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von enzo K.

Beschreiben Sie die Funktionsweise eines ”Silizium Hall-Sensors” anhand des Sensor-Wu ̈rfel-Modells (gekoppelte Wirkungen). Gehen Sie dabei auf die Auswirkungen von mechanischer Spannung, Temperatur, Magnetfeldern und elektrischer Vorspannung ein.

Ein silizium hall sensor nutzt den Hall Effektu zur Messung von Magnetfeldern

- An dünnen Siliziumschichten werden vier Elektroden angebracht (zwei nehmen die Hallspannung ab).

- Senkrecht zur Bewegungsrichtung der Ladungsträger wirkt ein Magnetfeld.

- Die Ladungsträger aus der DC Quelle werden durch die Lorenzkraft auf eine Seite des Halbleiters

abgelenkt (rechte Hand Regel). -> magnetisch-elektrische WW

- Es wird dann eine Hall-Spannung gemessen, welche proportional zum Magnetfeld ist -> Magnetfeld-

Sensor

- Die Hallspannung ist temperaturabhängig, da die Leitfähigkeit des Siliziums mit steigender

Temperatur zunimmt. ->thermisch-elektrische WW

- Mechanische Spannung hat einen Einfluss auf das Silizium, da es piezoresistiv ist. Das

heißt, der elektrische Widerstand verändert sich mit der mechanischen Spannung.

->mechanisch-elektrische WW

- die Polung der elektrischen Vorspannung entscheidet über die Ablenkungsrichtung der Elektronen im

B-Feld. Damit ändert sich durch Umkehr des Minus- und Pluspols der angelegten Spannung auch das

Vorzeichen der Hallspannung.

Nennen sie zwei beispiele für geräte deren betrieb auf gekoppelten wirkungen beruht bescheiben sie jeweils kurz die jeiwiligen gekoppelten wirkungen

- Piezo-Kraftmesser: Wechselwirkung von mechanischem (Kraft) und elektrischem Effekt (Spannung)

-> durch Kraftausübung auf einen Piezokristall wird eine elektrische Spannung erzeugt.

Über die Höhe der el. Spannung kann dann auf die Kraft rückgeschlossen werden.

- Flüssigkeitsthermometer: Wechselwirkung von mechanischem und thermischem Effekten

-> bei erhöhter Temp. dehnt sich die Flüssigkeit aus und steigt das Rohr hinauf -> Temp. ablesen

Beschreiben sie die Hauptkomponenten eines Systems

Sensoren sammeln informationen aus der umgebung

aktoren beienflussen die umwelt

speichern: von sensoren gesammelte informationen

entscheidung treffen: auf die sensordaten antworten, z.b. soll ist bewertung

Welche Anwendungen werden derzeit in Wissenschaft und Industrie verfolgt?

Derzeit werden in Wissenschaft und Industrie Anwendungen im Bereich der Mikrosystemtechnik (MST) vor allem in den folgenden Märkten verfolgt:

Konsumgüter (z.B. Miniaturisierung in Consumer Electronics),

Internet der Dinge und Industrie 4.0 (z.B. Automatisierung und Effizienzsteigerung in der Produktion),

Lebenswissenschaften (z.B. personalisierte Medizin und Diagnostik),

alternde Gesellschaft (z.B. Unterstützung durch nicht-invasive Diagnosemethoden und Ersatzteile),

Wasserversorgung (z.B. Qualitäts- und Sicherheitsmanagement in großen Städten),

Intelligenz und Autonomie (z.B. Automatisierung menschlicher Aufgaben) sowie Big Science (z.B. Experimente mit verbesserten Sensoren und größeren Datenkanälen).

Welche Technologien sind im Einsatz, wo und warum?

Technologien wie optomechanische Resonatoren, extrem dünne Substrate (z.B. Corning Willow Glas und Schott Glas), Laserabkühlung von nanomechanischen Oszillatoren und die Nutzung von optischen und mechanischen Resonatoren werden eingesetzt. Diese Technologien finden vor allem Anwendung in der Mess- und Sensortechnik, der Automatisierung, der medizinischen Diagnostik sowie in der Entwicklung neuer Materialien und Produktionsmethoden. Der Einsatz dieser Technologien ermöglicht eine höhere Präzision, Miniaturisierung, Energieeffizienz und das Erreichen von neuen Funktionalitäten, die bisher nicht realisierbar waren.

Wo liegen die Grenzen der Mikrosystemtechnik?

Die Grenzen der Mikrosystemtechnik liegen insbesondere in der Komplexität der Herstellung und Integration von Bauteilen auf kleinstem Raum, der präzisen Kontrolle von Quanteneffekten, der Herausforderung, die mechanische Stabilität und Funktionalität bei extremen Miniaturisierungsgraden aufrechtzuerhalten, und der Kostenoptimierung für den Massenmarkt. Zudem sind technologische Grenzen wie die Materialgrenzen (z.B. thermische und mechanische Stabilität bei nanoskaligen Strukturen) und die Grenzen der Mess- und Steuertechnik (z.B. bei der Quantisierung und Kühlung von mechanischen Moden) zu berücksichtigen.

Welcher theoretische Rahmen beschreibt die Funktionsweise von Mikrosystemgeräten?

Die Funktionsweise von Mikrosystemgeräten wird durch verschiedene Gleichgewichte und gekoppelte Wirkungen beschrieben. Dies umfasst mechanische, elektrische, thermische, magnetische und chemische Gleichgewichte, die durch konstitutive Gleichungen miteinander gekoppelt werden. Zum Beispiel wird die Funktion eines Drucksensors durch das mechanische Gleichgewicht und das elektrische Gleichgewicht beschrieben, wobei der Druck eine mechanische Deformation verursacht, die den elektrischen Widerstand und somit die Spannung ändert.

Welche speziellen Vorteile bieten extrem dünne Substrate in der Mikrosystemtechnik? Geben Sie ein Beispiel für eine Anwendung und erläutern Sie, warum die Dünnheit des Substrats dort vorteilhaft ist.

Extrem dünne Substrate sind leicht und hoch biegsam, was sie besonders geeignet für flexible Elektronik und medizinische Sensoren macht. Ein Beispiel ist der Einsatz in flexiblen Solarzellen, wo die Dünnheit des Substrats die Herstellung von leichten, tragbaren Solarzellen ermöglicht, die sich an gekrümmte Oberflächen anpassen können. Diese Eigenschaft verbessert die Anwendungsmöglichkeiten und Benutzerfreundlichkeit, z.B. in tragbaren Geräten oder integrierten Energieversorgungssystemen.

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