Mikrosystemtechnik: Konzepte und Anwendungen

331 Pages·2000·9.4 MB·German

by  Professor Dr. Ulrich Mescheder (auth.)

U. Mescheder
Mikrosystemtechnik
Mikrosystemtechnik
Konzepte und Anwendungen
Von Professor Dr. Ulrich Mescheder
Fachhochschule Furtwangen
University of Applied Sciences
Mit 157 Bildern und 21 Tabellen
ä3
B. G.Teubner Stuttgart· Leipzig 2000
Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme
Ein Titeldatensatz für diese Publikation ist bei
Der Deutschen Bibliothek erhältlich
ISBN 978-3-519-06256-1 ISBN 978-3-322-94037-7 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-322-94037-7
Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechlich geschützt. Jede Ver
wertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustim
mung des Verlages unzulässig und strafbar. Das gilt besonders fUr VervieWiltigun
gen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung
in elektronischen Systemen.
© 2000 B. G. Teubner Stuttgart . Leipzig
Satz: Wemer Krämer-Kranz, Berlin
Urnschlaggestaltung: Peter Pfitz, Stuttgart
Titelbild: HSG-IMIT (Villingen-Schwenningen)
mit freundlicher Genehmigung Wolfram Geiger
Inhaltsverzeichnis
Vorwort 1
1 Einführung und Begriffsbestimmung 3
1.1 Begriffsdefinition Mikroystemtechnik ................................... 3
1.2 Wirtschaftliche Bedeutung..... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3 Aufgaben zur Lernkontrolle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2 Werkstoffe und technologische Grundlagen 11
2.1 Werkstoffe für Mikrosysteme ............................................ 11
2.2 Kristallographische Grundbegriffe....................................... 12
2.3 Werkstoffdaten von Silizium. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.4 Übersicht über Herstellungsverfahren ................................... 19
2.4.1 Aus Mikroelektronik abgeleitete Herstellungsverfahren ....... 20
2.4.1.1 Beschichtungsverfahren und Schichtbeeinflussung . . . 21
2.4.1.2 Belichtungsverfahren (Lithographie) ................. 27
2.4.1.3 Ätzverfahren ........................................... 31
2.4.2 Si-Bulk-Mikromechanik .......................................... 34
2.4.2.1 Anisotopes Ätzen von kristallinem Si ................ 34
2.4.2.2 Layoutregeln bei Si-Bulk-Mikromechanik............ 36
2.4.2.3 Ätzlösungen für anisotropes Ätzen von Si ........... 39
2.4.2.4 Ätzstopp-Verfahren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 41
2.4.3 Si-Oberflächenmikromechanik ....... ............... ....... ...... 45
2.4.3.1 Opferschichttechnik .................................... 47
2.4.3.2 Stressreduktion in Funktionsschicht . . . . . . . . . . . . . . . . .. 49
VI Inhaltsverzeichnis
2.4.3.3 Verklebungsproblematik bei Oberflächenstruk-
turen (stiction) ................. ........... ... ... . . ..... 50
2.4.3.4 Anwendungsbeispiele der OFM....................... 51
2.4.4 LIGA-Verfahren.......................... .................. ...... 52
2.4.4.1 Tiefenlithographie ..................................... 53
2.4.4.2 Abformtechnik................................... ...... 54
2.4.4.3 Kostengünstige LIGA-Verfahren...................... 58
2.5 Aufgaben zur Lernkontrolle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 62
3 Mikromechanische Sensoren 65
3.1 Si-Drucksensoren......................................................... 65
3.1.1 Mechanische Eigenschaften...................................... 66
3.1.2 Piezoresistiver Effekt... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.1.3 Gestaltungsbeispiele von Si-Drucksensoren..................... 87
3.1.4 Verbindungstechnik für Drucksensoren ......................... 94
3.1.5 Betriebsverhalten piezoresistiver Drucksensoren ............... 97
3.1.6 Alternative Realisierungsprinzipien von Si- Drucksensoren ... 99
3.1.7 Industrielle Realisierungsbeispiele von Drucksensoren ......... 103
3.2 Si-Beschleunigungssensoren .............................................. 105
3.2.1 Mechanische Beschreibung von Beschleunigungssensoren ..... 105
3.2.2 Wandlerprinzipien für mikromechanische Beschleunigungs-
sensoren ........................................................... 110
3.2.3 Realisierungsbeispiele von Beschleunigungssensoren ........... 111
3.3 Abgeleitete mikromechanische Sensoren ................................ 117
3.3.1 Vibrationssensoren ............................................... 117
3.3.2 Neigungssensoren ................................................. 118
3.3.3 Drehratensensoren ................................................ 122
3.3.4 Mikromechanische Mikrofone .................................... 124
3.4 Aufgaben zur Lernkontrolle .............................................. 126
Inhaltsverzeichnis vii
4 Aktorik in der Mikrosystemtechnik 130
4.1 Antriebsprinzipien ........................................................ 131
4.1.1 Elektrostatische Antriebe ........................................ 131
4.1.2 Piezoelektrische Antriebe ........................................ 134
4.1.3 Magnetostriktive Antriebe ....................................... 141
4.1.4 Antriebe mit Formgedächtnis-Legierungen ..................... 144
