Mikrosystemtechnik

Für den Begriff »Mikrosystemtechnik« gibt es gegenwärtig noch keine allgemein verbindliche Normung. Entsprechend den drei Wortbestandteilen, aus denen sich dieser Begriff zusammensetzt, wird in diesem Buch folgende Bedeutung zugrundegelegt:

Mikro: mindestens eine Dimension der in dieser Technik hergestellten Objekte liegt im Mikrometerbereich (μm = 10⁻⁶ m). Dies kann neben der Dicke (→ „Dünnschichttechnologie“) auch für mindestens eine der lateralen Ausdehnungen zutreffen. Daher mussen Bearbeitungsverfahren der sogenannten „Mikrotechnik“ genutzt werden. Zumeist sind die Herstellungsverfahren aus der Mikroelektronik-Fertigung abgeleitet. Die Verkleinerung erlaubt zum Einen, viele Elemente auf kleinstem Raum unterzubringen (Integration), zum Anderen ergeben sich vollkommen neue technische Möglichkeiten und Eigenschaften der miniaturisierten Produkte (z.B. Frequenzverhalten, Trägheit, Energieverbrauch).

Schließt man Gehäuse ein, so werden in der Mikrosystemtechnik alle geläufigen Werkstoffe (Stähle, Kunststoffe, Keramiken usw.) eingesetzt. Im eigentlichen Mikrosystem spielen als Funktions- und Konstruktionswerkstoffe insbesondere dünne amorphe oder polykristalline Schichten (Dicke etwa 1 μm) eine wichtige Rolle. So werden z.B. dünne Schichten aus SiO₂ und Si₃N₄ als Funktions- und Konstruktionswerkstoffe (Isolation, Passivierung, Ätzmaskierung) eingesetzt. Andere Schichten werden ausschließlich den Funktionswerkstoffen zugerechnet und z.B. zur Signalwandlung benötigt (etwa ZnO₂ und AIN als piezoelektrische Schichten, SnO₂ als sensitive Schicht gegenüber O₂ und CO₂ in Metalloxid-Halbleiter-Gassensoren, poly-Si als Material für eine mechanisch verschieb- oder verformbare Kondensatorplatte in einem Beschleunigungssensor, Ni-Ti-Legierungen für Formgedächtnis-Aktoren). Diese Schichten werden mit Hilfe sogenannter Dünnschichtverfahren (z.B. Aufdampfen, Sputtem, s. Abschn. 2.4.1) auf Träger aufgebracht, die zumeist einkristalline Halbleiter sind (Si, GaAs, LiNbO₃).

Sensoren — und hier insbesondere mikromechanische Sensoren — stellen, wie in Kapitel 1 anhand der Umsatzdaten gezeigt wurde ein herausragendes Anwendungsfeld der Mikrosystemtechnik dar. Insbesondere im Kfz-Bereich führen die Anforderungen nach robusten, zuverlässigen, genauen und dennoch billigen Sensoren zunehmend zu Mikrosystemlösungen. Dies trifft nicht nur für den Sicherheitsbereich sondern vermehrt auch für das Motormanagement zu (vgl. Bild 1.2).

In Anlehnung an DIN 19226 (Regelungs- und Steuerungstechnik) werden in diesem Buch unter Aktoren Steller, Stellglieder oder Stellgeräte verstanden. Im engeren Sinne werden hier Aktoren behandelt, die auf einer Wandlung von elektrischer in mechanischer Energie beruhen (Elemente der Leistungselektronik gehören also nicht dazu). Eine weitere Einschränkung des Begriffs betrifft die Möglichkeit zur Miniaturisierung und damit zur Einbindung in ein Mikrosystem. Da Aktoren in Mikrosystemen erst am Beginn der Entwicklung stehen, werden im ersten Abschnitt dieses Kapitels auch solche Aktorkonzepte vorgestellt, für die z. Zt. zwar noch keine marktreifen Mikrosystem-Realisierungen vorhanden sind, bei denen dies jedoch heute schon prinzipiell gezeigt wurde. Günstig sind dabei Aktorprinzipien, bei denen die erforderlichen Aktorelemente bzw. Werkstoffe mit Dünnschichttechniken (vgl. 2.4.1.1) erzeugt werden können.

Optische Funktionalität ist wie in Abschnitt 1.1 erläutert eine von mehreren möglichen Funktionen, die ein Mikrosystem ausmachen. Optik wird in diesem Buch in einem eigenständigem Kapitel behandelt, da anders als bei z.B. mechanischer Funktionalität die hier behandelte Optik nur mit Mikrostrukturierungsmethoden hergestellt werden kann.

Unter dem Begriff Systemtechnik werden in diesem Buch sehr unterschiedliche Aspekte behandelt: Aufbau- und Verbindungstechnik, Schnittstellen und Mikrosystementwurf sind die hierunter fallenden Themengebiete. Der verbindende Aspekt bei diesen Themen ist die Forderung nach Realisierung eines multifunktionalen Systems. Gerade der Aufbau- und Verbindungstechnik wird für die Qualität und Wettbewerbsfähigkeit einer Mikrosystemlösung gegenüber konventionellen Lösungen die entscheidende Bedeutung beigemessen [6-1], [6-2]. Hierfür sind folgende Gründe maßgeblich verantwortlich: