einführung und Überblick
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01.03.2007 Abschlusspräsentation 1
Sonderforschungsbereich 379Sonderforschungsbereich 379Mikromechanische SensorMikromechanische Sensor-- und und
AktorarraysAktorarrays
EinfEinfüührung und hrung und ÜÜberblickberblick
Prof. W. DProf. W. Döötzeltzel
Berichtszeitraum 1995 Berichtszeitraum 1995 –– 20062006Finanzierungszeitraum 2004 Finanzierungszeitraum 2004 –– 2006 2006
01.03.2007 Abschlusspräsentation 2
Wissenschaftliche Zielstellung des Wissenschaftliche Zielstellung des SonderforschungsbereichesSonderforschungsbereiches
•• Entwicklung geeigneter Modelle und Simulationswerkzeuge beim Entwicklung geeigneter Modelle und Simulationswerkzeuge beim KomponentenentwurfKomponentenentwurf
InterdisziplinInterdisziplinääre Zusammenarbeitre Zusammenarbeit
•• Verhaltensbeschreibung von Arrays und abstraktere Beschreibung Verhaltensbeschreibung von Arrays und abstraktere Beschreibung eines eines üübergeordneten Systems (bergeordneten Systems (MakromodellierungMakromodellierung), Beitr), Beiträäge zum ge zum SystementwurfSystementwurf
•• Analyse der Wirkfunktionen und des Systemtests anhand von Analyse der Wirkfunktionen und des Systemtests anhand von DemonstratorenDemonstratoren
•• BeitrBeiträäge zur Erhge zur Erhööhung der hung der ZuverlZuverläässigkeitssigkeit mikromechanischer mikromechanischer SiliziumbauteileSiliziumbauteile
•• Entwicklung effizienter Methoden zur experimentellen Entwicklung effizienter Methoden zur experimentellen CharakterisierungCharakterisierung von Arrays und Systemenvon Arrays und Systemen
•• Entwicklung und Bewertung verschiedener Materialien und Entwicklung und Bewertung verschiedener Materialien und TechnologienTechnologien ffüür Gesamtsystemer Gesamtsysteme
01.03.2007 Abschlusspräsentation 3
Warum Arraystrukturen?Warum Arraystrukturen?ApplikationApplikation•• verschieden dimensionierte Einzelelemente (Sensoren und/oder verschieden dimensionierte Einzelelemente (Sensoren und/oder
AktorenAktoren))
TechnologieTechnologie•• Nutzung mikroelektronikNutzung mikroelektronik--kompatibler Prozessekompatibler Prozesse
•• monolithische Integrationsmmonolithische Integrationsmööglichkeitglichkeit
•• VolumenVolumen-- und oberflund oberfläächennahe Technologie AIM (chennahe Technologie AIM (AirgapAirgap Isolation Isolation of of MicrostructuresMicrostructures))
•• neuartige Systemkonzepteneuartige Systemkonzepte•• verbesserte Performanceverbesserte Performance•• Multifunktionelle SystemeMultifunktionelle Systeme•• verbesserte Funktionalitverbesserte Funktionalitäät durch Miniaturisierungt durch Miniaturisierung•• verbesserte Funktionalitverbesserte Funktionalitäät durch Parallelisierungt durch Parallelisierung
01.03.2007 Abschlusspräsentation 4
TeilprojektTeilprojektüübersichtbersicht
AntragszeitraumAntragszeitraum Zahl der Teilprojekte (ohne Z)Zahl der Teilprojekte (ohne Z)
•• 1995 1995 -- 19971997•• 1998 1998 -- 20002000•• 2001 2001 -- 20032003
88 bewilligtbewilligt1111 bewilligtbewilligt1111 bewilligt, 1 Transferprojektbewilligt, 1 Transferprojekt
davon:davon:
Entwurf und ApplikationEntwurf und ApplikationProjektbereich AProjektbereich A
Verhaltensbeschreibung,Verhaltensbeschreibung,Werkstoffe, ZuverlWerkstoffe, Zuverläässigkeitssigkeit
Projektbereich BProjektbereich B 55
TechnologieTechnologieProjektbereich CProjektbereich C 44
66
