Einführung und Überblick

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


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


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


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


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


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


Zielstellungen des SFB 379Zielstellungen des SFB 379

KomponentenKomponenten--entwurfentwurf

SystementwurfSystementwurf

Werkstoffe/Werkstoffe/Charakterisierung/ Charakterisierung/ ZuverlZuverläässigkeitssigkeit

TechnologieTechnologie

DemonstratorDemonstrator

(Applikation)(Applikation)


Zielstellungen des SFB 379 1995Zielstellungen des SFB 379 1995--20002000

KomponentenKomponenten--entwurfentwurf




•• 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)


Zielstellungen des SFB 379 2001 Zielstellungen des SFB 379 2001 -- 20062006KomponentenKomponenten--entwurfentwurf




•• 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))


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


ÜÜbersicht zu bersicht zu DemonstratorenDemonstratoren –– Auswahl Auswahl (2)(2)

•• Scanner/Scanner/PhasengitterPhasengitter--arraysarrays

ZeitraumZeitraum


•• UUniverselles niverselles BBewegungsewegungsaanalysenalyse--ssystemystem UBASUBAS

•• RastersondenRastersonden--anordnunganordnung

•• ResonatorResonator mit mit schaltbarer Steifigkeit schaltbarer Steifigkeit (Federarray)(Federarray)



4.Phase4.Phase

•• Beschleunigungssensor Beschleunigungssensor mit mit VertikalVertikal--FETFET



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


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)


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


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


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


Sonderforschungsbereich 379Sonderforschungsbereich 379Mikromechanische SensorMikromechanische Sensor-- und und

AktorarraysAktorarrays

DemonstratorenDemonstratoren


DemonstratorDemonstrator SpiegelarraySpiegelarray(1. Phase)(1. Phase)


DemonstratorDemonstrator Beschleunigungssensor/Beschleunigungssensor/ResonatorarraysResonatorarrays (1./2. Phase)(1./2. Phase)


DemonstratorDemonstrator UltraschallsensorarrayUltraschallsensorarray(1./2./3. Phase)(1./2./3. Phase)


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


ResonatorarraysResonatorarrays/Vibrationssensoren/Vibrationssensoren(2./3./4. Phase)(2./3./4. Phase)


Scanner/PhasengitterarraysScanner/Phasengitterarrays(3./4. Phase)(3./4. Phase)

REM-Aufnahme des Mikrospiegelarrays

Mikrospiegelarray für Hadamard-Spektrometer (Nutzung des Niedertemperaturbondens)

Mikrospiegelarray mitintegrierter Elektronik


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


Bewegungssensor fBewegungssensor füür UBASr UBAS(4. Phase)(4. Phase)


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


Beschleunigungssensor mit VertikalBeschleunigungssensor mit Vertikal--FETFET(3. Phase)(3. Phase)


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““


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


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

Einführung und Überblick

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