Einführung in die Mikrosystemtechnik und Mikrosensorik für Fachlehrer der Biologie, Chemie und Physik

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1 Einführung in die Mikrosystemtechnik und Mikrosensorik für Fachlehrer der Biologie, Chemie und Physik Dr.-.-Ing.. Sabine Nieland CiS Institut für Mikrosensorik ggmbh

2 Einführung der Mikrosystemtechnik Audi UW Baujahr 1934 Weiterentwicklung von Produkten am Beispiel Automobil Einsatz von Mikrosystemen für neue Funktionen: Beispiele 1954: Mercedes-Benz: erste Benzineinspritzung 1968: erste Versuche für Airbags 1969: erste Scheibenantenne von Pontiac 1976: erste Lambda-Sonde von Bosch Einsatz neuer Werkstoffe damit neue Design möglich: Beispiele 1953: erster schlauchloser Reifen von Dunlop 1954: 1 Corvette mit Glasfaserkarosserieteilen 2003: Einführung des Audi A8L mit Al-Karosse Audi A6 Avant Baujahr 2004

3 Automobil und Mikrosystemtechnik Emission Fahrspaß Sensortechnik= Hauptfaktor für Kfz-Weiterentwicklung Sicherheit Verbrauch 1 Quelle für Aussage: 2 Quelle für Bilder:

4 Medizin und Mikrosystemtechnik Phonak: Hörgeräte Biotronik: Herzschrittmacher IR-Ohrthermometer (Chip von X-FAB)

5 Kombination aus: Mikrosystemtechnik- Begriffsbestimmung Mikro system technik Auswertung = Entscheiden Sensoren = Empfinden Aktoren = Reagieren Größenordnung Inhalt Herstellung

6 Mikrosysteme und Mikrosystemtechnik Mikrosysteme: miniaturisierte, intelligente und selbständig arbeitende Systeme aus elektrischen und nicht elektrischen Komponenten, die mit Sensoren Signale aus der Umwelt wahrnehmen, elektrisch verarbeiten und mit Aktoren auf die Umwelt zurückwirken Mikrosystemtechnik: hat den Entwurf und die Realisierung von Mikrosystemen zum Inhalt Bildquelle oberes Bild:

7 Mikrosysteme und Sensoren Mikrosysteme: Sensoren-Auswertung-Aktoren Eingangssignal (Licht, Bewegung, Temperatur,...) nicht elektrisch Sensor elektrisch Elektrisches Ausgangssignal Sensor: Aufnehmer von physikalischen, chemischen oder biologischen Größen oder auch Signalwandler Aufnehmer Signalvorverarbeitung Signalkonditionierung mit Mikrocontroller Sensorik: keine einheitliche Definition beschäftigt sich mit der elektrischen Messung nicht-elektrischer Signale Sensorelement integrierter Sensor intelligenter Sensor

8 Ausgewählte Sensortypen Eingangssignal (Licht, Bewegung, Temperatur,...) nicht elektrisch Sensor Elektrisches Ausgangssignal Ölqualitätssensor (optisch) elektrisch Ölstandssensor (kapazitiv) Abstandswarner (optisch) Beschleunigungsensor (piezorelektrisch, piezoresistiv) Neigunswinkelsensor =Beschleunigungsensor Airbagsensor =Drucksensor Reifendrucksensor Sensor zur Messung der Umdrehungsgeschwindigkeit der Räder (magnet-resistiv) Bildquelle:

9 Optische Sensoren -Wirkprinzip Messmedium Sender Empfänger z. B. LED Laserdiode Bereich: Biologie: Fluoreszenz z. B. Photodiodenfeld Chemie: Farbumschläge

10 Systemhaus für Entwicklung neuartiger Sensoren das CiS befindet sich im AZM Erfurt im Industriegebiet Erfurt Süd-Ost Weitere Firmen im Industriegebiet Erfurt Süd-Ost: Automotive Solar Systems, ErSol, IMMS, MAZet, Melexis PV Silicon, X-FAB und andere (siehe

11 Ausgewählte Produkte Modulares Sender-Empfänger-System für optische Analysegeräte Zweiseitig strukturierte Wafer als Strahlungsdetektoren für die Teilchenphysik Optische Sensoren für die schnelle Herz-Kreislauf-Diagnostik Siziumdrucksensoren Siliziumanzünder für Airbags

