Siliziumbasierte Sensor- und Aktorsysteme 1

 

Ziel der Vorlesung

Die Vorlesung "Siliziumbasierte Sensor- und Aktorsysteme" befasst sich mit der Konzeption und den Herstellungsmethoden von Mikrosystemen, die mit den Verfahren der Siliziumtechnologie produziert werden.

Unter einem Mikrosystem versteht man die Kombination von Sensorik, Signalverarbeitung und Aktorik mit Strukturabmessungen im Mikrometerbereich zu einer Funktionseinheit. Es liegt nahe sich diesem Ziel mit den Methoden der Siliziumtechnologie zu nähern, um möglichst großen Nutzen aus den Erfahrungen in der Mikroelektronik zu ziehen und zu dieser kompatibel zu sein.

Im Gegensatz zu der Vorlesungsreihe "Herstellungsprozesse für Mikrosysteme", in der die Technologien zur Fertigung von Mikrosystemen vorgestellt wurden, befasst sich der erste Teil der Vorlesung "Siliziumbasierte Sensor- und Aktorsysteme" mit Wirkprinzipien von Mikrosensoren auf Siliziumbasis und deren Umsetzung in marktfähige Produkte. Es werden aktuelle Beispiele und Anwendungen vorgestellt.

Die Vorlesung umfasst neben einer Einführung in die Physik der Halbleiterbauelemente das Gebiet der physikalischen Sensoren. Im Einzelnen gliedert sich die Vorlesung in die Bereiche: Sensoren für thermische Signale, Strömungssensoren, Sensoren für Strahlung, Magnetfeldsensoren, Drucksensoren, Beschleunigungssensoren und Drehratensensoren.

Der erste Teil der Vorlesung "Siliziumbasierte Sensor- und Aktorsysteme" ist nicht Voraussetzung für den zweiten Teil, da beide unterschiedliche Themengebiete behandeln.

 

Inhalt der Vorlesung

  • Vorstellung der Vorlesung
    Literatur
    Vorstellung der Mikrosystemtechnik, Versuch der Definititon
    Mikrosensoren auf Siliziumbasis
    Beispiele (Mikrosensoren im Kfz-Bereich)
  • Einführung in die Herstellungsprozesse in der Mikrosystemtechnik
    Beschichtungsverfahren, Ionenimplantation, Oxidation
    CMOS-Prozess
  • Temperatursensoren
    Physikalische Grundlagen des Wärmetransports
    Seebeck-Effekt, Thermoelemente
    Widerstandsbasierte Temperatursensoren
    Diode als Temperatursensor
  • Strömungssensoren
    Grundlagen der Strömung
    Anemometrie
    Mikroströmungssensoren in Silizium
    Luftmassensensor
    Anwendungsbeispiele
  • Sensoren für Strahlungssignale
    Das elektromagnetische Spektrum, photometrische Größen, Sensorkenngrößen
    IR-Detektoren, Bolometer
    Photowiderstand, Photodiode, Photozelle, CCD, CMOS-Kamera
  • Magnetfeldsensoren
    Halleffekt, Spinning Current Hallplate
    Magnetoresistive Sensoren, GMR-Sensoren, Magnet-Schreib/Leseköpfe
    Fluxgate-Sensor
  • Kraft- und Drucksensoren
    Mechanische Grundlagen
    Dehnungsmessstreifen, Kapazitive Drucksensoren
    Piezoelektrischer Effekt, Piezoresistiver Effekt, Piezoresistiver Drucksensor
    Anwendungsbeispiele
  • MEMS-Mikrofone
    Grundlagen der Schwingung, Elektrostatische Mikrofone
    Beispiele einiger MEMS-Mikrofone
  • Grundlagen induktiver Telemetriesysteme
    Technische Grundlagen, Anwendungsbeispiele von Transpondern
  • Beschleunigungssensoren
    Wandlerprinzipien
    Piezoresistiver Beschleunigungssensor, Kapazitiver Beschleunigungssensor
    Oberflächenmikromechanik
  • Gyroskope
    Theorie
    Gyroskope in Oberflächenmikromechanik (elektromagnetischer Antrieb, elektrostatischer Antrieb)
    Anwendungsbeispiele

 

Empfohlene Literatur

Mikrosensoren/-Aktoren

  • L. Ristic, Sensor Technology and devices, Artech House, Boston London
  • S. Middelhoek, S. A. Audet, Silicon Sensors, TU Delft
  • T. Elbel, Mikrosensorik, Studium Technik
  • W. Göpel, J. Hesse, N. Zemel, Sensors A Comprehensive Survey, Vol. 1-9, VHC Verlagsgesellschaft, Weinheim
  • H. Baltes, W. Göpel, J. Hesse, Sensors Update, Vol. 1-3, VHC Verlagsgesellschaft, Weinheim
  • S. M. Sze, Semiconductor Sensors, John Wiley&Sons, New York
  • M. Kasper, Mikrosystementwurf- Entwurf und Simulation von Mikrosystemen, Springer
  • U. Mescheder, Mikrosystemtechnik, B.G.Teubner, Stuttgart
  • R. Grabowski, Sensoren und Aktoren, Schlüsselkomponenten der Mikroelektronik im Umweltschutz, VDE-Verlag
  • R.F. Wolffenbuttel, Silicon Sensors and Circuits: On-Chip Compatibility, Chapman & Hall
  • G. Gerlach, W. Dötzel, Grundlagen der Mikrosystemtechnik, Hanser Lehrbuch
  • G. Tschulena, Mikrosystemtechnik, Hüthig

MST-Technologien

  • M. Madou, Fundamentals of Microfabrication, CRC Press, Boca Raton-New York
  • W. Menz, P. Bley, Mikrosystemtechnik für Ingenieure, VCH-Verlagsgesellschaft
  • S. Büttgenbach, Mikromechanik, Teubner Studienbücher
  • A. Heuberger, Mikromechanik, Springer-Verlag
  • U. Hilleringmann, Mikrosystemtechnik auf Silizium, B.G. Teubner Stuttgart
  • J. Hafkesbrink, M. Krause, W. Mokwa, M. Rospert, Technologien für Mikrosysteme, VDI-Verlag
  • S. M. Sze, Physics of Semiconductor Devices, John Wiley & Sons
  • S. M. Sze, VLSI Technology, Mac Graw Hill