•• 2004 2004 -- 20062006 8 bewilligt8 bewilligt
01.03.2007 Abschlusspräsentation 5
TeilprojektTeilprojektüübersicht 2004 bersicht 2004 -- 20062006Projektbereich AProjektbereich A
A1:A1: KomponentenentwurfKomponentenentwurfA2:A2: SystementwurfSystementwurfA4:A4: Adaptive MehrbereichsAdaptive Mehrbereichs--Sensorarrays zur VibrationsanalyseSensorarrays zur Vibrationsanalyse
Projektbereich BProjektbereich BB2:B2: Experimentelle Charakterisierung, Modelladaption Experimentelle Charakterisierung, Modelladaption -- ZuverlZuverläässigkeitssigkeitB5:B5: BeugungsgitterBeugungsgitter--Mikrosystem als Sensorarray fMikrosystem als Sensorarray füür eine spektrale r eine spektrale
BildscannerBildscanner--TechnologieTechnologieB6:B6: KraftsensorarraysKraftsensorarrays
Projektbereich CProjektbereich C
C2:C2: Neue Technologieplattform fNeue Technologieplattform füür die r die „„OberflOberfläächennahe chennahe SiliziumSilizium--bulkbulk--MikromechanikMikromechanik““
C4:C4: NiedertemperaturbondenNiedertemperaturbonden ffüür r rekonfigurierbarerekonfigurierbare ResonatorarraysResonatorarrays
01.03.2007 Abschlusspräsentation 6
Vision 2010: MSTVision 2010: MST--SchlSchlüüsselanwendungen*sselanwendungen*
•• Medizin Medizin MikrolaboranalyseMikrolaboranalyse, implantierbare , implantierbare Medikamentendosierung, Medikamentendosierung, mikrofluidischemikrofluidische Systeme, Systeme, DNADNA--DiagnoseDiagnose ......
*Quelle: NEXUS *Quelle: NEXUS tasktask force force reportreport 20022002
•• Biomedizin Biomedizin Implantierbare Organe, Interface zu Implantierbare Organe, Interface zu Nerven/Muskeln ...Nerven/Muskeln ...
•• Fahrzeug Fahrzeug Radar, optische Bilderkennung, Radar, optische Bilderkennung, autonomousautonomous & & guidedguided drivingdriving,, biometrische, biometrische, ÖÖll--, Luftsensoren ..., Luftsensoren ...
•• Druck & MultiDruck & Multi--Media Media DDüüsenarrays fsenarrays füür Druckkr Druckkööpfe, Datenspeicherung, pfe, Datenspeicherung, Spiegelarrays fSpiegelarrays füür Displaysr Displays ......
•• Telekommunikation Telekommunikation HFHF--Schalter fSchalter füür r DenseDense Wave Division Wave Division MultiplexingMultiplexing(DWDM), RF MEMS(DWDM), RF MEMS ......
•• Industrieautomation Industrieautomation IRIR--Sensoren,Sensoren, GassensorenGassensoren, , Drucksensoren ...Drucksensoren ...
•• Haushalttechnik Haushalttechnik InertialInertial--,, DruckDruck--, Temperatur, Temperatur--, , FluFlußßsensorensensoren ......
•• LuftLuft-- und Raumfahrt und Raumfahrt MOEMS, RF MEMSMOEMS, RF MEMS ......
Applikationen mit hohem ArrayApplikationen mit hohem Array--PotentialPotentialNavigation/PositionierungNavigation/Positionierung Neuer Neuer DemonstratorDemonstrator: UBAS: UBAS
01.03.2007 Abschlusspräsentation 7
Zielstellungen des SFB 379Zielstellungen des SFB 379
KomponentenKomponenten--entwurfentwurf
SystementwurfSystementwurf
Werkstoffe/Werkstoffe/Charakterisierung/ Charakterisierung/ ZuverlZuverläässigkeitssigkeit
TechnologieTechnologie
DemonstratorDemonstrator
(Applikation)(Applikation)
01.03.2007 Abschlusspräsentation 8
Zielstellungen des SFB 379 1995Zielstellungen des SFB 379 1995--20002000
KomponentenKomponenten--entwurfentwurf
SystementwurfSystementwurf
Werkstoffe/Werkstoffe/Charakterisierung/ Charakterisierung/ ZuverlZuverläässigkeitssigkeit
TechnologieTechnologie
