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Über dieses Buch

Sie messen den Reifendruck, lösen in Millisekunden Airbags aus und helfen Autofahrern beim Einparken. Mit ihnen bestimmen Mediziner den Sauerstoffgehalt im Blut. In Spül- und Waschmaschinen stellen sie den Verschmutzungs- und Härtegrad des Wassers fest. Sie sorgen dafür, dass winzige elektronische Bauteile auf den tausendsten Millimeter genau auf Leiter­ platten platziert werden. Vom Automobil über hoch komplizierte Maschinen bis hin zur klini­ schen Medizin funktioniert kaum mehr etwas ohne mikrosystemtechnische Sensoren. Schon heute sind die ,,Mikroelektromechanischen Sensorsysteme" (abgekürzt: MEMS) aus unserem täglichen Leben nicht mehr wegzudenken. Airbags, ABS- und ESP Systeme, Herz­ schrittmacher und Mobiltelefone sind nur einige Beispiele für Produkte, in denen mikrotech­ nische Produkte eine entscheidende Rolle spielen. In eben dieser enormen Breite des Anwendungsspektrums liegt die besondere Bedeutung dieser Querschnitttechnologie - einer Königsdisziplin der Mechatronik und der Mikrosystem­ technik. Dennoch vollzog sich in den letzten Jahren ein fundamentaler Wandel. Unter dem Oberbegriff der ,,Mikroelektromechanischen Sensorsysteme" (oder MEMS) wird zusehends die Integration von Sensoren und Aktuatoren der Mechatronik, der Mikrosystemtechnik und der Mikroelektronik unter Ausnutzung moderner Massenfertigungstechnologien verstanden. Dadurch erschließen sich überaus attraktive Anwendungsmöglichkeiten in den Bereichen Automobilelektronik, der Umwelt-, der Automatisierungs- sowie der Luft- und Raumfahrt­ technik. Hierbei kommt der ,,Mikromechatronik" - der Synthese aus Mikromechanik, Mikro­ elektronik sowie der Informations- und Kommunikationtechnik als kybernetisches System auf einem miniaturisierten Funktionsträger - eine bedeutsame Schrittmacherfunktion zu. Mehr und mehr wird die ,,Mikromechatronik" zur Grundlage für innovative Produkte mit gesteiger­ ter Funktionalität, höherer Zuverlässigkeit und besserer Wirtschaftlichkeit.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Einführung

Zusammenfassung
Ohne die Wahrnehmung der Umwelt und bar jeder Fähigkeit, auf ihre Veränderungen zu reagieren, wäre kein Leben möglich. Dem Menschen ermöglichen es seine Sinne — vor allem das Sehen, Hören und Tasten — die vielen alltäglichen Herausforderungen zu meistern. Dabei genügt es nicht, nur die äußere Welt zu „erfahren“. Es gilt auch die inneren Zustände eines komplexen Systems fortlaufend zu überwachen und gelegentlich regelnd einzugreifen. So überprüfen beispielsweise Chemosensoren den Sauerstoffgehalt im Gehirn, Dehnungsrezeptoren in Muskelgeweben registrieren deren Spannungszustand, etc.
Markus Glück

2. Grundlagen

Zusammenfassung
Die Auseinandersetzung mit mikroelektromechanischen Sensorsystemen (MEMS) ist unabdingbar verknüpft mit einigen wichtigen Grundlagen der Sensorik, der Festkörperphysik und der Werkstofftechnik Diese werden im Rahmen dieses Fachbuchs im „Schnelldurchgang“ wiederholt bzw. in den notwendigen Grundlagen aufgegriffen. Im Detail sind wesentlich tiefer gehende Zusammenhänge für viele Phänomene verantwortlich, auf deren detaillierte Herleitung im Regelfall verzichtet wird, sofern diese nicht später noch gebraucht werden. Hierbei sei auf einschlägige Fachliteratur der allgemeinen Sensorik, Festkörperphysik und Werkstoffkunde verwiesen [3,23,29,30,32,43,53,71,74].
Markus Glück

