins Kleine«
wie Walter Kroy - einer der geistigen »Vater« der Mikrosystemtechnik einmal treffend formu
lierte. Dadurch werden Systeme, die heute z.B. mit Methoden der Feinwerktechnik hergestellt
werden, nicht nur kleiner und leistungsfahiger sondern insbesondere billiger.
Da sehr unterschiedliche Funktionselemente zu Mikrosystemen vereinigt (»integriert«) wer
den, ist die Entwicklung von Mikrosystemen komplex und hochgradig interdisziplinar. Zurecht
haben sich daher in den vergangenen Jahren unterstUtzt durch entsprechende politische Vorgaben
an vie len deutschen Hochschulen Studiengange oder an etablierte ingenieurwissenschaftliche
Studiengange angegliederte Schwerpunkte gebildet, in denen Ingenieure in Mikrosystemtechnik
ausgebildet werden. Dadurch ist eine wichtige Rahmenbedingung ftir die industrielle Umsetzung
der M6glichkeiten, die Mikrosystemtechnik bietet, gegeben. Denn noch immer sind vielen - ge
rade kleinen und mittelstandischen - Unternehmen die technischen M6glichkeiten der Mikrosy
stemtechnik nicht hinreichend bekannt. Ohne dieses Wissen k6nnen aber die Markte der Mikro
systemtechnik nicht wachsen. Erst Vertrautheit und Erfahrung mit einem neuen technischen Feld
erm6glicht eine zielgerichtete, erfolgreiche Produktentwicklung.
Ein Lehrbuch tiber ein so junges Fachgebiet wie die Mikrosystemtechnik gibt notwendiger
weise einen subjektiven, momentanen Blickwinkel wieder. Die Entwicklungen in der Mikrosy
stemtechnik sind noch lange nicht abgeschlossen, so dass man kein scharf abgrenzbares Gebiet
vor sich hat. Standig wird von neuen Entwicklungen berichtet, kommen neue Produkte auf den
Markt. Das vorliegende Buch trifft eine auf der heutigen Sichtweise des Autors beruhende Aus
wahl an Themen, wobei versucht wurde, auch ganz aktuelle Entwicklungen zu berticksichtigen.
Besonderer Wert wurde auf das Herausarbeiten der wesentlichen Konzepte der Mikrosystem
technik gelegt. Immer wieder werden dazu gerade Werkstofffragen und Werkstoffeigenschaften
intensiv behandelt.
Das Buch basiert auf einer Vorlesungsreihe mit insgesamt sechs Semesterwochenstunden, die
an der FH Furtwangen, Hochschule fUr Technik und Wirtschaft, seit 1992 im Hauptstudium der
Mikrosystemtechnik bzw. der Feinwerktechnik angeboten wird. Die Auswahl und Gliederung
VII
erfolgt dabei einmal nach »Produkten«: im FaIle der Mikrosystemtechnik sind das Sensoren
(Kapitel 3) und Aktoren (Kapitel 4). In den einfUhrenden Kapiteln 1 und 2 wird auf die Begriffs
bestimmung, wirtschaftliche Bedeutung und auf die Herstellungsverfahren eingegangen. Die Op
tik ist ein eigenstandiges Fachgebiet. Die Mikrooptik und insbesondere die Integrierte Optik
(der Begriff ist eigentlich alter als der Begriff Mikrosystemtechnik) konnen jedoch zumindest in
Teilbereichen der Mikrosystemtechnik zugerechnet werden. Dieses Thema wird daher in einem
eigenstandigen Kapitel behandelt (Kapitel 5).
Die Darstellung des »Systemgedankens« ist die sicherlich schwierigste Aufgabe bei einem
Buch tiber Mikrosystemtechnik. In diesem Buch wird kein systemanalytischer, sondern ein
»hardware-orientierter« Ansatz verfolgt: Der Systemgedanke wird an einzelnen Realisierungs
beispielen, anhand der Aufbau- und Verbindungstechnik und am Beispiel der Simulation erlau
tert.
Ich hoffe, dass die gewiihlte Auswahl den Lesern Interessantes und Wissenswertes liefert, tiber
Anregungen und auch Kritik wtirde ich mich sehr freuen (email: [email protected]).
Zum Schluss mochte ich allen danken, die zum Gelingen des Buches beigetragen haben:
Herm Dr. Christoph Nachtigall fUr das kritische Korrekturlesen, Frau Dipl. Ing. Eva Spale, Frau
Dipl. Ing. Christiane Kotter und meinem Sohn Stefan fUr die Untersttitzung beim Anfertigen der
Grafiken und bei der Bildbearbeitung. Herm Dr. Jens Schlembach yom Teubner Verlag danke
ich fUr die Anregung zum Schreiben des Buches und die Begleitung wiihrend der (leider lange
ren) Realisierungsphase. Herr Werner Kramer-Kranz hat durch seine Arbeiten beim Setzen des
Buches fUr ein ansprechendes AuBeres gesorgt.
Danken mochte ich auch allen, die mich nicht nur in der durch Forschungs-und Lehraufgaben
ohnehin schon mehr als ausgeftillten Zeit des Schreibens dieses Buches sondern auch dariiber
hinaus Unterstiitzung und Bestiirkung gaben: Meinen Eltern, Freunden und meiner Familie.