12 MORES TM als Plattform Mores. Miniaturisiertes optisches Remissions-/Reflexions-System ASIC Messmedium/Reflektor optischer Filter Lotkontakt LEDs Fotodetektor Siliziumchip mit Ätzgrube Messmedium/Reflektor: das zu messende Objekt: z. B. Maßstab, Codescheibe, Blatt, Öl, Blut... optischer Filter: optisches Bauteil zum Selektieren von Lichtwellen Lotkontakt: Medium zum stoffschlüssigen Verbinden zweier im festen Zustand verbleibender Schichten LED: Halbleiterbauelement zur Umwandlung von elektrischen Signalen in Lichtsignale Fotodetektor: Halbleiterbauelement zur Umwandlung von Lichtsignalen in elektrische Signale Siliziumchip: Halbleiter mit definiertem elektrischen Leitungsverhalten zwischen Metall und Isolator Ätzgrube: mittels chemischen Abtrag mit KOH erzeugte 3D-Strukturierung im Siliziumkörper

13 MORES TM als Plattform Mores: Kombination verschiedener Halbleiterbauelemente ASIC Grundlagen Bändermodell Leitungsband Leitungsband Leitungsband Valenzband Valenzband Valenzband Nichtleiter/Isolator Halbleiter Leiter

14 MORES TM als Plattform Mores. Miniaturisiertes optisches Remissions-/Reflexions-System ASIC Messmedium/Reflektor optischer Filter Lotkontakt LEDs Fotodioden-Array Siliziumchip mit Ätzgrube Anwendung z.b. im medizinischen Bereich Optische Sensoren für die schnelle Herz-Kreislauf-Diagnostik

15 MORES TM als Plattform Mores: Miniaturisiertes optisches Remissions-/Reflexions-Systems Auswertung ASIC Messmedium/Reflektor optischer Filter Lotkontakt LEDs Fotodetektor Siliziumchip mit Ätzgrube Flexband zur Trennung von Mess- und Auswertungsort Ausführung mit Flexband Ausführungsform Ausführung mit Keramikgehäuse

16 MORES TM und Match-X Match-X: Baukastensystem, mit dem komplette Mikrosysteme modular zusammengesetzt werden können, das Bausteingehäuse kann z.b. aus Keramik sein Geometrie und Schnittstellen sind beim Match-X definiert Glassubstrat dient zur/als 12,5 mm x 12,5 mm x 1,9 mm LTCC-Gehäuse mit Ball Grid Array Strahlfokusierung Partikelfilter spektralen Filterung mechanischer Schutz LTCC: Spezialkeramik Ball Grid Array: Netz von Lotkontakten auf der Gehäuserückseite zum Auflöten auf eine Leiterplatte

17 MORES TM und schnelle Datenübertragung Sensor ist komplett, wenn Signale ausgewertet werden können und in aussagekräften Anzeigen vorliegen (deshalb wird der Sensor mit einem Evaluationboard und dieses mit einem Laptop verbunden) übliche Datenübertragung mittels Kupferkabel für schnelle Datenübertragung Lichtwellenleiter (LWL) Vorteile LWL: für schnelle Datenübertragung großer Datenpaktete (echtzeitfähig) Anwendungen im elektrischen und magnetischem Feld möglich sowie unter Teilchenstrahlung (Computertomogrphie wie KPT, MRT)

18 Messprinzipien für Mores Remissionsprinzip Reflexionsprinzip Absorptionsprinzip Adsorptionsprinzip Fluoreszenzsprinzip Interferenzprinzip

19 Ausnutzung des Reflexionsprinzips Prinzip: Moiregitter EPIFLEX (Numerik Jena GmbH) Lichtquelle Kondensor Maßverkörperung Abtastgitter Abtastsensor Fotodiodenarray OPM (OMS GmbH)

20 Ausnutzung des Reflexionsprinzips Prinzip: Moire-Muster Reflexion: eine Welle wird an einer Oberfläche zurückgeworfen, dabei sind Einfalls- und Reflexionsswinkel gleich Moire-Muster: optische Überlagerung zweier Liniengitter mit gleichem Gitterabstand bei Verdrehung dieser (vergleiche zwei Gartenzäune) dient zur Unterteilung einer Fläche mit höherer Auflösung als der Gitterabstand