3. Verfahren der MEMS Fertigung

Zusammenfassung
Teilweise nur Bruchteile von Millimetern groß sind die Strukturelemente der Mikrosystem- und MEMS-Technik Der technische Fortschritt der Mikrotechnologien, der insbesondere in den letzten 30 Jahren vor allem durch die Mikroelektronik erreicht wurde [27,53,62], hat es erstmals ermöglicht, miniaturisierte Systeme herzustellen, die in geeigneter Weise Bewegungen, Geräusche, Lichtreize, Geruchsstoffe und Farbveränderungen aufnehmen und sogar in der Lage sind, darauf in entsprechend geeigneter Weise zu reagieren.
Markus Glück

4. Temperatursensoren

Zusammenfassung
Das Interesse an der Messung der Temperatur ist Jahrhunderte alt. Die Anfänge gehen bis in das 16. Jahrhundert unserer Zeitrechnung zurück. 1592 schuf Galileo Galilei das erste physikalische Thermometer; ein einseitig abgeschlossenes Glasrohr, das man mit seinem offenen Ende in ein mit Wasser oder Weingeist gefülltes Gefäß tauchte.
Markus Glück

5. Magnetfeldsensoren

Zusammenfassung
Magnetische Felder treten überall in unserer Umwelt auf. Ein natürliches Magnetfeld ist das Erdmagnetfeld mit einer magnetischen Flussdichte von etwa 40 Mikrotesla (μT). Der Mensch kann dieses Feld nicht spüren. Zugvögel und einige Fische besitzen jedoch spezielle Sinnesorgane zur Wahrnehmung dieses Feldes und nutzen dieses zur Orientierung bei ihren Wanderungen.
Markus Glück

6. Strahlungssensoren und Fotodetektoren

Zusammenfassung
Licht ist eine elektromagnetische Welle, die sich geradlinig mit einer Geschwindigkeit von ca. 300.000 km/s (=Lichtgeschwindigkeit) ausbreitet. Sie deckt einen riesigen Spektralbereich ab, von dem üblicherweise der Frequenzbereich zwischen 1011 Hz (infrarot) und 1017 Hz (ultraviolett) als „Licht“ bezeichnet wird.
Markus Glück

7. Mikro-Elektro-Mechanische Sensorsysteme

Zusammenfassung
Die Notwendigkeit, mechanische und elektronische Funktionen hochintegriert in konventionellen „Makrokomponenten“ der Automatisierungstechnik unterzubringen, rückt die Mikrosystemtechnik und die Mechatronik in den Fokus. Damit folgen sie zahlreichen Anforderungen des Marktes, u.a. in immer kleineren Bauräumen immer mehr feinmechanische und elektronische Funktionalitäten gemeinsam unterbringen zu müssen.
Markus Glück

8. Chemische Sensoren

Zusammenfassung
Sensoren gibt es in der Chemie zur mikroelektronischen Erfassung von Prozess- und Umgebungsparametern. Sie werden zur Bestimmung verschiedenster chemischer Konstanten sowie zum qualitativen und quantitativen Nachweis (bio-) chemischer Substanzen verwendet.
Markus Glück

9. Systemintegration und Datenübertragung

Zusammenfassung
Längst hat sich die Mikrosensorik gewandelt — vom reinen Messen der Anfangszeit über die Aufgabenstellungen der Mess- und Regeltechnik und der Automatisierungstechnik hin zu Mikro-Elektro-Mechanischen Sensorsystemen und der hierfür unabdingbaren zuverlässigen Vernetzung der dezentralen Systeme und Einzelkomponenten.
Markus Glück

10. Energieversorgung

Zusammenfassung
Die Versorgung von immer kleineren Mikro-Elektro-Mechanischen Sensorsystemen (MEMS) mit elektrischer Energie beschäftigt zunehmend die Entwicklung und das Design der mikrosystemtechnischen Produkte und erfordert neue Ansätze bis hin zu energieautarken Mikrosystemen.
Markus Glück

Backmatter

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