Was ist der Ursprung der Mikrosystemtechnik? Geben Sie zwei historisch wichtige Ereignisse an.
MST hat sich aus der Mikroelektronik(Halbleitertechnologie) in des 70ern und 80ern entwickelt
1947: Erfindung des transistors
Feynmans Vertrag am CIT Ideen wie techologie auf mikroskopischer ebene funktionieren könnte
Nennen Sie zwei Anwendungsbereiche der Mikrosystemtechnik und veranschaulichen Sie Ihre Antwort mit zwei konkreten Anwendungen.
Automotive: Beschleunigungssensoren für Airbags, Drucksensoren für Zylinderinnendruck
Medizintechnick: Piezoresistive drucksensoren zur endoskopischen Blutdruckmessung, Lab-on-a-chip für chemische analysen
Nennen Sie zwei Technologiefelder in der Mikrotechnologie und ordnen Sie diesen jeweils ein typisches Produkt zu.
Optoelektronik: Endocer Decoder
Halbleitertechnologie: IC - Computerchips
Was sind die Schlu ̈sseleigenschaften von einem MEMS-Produkt? Veranschaulichen Sie Ihre Antwort mittels einer kommerziellen Anwendung.
Abmessunggen von einigen wenigen 10nm bis einigen 100μm
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Kombinieren mechanische und elektrische Informationen auf engstem Raum
Bestehen im Allgemeinen aus: Sensoren, Aktoren, informationsverarbeitenden Komponenten
Günstige Massenproduktion
Bsp. Smartphones (Mikrophone, Sensoren) – bessere Kommunikation durch MEMS Antenne, bessere
Soundqualität durch Mikrolautsprecher
Nennen Sie zwei ausgereifte MEMS-Produkte.
MIKROFONE
BESCHLEUNIGUNGSSENSOREN
Nennen Sie zwei MEMS-Produkte aus dem Konsumbereich.
SMARTPHONE Gyro Sensor (Lagebestimmung)
Controller von Spielekonsolen (Beschleunigungssensoren)
Nennen Sie zwei Vorteile der Skalierung in MEMS.
Höhere geschwidigkeiten
Energieverbrauch senkung
Was besagt Moores Law
die komplexität integrierter schaltkreise verdoppelt sich alle 18 Monate
Was sind eigenschaften / Charakteristiken von MST produkten
Mikrosysteme kombinieren: Bio-MEMS
Micro optics
micro Mechanik
Micro Akustiv etc
Wieso muss man miniaturisieren?
Weil es klein sein muss Anwendungsanforderung z.b. in neurochirurgie, Weltraum
Zur verbesserung des systems
Verbindung vieler Koponenten (Systemverbesserung): Merh funktionen, zuverlässigkeit
Aus kosten gründen Günstige Massenproduktion und parallele herstellung vieler komponenten
Was besagen die Scalinglaws
Beim Miniaturisieren von Systemen ist es wichtig zu verstehen, wie sich verschiedene Phänomene skalieren und ob diese Skalierung für spezifische Anwendungen vorteilhaft ist. Ein Beispiel ist ein mechanisches System, bei dem Fragen wie die erforderliche Kraft für Bewegungen, die Geschwindigkeit der Bewegung und das schnelle Stoppen von Bewegungen relevant werden. Die Trägheit hängt vom Volumen ab, während Effekte wie Masse, Trägheit, Schwerkraft, magnetische Eigenschaften und Energieverbrauch ebenfalls volumenabhängig sind. Wenn die Kantenlänge eines Würfels um den Faktor 10 verkleinert wird, reduziert sich die Gesamtoberfläche um den Faktor 100 und das Volumen um den Faktor 1000. Dadurch wird das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen 10-mal größer, was bedeutet, dass Reibung und Wärmeableitung eine größere Rolle spielen als Trägheit und Wärmespeicherung. Dies hat Auswirkungen auf das Design, z. B. werden Mikro-Roboter eher durch Solarzellen (Oberflächenskalierung) anstatt durch Batterien (Volumeneffekt) betrieben.
Was ist die konsequenz von niedriger präzision
Das Gerätdesign muss relativ große Fertigungstoleranzen berücksichtigen.
Was sind die vorteile von Scaling
Höhere Geschwindigkeiten (z.B. Frequenz, thermische Zeitbeschränkungen)
Energieverbrauch (z.B. weniger Antriebsenergie, weniger Heizleistung)
1. Wie tragen Technologie und Mikrostrukturtechnik zur Entwicklung von Mikrosystemen bei?
3. Bedeutung von Technologie und Mikrostrukturtechnik:
• Technologie und Mikrostrukturtechnik sind die Grundlagen, die es ermöglichen, Mikrosysteme überhaupt zu entwickeln. Sie umfassen die Herstellungsmethoden und Materialien, die erforderlich sind, um Komponenten auf mikroskopischer Ebene zu fertigen. Diese Technologien bestimmen maßgeblich die Leistungsfähigkeit, Zuverlässigkeit und Kosten der Mikrosysteme.