Furtwangen, Juni 1999
Inhaltsverzeichnis
1 Einfiihrung und BegritTsbestimmung 1
1.1 Begriffsdefinition Mikrosystemtechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. I
1.2 Wirtschaftliche Bedeutung . 3
1.3 Aufgaben zur Lernkontrolle ....... 10
2 WerkstotTe und technologische Grundlagen 11
2.1 Werkstoffe fUr Mikrosysteme . . . 11
2.2 Kristallographische Grundbegriffe . . 11
2.3 Werkstoffdaten von Silizium . . . . . 15
2.4 Ubersicht tiber Herstellungsverfahren 17
2.4.1 Aus Mikroelektronik abgeleitete Herstellungsverfahren . 18
2.4.2 Si-Volumenmikromechanik .. 30
2.4.3 Si-OberfHichenmikromechanik.. 39
2.4.4 LIGA-Verfahren . . . . . . . . . 44
2.4.5 Neuere Verfahrensentwicklungen 49
2.5 Aufgaben zur Lernkontrolle 58
3 Mikromechanische Sensoren 61
3.1 Si-Drucksensoren..... 61
3.1.1 Mechanische Eigenschaften 61
3.1.2 Piezoresistiver Effekt . . . . 68
3.1.3 GestaItungsbeispiele von Si-Drucksensoren 79
3.1.4 Verbindungstechnik fUr Drucksensoren . . 84
3.1.5 BetriebsverhaIten piezoresistiver Drucksensoren 86
3.1.6 Alternative Realisierungsprinzipien von Si-Drucksensoren 87
3.1. 7 Industrielle Realisierungsbeispiele von Drucksensoren . . 91
3.2 Si-Beschleunigungssensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
3.2.1 Mechanische Beschreibung von Beschleunigungssensoren 93
3.2.2 Wandlerprinzipien fUr mikromechanische Beschleunigungssensoren 96
3.2.3 Realisierungsbeispiele von Beschleunigungssensoren . 98
3.3 Abgeleitete mikromechanische Sensoren . 102
3.3.1 Vibrationssensoren 102
3.3.2 Neigungssensoren ..... . 103
3.3.3 Drehratensensoren . . . . . . 105
3.3.4 Mikromechanische Mikrofone 115
3.4 Aufgaben zur Lernkontrolle ... 117
X Inhaltsverzeichnis
4 Aktorik in der Mikrosystemtechnik 121
4.1 Antriebsprinzipien ..... . · 122
4.1.1 Elektrostatische Antriebe . · 122
4.1.2 Piezoelektrische Antriebe · 124
4.1.3 Magnetostriktive Antriebe · 130
4.1.4 Antriebe mit Formgedachtnis-Legierungen 132
4.1.5 Thermische Aktoren . . . . . . . . . . . . 136
4.1.6 Elektro-und Magnetorheologische Aktoren 138
4.1.7 Elektromagnetische Aktoren ..... 139
4.2 Realisierungsbeispiele fiir Mikroaktoren . 141
4.2.1 Mikroventile und Mikropumpen · 141
4.2.2 Tintenstrahldruckkopfe. · 146
4.2.3 Mikrospiegel.......... · 150
4.2.4 Mikroschalter.......... · 153
4.2.5 Mikromechanische Verstelleinheiten . · 163
4.2.6 Mikromotoren ... 166
4.3 Fragen zur Lemkontrolle . . . . . . . . . · 169
5 Optik in der Mikrosystemtechnik 175
5.1 Integrierte Optik ................. . · 175
5.1.1 Grundlegende Konzepte der integrierten Optik · 176
5.1.2 Grundelemente der Integrierten Optik . . . . . · 186
5.1.3 Anwendungsbeispiele fiir integriert-optische Elemente .202
5.2 Diffraktive Optik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .208
5.2.1 Grundlegende Konzepte der diffraktiven Optik . . . . .209
5.2.2 Herstellungsverfahren fiir diffraktiv optische Bauelemente .211
5.2.3 Diffraktiv-optische Bauelemente . · 212
5.3 Aufgaben zur Lemkontrolle ................. . .214
6 Systemtechniken 219
6.1 Integrationstechniken auf Chipebene . .220
6.1.1 Hybridintegration......... .220
6.1.2 Monolithische Integration .. . . · 221
6.2 Verbindungstechnik auf Wafer- und Chipebene .223
6.2.1 Anodische Verbindung . .224
6.2.2 Glaslotverbindung . . . .225
6.2.3 Eutektische Verbindung .226
6.2.4 Si-Si-Direktverbindung. .227
6.2.5 Kleben ... . . . . . . .229
6.2.6 Polymere Verbindungsschichten .230
6.3 Gehausetechnik........ · 231
6.3.1 Elektrische Kontaktierung · 231
6.3.2 Gehausetypen....... .233
6.3.3 Chipabdeckung...... .236
6.4 Kommunikationsstrukturen innerhalb und zwischen Mikrosystemen .. 237
Inhaltsverzeichnis XI
6.4.1 Schnittstellenstandards. . 237
6.4.2 Bus-Architektur . . 241
6.5 Mikrosystementwurf . . . . . 243
6.5.1 Entwurfsstrategien... . 244
6.5.2 Modellierung von Mikrosystemen . 246
6.5.3 Simulation von Mikrosystemen . . 250
6.5.4 Spezielle Simulatoren fUr Mikrosysteme . . 253
6.6 Aufgaben zur Lemkontrolle ......... . 255
Anhang 257
A FEM-Simulation (ANSYS) mit gekoppeJten Feldem 259
A.l Sensorbeschreibung.... . 259
A.2 Eingabedatei ftir ANSYS . . 259
A.3 Ergebnisse der Simulation . 262
B Formelzeichen 265
Tabellenverzeichnis 269
Abbildungsverzeichnis 270
Stichwortverzeichnis 289