Mikrosystementwurf

Manfred Kasper, geboren 1960, gebürtiger Vorarlberger, lebt seit 2007 im Salzburger Seenland. Seit Jahrzehnten in der Kreativ-Branche tätig, ist er seit 2008 Herausgeber, Verleger und Redakteur eines Monatsmagazins für den Salzburger Flachgau.

1 Einführung.- 1.1 Entwicklung der Mikroelektronik.- 1.2 Mikrosystemtechnik und Nanotechnologie.- 1.3 Chancen der Miniaturisierung.- 1.4 Größenänderung, Skalierung.- 1.5 Skalierung, ähnlichkeit und Kennzahlen.- 1.5.1 Die Ableitung der Kennzahlen der Thermik.- 1.5.2 Kennzahlen der Elektrodynamik.- 1.5.3 Anwendung der Kennzahlen.- 1.5.4 Skalierungsgesetze aus Kennzahlen.- 1.6 Lernen aus der Natur - Bionik.- 1.7 Einfluß der Abmessungen auf die Gestalt.- 1.8 Thesen zum Mikrosystementwurf.- 2 Technologien der Mikrosystemtechnik.- 2.1 Feinwerktechnik.- 2.2 Lithographie.- 2.3 Schichtabscheidung.- 2.3.1 Thermische Oxidation.- 2.3.2 CVD-Verfahren.- 2.3.3 PVD-Verfahren.- 2.3.4 Galvanische und stromlose Metallabscheidung.- 2.4 Strukturierung.- 2.4.1 Naßchemisches ätzen.- 2.4.2 Anisotropes ätzen von Silizium.- 2.4.3 Trockenätzverfahren.- 2.4.4 Laserbearbeitung.- 2.5 Prozeßabläufe.- 2.5.1 Silizium Mikromechanik.- 2.5.2 LIGA-Verfahren.- 2.5.3 Herstellung frei beweglicher Strukturen.- 2.5.4 Prozeßfolge zur Herstellung integrierter Schaltungen.- 3_3 Werkstoffe der Mikrosystemtechnik.- 3.1 Phänomenologische Beschreibung.- 3.2 Darstellung und Transformation tensorieller Materialdaten.- 3.3 Diffusion in Festkörpern.- 3.4 Eigenschaften dünner Schichten.- 3.5 Oberflächeneigenschaften.- 3.6 Monte-Carlo- und Ab-initio-Simulation.- 4 Allgemeine Entwurfsmethoden.- 4.1 Entwurfsablauf.- 4.1 Spezifikation.- 4.2 Lösungsmethoden für die Systemstudie, Konzeptphase.- 4.3 Ergebnisse der Konzeptphase.- 5 Systemsimulation.- 5.1 Simulationsebenen.- 5.2 Netzwerkanalyse, Analogsimulation.- 5.3 Nichtlineare Netzwerke.- 5.4 Netzwerkanalyse zeitabhängiger Signale, transiente Analyse.- 5.5 Lösung des transienten Problems.- 6 Beschreibung physikalischer Vorgänge durch Netzwerkmodelle.- 6.1 Beschreibung durch Netzwerkgleichungen.- 6.2 Separation von Zeitkonstanten und Aggregation.- 6.3 Vollständigkeit und Vernachlässigung kleiner Effekte.- 6.4 Feldänderung bei der Wellenausbreitung.- 6.5 Bondgraphen.- 7 Makromodelle.- 7.1 Konzept der Makromodelle.- 7.2 Modellerstellung eines Beschleunigungssensors.- 7.3 Identifikation für Makromodelle.- 7.4 Grundlagen der Zeitbereichsmethoden.- 7.5 Parameterschätzung durch Entwicklung.- 7.6 Signalunabhängige Transformationen mit orthogonalen Polynomen.- 7.7 Nachbildung im Frequenzbereich.- 7.8 Nichtlineare Systeme.- 8 Numerische Feldberechnung.- 8.1 Differenzenverfahren.- 8.2 Finite-Elemente-Methode.- 8.3 Behandlung der Randbedingungen.- 8.4 Variationsprobleme und Galerkin-Verfahren.- 8.5 Wahl der Ansatzfunktionen.- 8.6 Netzgenerierung.- 8.7 Fehlerabschätzung und adaptive Netzgenerierung.- 8.8 Weitere Finite-Elemente-Ansätze.- 9 Systemintegration.- 9.1 Elektronische Komponenten.- 9.2 Signalübertragung.- 9.3 Anschluß- und Verbindungsdichte.- 9.4 Ausbeute und Test.- 9.5 Zuverlässigkeit.- 10 Physikalischer Entwurf und Systemintegration.- 10.1 Modulentwurf.- 10.2 Partitionierung.- 10.3 Plazierung.- 10.4 Thermische Plazierung, Zuverlässigkeitsaspekte, allgemeine Kopplungen.- 10.5 Verdrahtung.- 11 Systemoptimierung.- 11.1 Optimierungsziele, Optimierungsaufgabe.- 11.2 Optimierungsverfahren.- 1l.3 Quasi-Newton-Methoden.- 11.4 Konjugierte Gradientenverfahren.- 11.5 Ableitungsfreie Suchmethoden.- 11.6 Stochastische Optimierungsverfahren.- 11.6 Behandlung der Nebenbedingungen.- 12 Mikroaktoren.- 12.1 Energiewandlung.- 12.2 Elektromagnetische Aktoren.- 12.3 Elektrostatische Mikromotoren.- 12.4 Piezoelektrische Aktoren.- 12.5 Thermisch-mechanische Aktoren.- 12.4 Reibung und Verschleiß.- 13 Sensoren.- 13.1 Signalerfassung und Signalaufbereitung.- 13.2 Sensoren für mechanische Größen.- 13.2.1 Piezoresistive Sensoren.- 13.2.2 Kapazitive Sensoren.- 13.2.3 Piezoelektrische Sensoren.- 13.2.4 Resonanzsensoren.- 13.2.5 Oberflächenwellen Sensoren.- 13.3 Chemo- und Biosensoren.- 13.4 Mehrkomponentenanalyse für Sensoren.