2. Welche Bedeutung haben Montage und Verpackung in der Systementwicklung?
• Montage und Verpackung (Assembly and Packaging) spielen eine entscheidende Rolle bei der physischen Integration der Komponenten. Sie schützen das Mikrosystem vor äußeren Einflüssen, gewährleisten die mechanische Stabilität und sorgen dafür, dass die einzelnen Komponenten sicher miteinander verbunden sind. Diese Phase beeinflusst auch die endgültige Größe, das Gewicht und die Kosten des Mikrosystems.
Wie hängt die Trägheit eines mechanischen Systems mit dem Volumen zusammen?
Die Trägheit eines mechanischen Systems hängt direkt mit dem Volumen zusammen, da die Trägheit ein volumenbezogener Effekt ist. Das bedeutet, dass größere Volumina auch größere Trägheitskräfte haben. In MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) ist dies besonders relevant, da bei der Miniaturisierung das Volumen stark abnimmt, wodurch die Trägheit und andere volumenbezogene Effekte wie Masse und Energieverbrauch ebenfalls deutlich abnehmen.
Wie verändert sich das Oberflächen-Volumen-Verhältnis, wenn die Seite eines Würfels um einen Faktor von 10 verkleinert wird?
Wenn die Seite eines Würfels um einen Faktor von 10 verkleinert wird, reduziert sich die Gesamtoberfläche um den Faktor f^2 = 100 und das Gesamtvolumen um den Faktor f^3 = 1000 . Dadurch wird das Oberflächen-Volumen-Verhältnis für den verkleinerten Würfel f = 10 mal größer als bei dem ursprünglichen Würfel. Das bedeutet, dass bei kleineren Strukturen die Oberfläche im Verhältnis zum Volumen viel größer wird.
Welche Auswirkungen hat das veränderte Oberflächen-Volumen-Verhältnis auf das Design von Mikrosystemen?
Das veränderte Oberflächen-Volumen-Verhältnis hat bedeutende Auswirkungen auf das Design von Mikrosystemen. Da bei kleineren Strukturen das Oberflächen-Volumen-Verhältnis größer wird, dominieren Oberflächenphänomene wie Reibung und Wärmeableitung gegenüber volumetrischen Effekten wie Trägheit und Wärmespeicherung
. Daher werden Mikro-Roboter eher mit Solarzellen (die von der größeren Oberfläche profitieren) anstelle von Batterien (die vom Volumen abhängen) betrieben. Dies erfordert eine Anpassung des Designs, um die dominierenden Effekte bei kleinen Skalen optimal zu nutzen.
wie präzise sind MEMS produkte
übliche größe 10 bis 100micrometer
präzision 1 micrometer
das heißt die relative präzision ist 1-10%
das ist relativ schlech, deshalb muss man große herstellungstoleranzen haben
Was sind komponenten die man bei mikrosystemen berücksichtigen muss
1. Verbindung zur Außenwelt:
• Interfaces und Intelligenz: Die Schnittstellen, die ein Mikrosystem mit der Außenwelt verbinden, sowie die Intelligenz des Systems, die es ermöglicht, auf Umgebungsfaktoren zu reagieren und diese zu verarbeiten.
2. Technologie und Mikrotechnologie:
• Mikrostrukturtechnik und Mikrokoponenten: Die grundlegenden Technologien und die Entwicklung von mikroskopisch kleinen Komponenten, die in das Mikrosystem integriert werden.
3. Montage und Verpackung:
• Zusammenbau und Verpackung: Techniken zum Zusammenfügen, Fixieren, Schützen und Verbinden von Bauteilen, um ein funktionsfähiges Mikrosystem zu schaffen.
4. Integration:
• Monolithisch vs. Hybrid: Die Integration von Komponenten in das Mikrosystem, entweder als einheitliches (monolithisches) System oder als eine hybride Lösung, bei der verschiedene Technologien kombiniert werden.
5. Systemtechnik:
• Intelligenz: Die Integration intelligenter Funktionen, die es dem System ermöglichen, komplexe Aufgaben zu erfüllen und Entscheidungen zu treffen.
6. Modulares Konzept:
• Modularität: Die Möglichkeit, das System in modularer Form zu gestalten, was Flexibilität und Anpassungsfähigkeit in der industriellen Umsetzung ermöglicht.
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