•• Entwicklung von Entwicklung von EntEnt--wurfswerkzeugenwurfswerkzeugen auf auf physikalischer Ebene (multiple physikalischer Ebene (multiple domaindomain problemsproblems))
•• Alternativer Alternativer Langrange/HamiltonLangrange/Hamilton--Ansatz fAnsatz füür MEMSr MEMS
•• Beschreibung des Beschreibung des Gesamtsystems eines Gesamtsystems eines Scannerarrays fScannerarrays füür die r die LaserablenkungLaserablenkung
•• Test Test veschiedenerveschiedenerFunktionselemente Funktionselemente (Kammstrukturen, (Kammstrukturen, bulkbulk--mikromechanischemikromechanische GrundGrund--strukturenstrukturen))
•• BulkBulk--MikromechanikMikromechanik
•• Modifizierte Modifizierte SCREAMSCREAM--TechnologieTechnologie(Kombination mit (Kombination mit der Mikroelektronik der Mikroelektronik demonstriert)demonstriert)
01.03.2007 Abschlusspräsentation 9
Zielstellungen des SFB 379 2001 Zielstellungen des SFB 379 2001 -- 20062006KomponentenKomponenten--entwurfentwurf
SystementwurfSystementwurf
Werkstoffe/Werkstoffe/Charakterisierung/ Charakterisierung/ ZuverlZuverläässigkeitssigkeit
TechnologieTechnologie
•• Parameterreduktion von Parameterreduktion von Komponentenmodellen Komponentenmodellen (Makromodelle: Schnittstelle (Makromodelle: Schnittstelle zum Systementwurf)zum Systementwurf)
•• Synthese von MEMS Synthese von MEMS mittels Langrange/ mittels Langrange/ HamiltonHamilton--Ansatz Ansatz (Makromodelle)(Makromodelle)
•• Beschreibung Beschreibung verschiedener verschiedener Gesamtsysteme Gesamtsysteme ((DemonstratorenDemonstratoren))
•• SynthesansSynthesansäätzetze mit mit HighHigh--LevelLevel--ModellenModellen
•• Test der Array ElementeTest der Array Elemente
•• Verbesserung der ZuverlVerbesserung der Zuverläässigkeit ssigkeit bei bewegten Sibei bewegten Si--Teilen Teilen (insbesondere AIM)(insbesondere AIM)
•• BulkBulk--MikromechanikMikromechanik
•• OberflOberfläächennahe Technologie chennahe Technologie mit neuem Ansatz (metallfrei, mit neuem Ansatz (metallfrei, AIM)AIM)
•• Mikroelektronikkompatibles Mikroelektronikkompatibles NiedertemperaturbondenNiedertemperaturbonden
•• Neuer Ansatz fNeuer Ansatz füür r oberfloberfläächennahe chennahe Technologie (Technologie (VertikalVertikal--FETFET))
01.03.2007 Abschlusspräsentation 10
ÜÜbersicht zu bersicht zu DemonstratorenDemonstratoren –– Auswahl Auswahl (1)(1)
•• Spiegelarray Spiegelarray ZeitraumZeitraum
1. Phase1. Phase
•• Beschleunigungssensor/Beschleunigungssensor/ResonatorarrayResonatorarray mit mit MikroelektronikMikroelektronik
•• Ultraschallsensorarrays Ultraschallsensorarrays
•• Positioniersystem Positioniersystem
•• ResonatorarraysResonatorarrays//Vibrationssensoren Vibrationssensoren
1./2. Phase1./2. Phase
1./2./3. Phase1./2./3. Phase
2. Phase/2. Phase/TransTrans--ferprojektferprojekt
2./3./4. Phase2./3./4. Phase
01.03.2007 Abschlusspräsentation 11
ÜÜbersicht zu bersicht zu DemonstratorenDemonstratoren –– Auswahl Auswahl (2)(2)
•• Scanner/Scanner/PhasengitterPhasengitter--arraysarrays
ZeitraumZeitraum
3./4. Phase3./4. Phase
•• UUniverselles niverselles BBewegungsewegungsaanalysenalyse--ssystemystem UBASUBAS
•• RastersondenRastersonden--anordnunganordnung
•• ResonatorResonator mit mit schaltbarer Steifigkeit schaltbarer Steifigkeit (Federarray)(Federarray)
3./4. Phase3./4. Phase
3./4. Phase3./4. Phase
4.Phase4.Phase
•• Beschleunigungssensor Beschleunigungssensor mit mit VertikalVertikal--FETFET
3./4. Phase3./4. Phase
01.03.2007 Abschlusspräsentation 12