4.1.5 Thermische Aktoren .............................................. 149
4.1.6 Elektro- und Magnetorheologische Aktoren .................... 150
4.1.7 Elektromagnetische Aktoren ..................................... 153
4.2 Realisierungsbeispiele für Mikroaktoren ................................ 154
4.2.1 Mikroventile und Mikropumpen ................................. 155
4.2.2 Tintenstrahldruckköpfe .......................................... 162
4.2.3 Mikrospiegel ...................................................... 167
4.2.4 Mikromechanische Verstelleinheiten ............................ 171
4.2.5 Mikromotoren .................................................... 174
4.3 Fragen zur Lernkontrolle ................................................. 181
5 Optik in der Mikrosystemtechnik 184
5.1 Integrierte Optik .......................................................... 184
5.1.1 Grundlegende Konzepte der integrierten Optik ................ 185
5.1.1.1 Prinzipien der Lichtführung in integrierten Licht-
wellenleitern ............................................ 185
5.1.1.2 Bauformen von Streifenwellenleitern ................. 194
5.1.1.3 Werkstoffe der Integrierten Optik .................... 196
5.1.2 Grundelemente der Integrierten Optik .......................... 198
5.1.2.1 Gradlinige Streifenlichtwellenleiter ................... 198
5.1.2.2 Gebogene Lichtwellenleiter ............................ 199
5.1.2.3 Verzweigungselemente ................................. 201
5.1.2.4 Richtkoppler ............................................ 201
viii Inhaltsverzeichnis
5.1.2.5 Modulatoren ............................................ 208
5.1.2.6 Gitterstrukturen ....................................... 217
5.1.3 Anwendungsbeispiele für integriert-optische Elemente ........ 218
5.1.3.1 Anwendungen in der Meßtechnik ..................... 218
5.1.3.2 Anwendungen in der Nachrichtentechnik ............ 222
5.2 Diffraktive Optik ......................................................... 226
5.2.1 Grundlegende Konzepte der diffraktiven Optik ................ 227
5.2.2 Herstellungsverfahren für diffrakt iv optische Bauelemente .... 229
5.2.3 Diffraktiv-optische Bauelemente ................................ 231
5.3 Aufgaben zur Lernkontrolle .............................................. 234
6 Systemtechniken 238
6.1 Integrationstechniken auf Chipebene .................................... 240
6.1.1 Hybridintegration ................................................ 240
6.1.2 Monolithische Integration ........................................ 241
6.2 Verbindungstechnik auf Wafer- und Chipebene ........................ 243
6.2.1 Anodische Verbindung ........................................... 245
6.2.2 Glaslotverbindung ................................................ 246
6.2.3 Eutektische Verbindung .......................................... 248
6.2.4 Si-Si-Direktverbindung ........................................... 249
6.2.5 Kleben ............................................................. 250
6.2.6 Polymere Verbindungs schichten ................................. 252
6.3 Gehäusetechnik ........................................................... 253
6.3.1 Elektrische Kontaktierung ....................................... 254
6.3.2 Gehäusetypen ..................................................... 257
6.3.3 Chipabdeckung ................................................... 260
6.4 Kommunikationsstrukturen innerhalb und zwischen Mikrosystemen . 261
6.4.1 Schnittstellenstandards .......................................... 262
6.4.2 Bus-Architektur .................................................. 267
Inhaltsverzeichnis IX
6.5 Mikrosystementwurf ...................................................... 270
6.5.1 Entwurfsstrategien ............................................... 270
6.5.2 Modellierung von Mikrosystemen ............................... 272
6.5.3 Simulation von Mikrosystemen .................................. 279
6.5.4 Spezielle Simulatoren für Mikrosysteme ........................ 283
6.6 Aufgaben zur Lernkontrolle .............................................. 285
Anhang 288
A Verzeichnis der verwendeten Formelzeichen ............................ 288
B Beispiel einer FEM-Analyse eines mikromechanischen Sensors ....... 294
eTabellenverzeichnis ....................................................... 301
D Abbildungsverzeichnis .................................................... 302
Literaturverzeichnis 308
Sachindex 318
Vorwort
Die Mikrosystemtechnik ist ein zwar junges, aber sich schnell entwickelndes Teil
gebiet der Technik. Die wirtschaftliche Bedeutung wird bereits heute oft mit der
der Mikroelektronik verglichen, obgleich viele Arbeiten noch immer Forschungs
charakter haben. Aber die Möglichkeiten sind immens, erlaubt doch die Mikrosy
stemtechnik wie die Mikroelektronik ein "Wachsen ins Kleine" wie Walter Kroy
- einer der geistigen "Väter" der Mikrosystemtechnik einmal treffend formulier
te. Dadurch werden Systeme, die heute z.B. mit Methoden der Feinwerktechnik
hergestellt werden, nicht nur kleiner und leistungsfähiger sondern insbesondere
billiger.
