Manfred Kasper. Mikrosystementwurf. Entwurf und Simulation von Mikrosystemen. Mit 182 Abbildungen und 44 Tabellen. Springer

Transkript

1 Manfred Kasper Mikrosystementwurf Entwurf und Simulation von Mikrosystemen Mit 182 Abbildungen und 44 Tabellen Springer

2 1. Einführung Entwicklung der Mikroelektronik Mikrosystemtechnik und.nanotechnologie Chancen der Miniaturisierung Größenänderung, Skalierung Skalierung, Ähnlichkeit und Kennzahlen Die Ableitung der Kennzahlen der Thermik Kennzahlen der Elektrodynamik Anwendung der Kennzahlen Skalierungsgesetze aus Kennzahlen Lernen aus der Natur Bionik Einfluß der Abmessungen auf die Gestalt Thesen zum Mikrosystementwurf 30 2 Technologien der Mikrosystemtechnik Feinwerktechnik Lithographie :.: Schichtabscheidung Thermische Oxidation CVD-Verfahren PVD-Verfahren Galvanische und stromlose Metallabscheidung Strukturierung Naßchemisches Ätzen Anisotropes Ätzen von Silizium Trockenätzverfahren._..' Laserbearbeitung Prozeßabläufe Silizium Mikromechanik LIGA-Verfahren Herstellung frei beweglicher Strukturen Prozeßfolge zur Herstellung integrierter Schaltungen 61

3 VIII Inhaltsverzeichnis Werkstoffe der Mikrosystemtechnik Phänomenologische Beschreibung Darstellung und Transformation tensorieller Materialdaten Diffusion in Festkörpern Eigenschaften dünner Schichten Oberflächeneigenschaften Monte-Carlo- und Ab-initio-Simulation 85 Allgemeine Entwurfsmethoden Entwurfsablauf Spezifikation Lösungsmethoden für die Systemstudie, Konzeptphase Ergebnisse der Konzeptphase 100 Systemsimulation Simulationsebenen Netzwerkanalyse, Analogsimulation Nichtlineare Netzwerke Netzwerkanalyse zeitabhängiger Signale, transiente Analyse Lösung des transienten Problems 122 Beschreibung physikalischer Vorgänge durch Netzwerkmodelle Beschreibung durch Netzwerkgleichungen Separation von Zeitkonstanten und Aggregation Vollständigkeit und Vernachlässigung kleiner Effekte Feldänderung bei der Wellenausbreitung Bondgraphen 147 Makromodeile Konzept der Makromodelle Modellerstellung eines Beschleunigungssensors ' Identifikation für Makromodelle Grundlagen der Zeitbereichsmethoden Parameterschätzung durch Entwicklung Signalunabhängige Transformationen mit orthogonalen Polynomen Nachbildung im Frequenzbereich Nichtlineare Systeme 189

4 IX 8 Numerische Feldberechnung Differenzenverfahren Finite-Elemente-Methode Behandlung der Randbedingungen Variationsprobleme und Galerkin-Verfahren Wahl der Ansatzfunktionen * Netzgenerierung Fehlerabschätzung und adaptive Netzgenerierung Weitere Finite-Elemente-Ansätze Systemintegration Elektronische Komponenten Signalübertragung Anschluß-und Verbindungsdichte Ausbeute und Test Zuverlässigkeit Physikalischer Entwurf und Systemintegration Modulentwurf Partitionierung Plazierung Thermische Plazierung, Zuverlässigkeitsaspekte, 280 allgemeine Kopplungen 10.5 Verdrahtung Systemoptimierung Optimierungsziele, Optimierungsaufgabe Optimierungsverfahren Quasi-Newton-Methoden Konjugierte Gradientenverfahren Ableitungsfreie Suchmethoden Stochastische Optimierungsverfahren,..'.' Behandlung der Nebenbedingungen Mikroaktoren Energiewandlung Elektromagnetische Aktoren Elektrostatische Mikromotoren Piezoelektrische Aktoren 334

5 12.5 Thermisch-mechanische Aktoren Reibung und Verschleiß Sensoren Signalerfassung und Signalaufbereitung Sensoren für mechanische Größen ' Piezoresistive Sensoren Kapazitive Sensoren Piezoelektrische Sensoren Resonanzsensoren Oberflächenwellen Sensoren Chemo- und Biosensoren Mehrkomponentenanalyse für Sensoren 373 Sachverzeichnis 377