Zusammenarbeit im SFBZusammenarbeit im SFB
Mitarbeit im TeilprojektMitarbeit im Teilprojekt TeilprojektsprecherTeilprojektsprecher
A1A1A2A2A4A4A6A6B2B2B5B5B6B6C2C2C4C4C5C5C7C7
LLMMGGTT
LLSSSSEE
IIffMM
LLAAFFOO
LLOOFFEE
LLMMTT
LLEEBB
LLHHPP
FFGGWWEETT
LLSS
LLPPMMTT
FhGFhGIZMIZM
LLMMFFTT
ZfMZfM FhGFhGIWUIWU
FhGFhGIZMIZMMDEMDE
01.03.2007 Abschlusspräsentation 13
Analogelektronik, Analogelektronik, A/DA/D--Wandlung, Wandlung, zuszusäätzltzl. . InertialInertial--sensorensensoren(A2, C5)(A2, C5)
Zusammenarbeit der Teilprojekte am Zusammenarbeit der Teilprojekte am DemonstratorDemonstrator UBASUBAS
UBASUBAS
InertialsensorarrayInertialsensorarray(A1, B2, C2, C5)(A1, B2, C2, C5)
DigitaleDigitaleSignalverarbeitungSignalverarbeitung
•• KorrekturKorrektur--verfahren (A1)verfahren (A1)
•• Implementierung,Implementierung,Applikation (A2)Applikation (A2)
•• UmgebungsUmgebungs--modellemodelle (A6)(A6)
01.03.2007 Abschlusspräsentation 14
Herstellungstechnologien der SiliziumHerstellungstechnologien der Silizium--MikromechanikMikromechanik
OberflOberfläächenchen--MikromechanikMikromechanik
OpferschichtOpferschicht--technologietechnologie
VolumenVolumen--MikromechanikMikromechanik
mit mit anisotropemanisotropemNaNaßäßätzentzen
AnodischesAnodischesWaferWafer--BondenBonden
SiliconSilicon--Fusion Fusion WaferWafer--BondenBondenHochtemperaturHochtemperatur
NiedertemperaturNiedertemperatur
mit hohemmit hohemAspektverhAspektverhäältnisltnis
(HARMST)(HARMST)SCREAMSCREAM
SOISOIAIMAIM**
**AirgapAirgap Isolation of Isolation of MicrostructuresMicrostructuresDE10029012, PCT/DE01/02237DE10029012, PCT/DE01/02237
AktivitAktivitääten des ZfMten des ZfM
01.03.2007 Abschlusspräsentation 15
Wissenschaftliche Ergebnisse in ZahlenWissenschaftliche Ergebnisse in Zahlen(nur 4. F(nur 4. Föörderperiode 2003 rderperiode 2003 -- 2006)2006)
•• Begutachtete VerBegutachtete Verööffentlichungenffentlichungen
•• VortrVorträäge, Artikelge, Artikel
•• StudienStudien-- und Diplomarbeitenund Diplomarbeiten
•• MonografienMonografien
•• Dissertationen/HabilitationenDissertationen/Habilitationen
9898
3636
3232
11
1717
01.03.2007 Abschlusspräsentation 16
Wissenschaftliche Ergebnisse in ZahlenWissenschaftliche Ergebnisse in Zahlen(alle F(alle Föörderperioden 1995 rderperioden 1995 -- 2006)2006)
0
20
40
60
80
100
120
1.FP 2.FP 3.FP 4.FP
VÖ begutachtet
Diss./Habil.
Artikel/Vorträge
Diplom- undStudienarbeiten
01.03.2007 Abschlusspräsentation 17
Sonderforschungsbereich 379Sonderforschungsbereich 379Mikromechanische SensorMikromechanische Sensor-- und und
AktorarraysAktorarrays
DemonstratorenDemonstratoren
01.03.2007 Abschlusspräsentation 18
DemonstratorDemonstrator SpiegelarraySpiegelarray(1. Phase)(1. Phase)
01.03.2007 Abschlusspräsentation 19
DemonstratorDemonstrator Beschleunigungssensor/Beschleunigungssensor/ResonatorarraysResonatorarrays (1./2. Phase)(1./2. Phase)
01.03.2007 Abschlusspräsentation 20
DemonstratorDemonstrator UltraschallsensorarrayUltraschallsensorarray(1./2./3. Phase)(1./2./3. Phase)
01.03.2007 Abschlusspräsentation 21
DemonstratorDemonstrator PositioniersystemPositioniersystem(2. Phase/Transferprojekt)(2. Phase/Transferprojekt)
Zeilenarray des Zeilenarray des SensorSensor--AktorAktor--SystemsSystems (schematisch),(schematisch),Tastspitzenabstand < 1 mm, Eigenzustellbereich bis 20 Tastspitzenabstand < 1 mm, Eigenzustellbereich bis 20 μμmm
01.03.2007 Abschlusspräsentation 22