Da sehr unterschiedliche Funktionselemente zu Mikrosystemen vereinigt ("inte
griert") werden, ist die Entwicklung von Mikrosystemen komplex und hochgradig
interdisziplinär. Zurecht haben sich daher in den vergangenen Jahren unterstützt
durch entsprechende politische Vorgaben an vielen deutschen Hochschulen Stu
diengänge oder an etablierte ingenieurwissenschaftliche Studiengänge angeglieder
te Schwerpunkte gebildet, in denen Ingenieure in Mikrosystemtechnik ausgebildet
werden. Dadurch ist eine wichtige Rahmenbedingung für die industrielle Umset
zung der Möglichkeiten, die Mikrosystemtechnik bietet, gegeben. Denn noch im
mer sind vielen - gerade kleinen und mittelständischen - Unternehmen die tech
nischen Möglichkeiten der Mikrosystemtechnik nicht hinreichend bekannt. Ohne
dieses Wissen können aber die Märkte der Mikrosystemtechnik nicht wachsen.
Erst Vertrautheit und Erfahrung mit einem neuen technischen Feld ermöglicht
eine zielgerichtete, erfolgreiche Produktentwicklung.
Ein Lehrbuch über ein so junges Fachgebiet wie die Mikrosystemtechnik gibt not
wendigerweise einen subjektiven, momentanen Blickwinkel wieder. Die Entwick
lungen in der Mikrosystemtechnik sind noch lange nicht abgeschlossen, so daß
man kein scharf abgrenzbares Gebiet vor sich hat. Ständig wird von neuen Ent
wicklungen berichtet, kommen neue Produkte auf den Markt. Das vorliegende
Buch trifft eine auf der heutigen Sichtweise des Autors beruhende Auswahl an
Themen, wobei versucht wurde, auch ganz aktuelle Entwicklungen zu berücksich
tigen. Besonderer Wert wurde auf das Herausarbeiten der wesentlichen Konzepte
der Mikrosystemtechnik gelegt. Immer wieder werden dazu gerade Werkstofffragen
und Werkstoffeigenschaften intensiv behandelt.
2 Vorwort
Das Buch basiert auf einer Vorlesungsreihe mit insgesamt sechs Semesterwochen
stunden, die an der FH Furtwangen, Hochschule für Technik und Wirtschaft, seit
1992 im Hauptstudium der Mikrosystemtechnik bzw. der Feinwerktechnik angebo
ten wird. Die Auswahl und Gliederung erfolgt dabei einmal nach "Produkten": im
Falle der Mikrosystemtechnik sind das Sensoren (Kapitel 3) und Aktoren (Kapi
tel 4). In den einführenden Kapiteln 1 und 2 wird auf die Begriffsbestimmung, wirt
schaftliche Bedeutung und auf die Herstellungsverfahren eingegangen. Die Optik
ist ein eigenständiges Fachgebiet. Die Mikrooptik und insbesondere die Integrierte
Optik (der Begriff ist eigentlich älter als der Begriff Mikrosystemtechnik) können
jedoch zumindest in Teilbereichen der Mikrosystemtechnik zugerechnet werden.
Dieses Thema wird daher in einem eigenständigen Kapitel behandelt (Kapitel 5).
Die Darstellung des "Systemgedankens" ist die sicherlich schwierigste Aufgabe bei
einem Buch über Mikrosystemtechnik. In diesem Buch wird kein systemanaly
tischer, sondern ein "hardware-orientierter" Ansatz verfolgt: Der Systemgedanke
wird an einzelnen Realisierungsbeispielen, anhand der Aufbau- und Verbindungs
technik und am Beispiel der Simulation erläutert.
Ich hoffe, daß die gewählte Auswahl den Lesern Interessantes und Wissenswer
tes liefert, über Anregungen und auch Kritik würde ich mich sehr freuen (email:
[email protected]).
Zum Schluß möchten ich allen danken, die zum Gelingen des Buches beigetra
gen haben: Herrn Dr. Christoph Nachtigall für das kritische Korrekturlesen, Frau
Dipl. Ing. Eva Spale, Frau Dipl. Ing. Christiane Kötter und meinem Sohn Stefan
für die Unterstützung beim Anfertigen der Grafiken und bei der Bildbearbeitung.
Herrn Dr. Jens Schlembach vom Teubner-Verlag danke ich für die Anregung zum
Schreiben des Buches und die Begleitung während der (leider längeren) Realisie
rungsphase. Herr Werner Krämer-Kranz hat durch seine Arbeiten beim Setzen des
Buches für ein ansprechendes Äußeres gesorgt.
Danken möchte ich auch allen, die mich nicht nur in der durch Forschungs- und
Lehraufgaben ohnehin schon mehr als ausgefüllten Zeit des Schreibens dieses Bu
ches sondern auch darüberhinaus Unterstützung und Bestärkung gaben: Meinen
Eltern, Freunden und meiner Familie.
Furtwangen, Juni 1999