21 Ausnutzung der Totalreflexion Prinzip n Brechungsindex n 1 n 3 Unterdrückung der Totalreflexion Wassertröpfchen n 2 Anwendung: Kondensationssensorik Kondensationsempfindlichkeit Ausführung mit Fotodiode in Segmentform Photoddiodensignal (µa) 1,6 1,5 1,4 1,3 1,2 1,1 1 Taupunkt erreicht Zeit (sec)

22 Ausnutzung der Totalreflexion Prinzip n Brechungsindex n 1 n 3 Unterdrückung der Totalreflexion Wassertröpfchen n 2 Totalreflexion: ist ein optisches Phänomen, bei dem Licht beim Auftreffen auf eine Grenzschicht zwischen zwei Medien mit verschiedenen Brechungsindizes nicht gebrochen, sondern vollständig reflektiert wird Brechungsindex: kennzeichnet den Übergang aus einem Medium in ein anderes Medium (rel. Brechnungsindex)

23 Ausnutzung des Remissionsprinzips Prinzip: Amplitude Zeit / sec Anwendung: Cardiovasculäre Diagnostik

24 Ausnutzung des Remissionsprinzips Prinzip: Amplitude Zeit / sec Remission: das Messobjekt absorbiert einen Teil und lässt einen Teil des eingestrahlten Lichtes durch, z. B. eine definierte Wellenlänge (siehe Beispiel Rot: 650 nm) wird absorbiert und nur ein Bruchteil des eingestrahlten Lichtes wird reflektiert

25 Ausnutzung des Absorptionsprinzips Prinzip: Lichtabsorption in der Indikatorschicht Indikatorschicht Anwendung: Biosensorik NH 3, CO 2 - Sensorik ph-wertbestimmung Photodiode Array Photoddiodensignal (na) ph4 -> ph10 ph10 -> ph4 LED Zeit (min)

26 Ausnutzung des Absorptionsprinzips Prinzip: Lichtabsorption in der Indikatorschicht Indikatorschicht Absorption: Abschwächung des eingestrahlten Lichtes bei dessen Reflektion durch Energieaufnahme Indikator: Hilfsmittel zum Anzeigen von Reaktionen z. B. Farbänderung bei ph-wert-änderung (vergleiche Lackmus-Papier)

27 Ausnutzung des Adsorptionsprinzips Prinzip: n 3 n Brechungsindex n 2 Wassermolekül wasseranziehende Schicht n 1 Anwendung: Biosensorik

28 Ausnutzung des Adsorptionsprinzips Prinzip: n 3 n Brechungsindex n 2 Wassermolekül wasseranziehende Schicht n 1 Adsorption: Anlagerung von Atomen oder Molekülen an einer Oberfläche Wasser: chemische Verbindung aus Sauerstoff und Wasserstoff im flüssigen Zustand mit Dipolcharakter Dipolmolekül: Molekül, in dem die elektrischen Ladungen unsymmetrisch verteilt sind

29 Ausnutzung des Fluoreszenzprinzips Prinzip: Fluoreszenz= Änderung der Wellenlänge des reflektierten Strahles z. B. Blatt Fluoreszenz: optisches Phänomen, bei dem ein Atom oder Molekül Licht absorbiert und später Licht mit einer niedrigeren Energie d. h. mit einer größeren Wellenlänge abgibt; die restliche Energie wird in Wärme umgewandelt Beispiele: Sanger-Methode zur Sequenzierung der DANN Chlorophyll-Fluoreszenz : Stressindikator bei Pflanzen Krebserkennung mit Fluoreszenz-Endoskopie

30 Struktureller Aufbau Halbleiterprozesse Herstellung PIN-Diodenarray (Phosphor-/Bor-Implantation) Herstellung der Grube (anisotropes Ätzen mit KOH) Herstellung der Anschlusskontakte Glasfilter (Leistung Dritter) Strukturierung des Glases mittels UV-Bestrahlung (Fotolithografie) Herstellung einer elektrischen Schaltung auf Glas Herstellung von Lotdepot auf Glas Aufbau- und Verbindungstechnik Belotbare Metallisierung auf Bondpads Einkleben der LED in Grube Drahtbonden LED Wafersägen Flip-Chip-Löten PIN-Diodenarray u. Glas