ResonatorarraysResonatorarrays/Vibrationssensoren/Vibrationssensoren(2./3./4. Phase)(2./3./4. Phase)
01.03.2007 Abschlusspräsentation 23
Scanner/PhasengitterarraysScanner/Phasengitterarrays(3./4. Phase)(3./4. Phase)
REM-Aufnahme des Mikrospiegelarrays
Mikrospiegelarray für Hadamard-Spektrometer (Nutzung des Niedertemperaturbondens)
Mikrospiegelarray mitintegrierter Elektronik
01.03.2007 Abschlusspräsentation 24
ResonatorResonator mit schaltbarer Steifigkeit (Federarray)mit schaltbarer Steifigkeit (Federarray)(4. Phase)(4. Phase)Anwendung: frequenzselektive
Inertialsensoren
Aufbau und REM-Aufnahmen derResonatorstrukturen (Detail: Federn)
RahmenFederarray(10 Federpaare) Masse
Drahtbondanschlüsse(Al)
Si
Si
SiO2
Si-Schicht
Federn im eingeschaltetenZustand:
U
Interface
01.03.2007 Abschlusspräsentation 25
Bewegungssensor fBewegungssensor füür UBASr UBAS(4. Phase)(4. Phase)
01.03.2007 Abschlusspräsentation 26
RastersondenanordnungRastersondenanordnung(3./4. Phase)(3./4. Phase)
Bruchkante
Bond-flächen
Aktor 1
Aktor 2
Sensor 2
Sensor 1
Träger(wird entfernt)
1 mm
REM-Aufnahme der Spitzen
4 μm
01.03.2007 Abschlusspräsentation 27
Beschleunigungssensor mit VertikalBeschleunigungssensor mit Vertikal--FETFET(3. Phase)(3. Phase)
01.03.2007 Abschlusspräsentation 28
Bedeutung des SFB 379 fBedeutung des SFB 379 füür die TU Chemnitzr die TU ChemnitzImpulse fImpulse füür dier die•• Vertiefung der interdisziplinVertiefung der interdisziplinäären Zusammenarbeitren Zusammenarbeit•• Ausbildung und Qualifikation der beteiligten WissenschaftlerAusbildung und Qualifikation der beteiligten Wissenschaftler•• Ausbildung: Vorlesungen, Praktika, DiplomAusbildung: Vorlesungen, Praktika, Diplom-- und Studienarbeitenund Studienarbeiten•• nachhaltige Unterstnachhaltige Unterstüützung von MSTtzung von MST--AktivitAktivitääten im Raum Chemnitz ten im Raum Chemnitz
(z. B. GEMAC mbH, AMTEC GmbH/(z. B. GEMAC mbH, AMTEC GmbH/InnoRegioInnoRegio--VerbundVerbund))
•• Einrichtung neuer ProfessurenEinrichtung neuer Professuren-- Mikrosystemtechnik fMikrosystemtechnik füür die Medizinr die Medizin-- MikrofertigungstechnikMikrofertigungstechnik
•• FokussierungFokussierung der Professur Messder Professur Mess-- und Sensortechnik auf MSTund Sensortechnik auf MST
BeitrBeiträäge fge füür die MSTr die MST--Entwicklung in Deutschland Entwicklung in Deutschland •• neue Systemansneue Systemansäätze und Technologien der Sitze und Technologien der Si--MikromechanikMikromechanik•• TechnologieTechnologie-- u. Absolvententransfer: u. Absolvententransfer: Bosch, Siemens, Bosch, Siemens, LitefLitef, , micropartsmicroparts……•• MSTMST--Absolventenverbleibsstudie des VDI/VDEAbsolventenverbleibsstudie des VDI/VDE--IT 2002: IT 2002:
„„Jeder 6. MSTJeder 6. MST--Absolvent in Deutschland kommt aus ChemnitzAbsolvent in Deutschland kommt aus Chemnitz““
01.03.2007 Abschlusspräsentation 29
Mikrosystemtechnik MST2007Mikrosystemtechnik MST2007
15.- 17. Oktober 2007 Dresden
Chair: Prof. Dr. Thomas Geßner(FhG-IZM, ZfM der TU Chemnitz)
Co-Chair: Prof. Dr. Helmut Seidel (Universität Saarbrücken)Prof. Dr. Hubert Lakner (FhG-IPMS Dresden, TU Dresden)
Call for Papers : Deadline 7. März 2007
01.03.2007 Abschlusspräsentation 30
Mikrosystemtechnik Mikrosystemtechnik
14. - 15.11.2007 in Chemnitz
Chair: Prof. Dr. W. Dötzel(TU Chemnitz)Prof. Dr. D. Müller (TU Chemnitz)
Call for Papers: Deadline 27.04.2007