Mikrosystementwurf

Dieses Buch vereint die wesentlichen Aspekte zum erfolgreichen Entwurf von Mikrosystemen und gibt eine geschlossene Darstellung der Grundlagen, Entwurfsmethoden, Simulationsverfahren, Anwendungen und Technologien. Bei diesem Werk steht der Entwurf im Vordergrund, insbesondere die sich aus der Miniaturisierung ergebenden Konsequenzen im Entwurf von Mikrosystemen, da die physikalischen Eigenschaften bei einer Maßstabänderung nicht gleich bleiben. Besondere Beachtung finden die Zusammenhänge und Analogien der elektrischen, mechanischen, thermischen, fluidischen und optischen Funktionselemente, da diese Komplexität leicht unüberschaubar wird.

In einer wichtiger werdenden Disziplin will dieses Lehr- und Fachbuch die grundsätzlichen Ideen der Mikrosystemtechnik einmal ganz anders vorstellen: Nicht wie bisher üblich unter dem Technologieaspekt, sondern anhand und mit Hilfe der Entwurfstechniken von Mikrosystemen Dabei legt der Autor besonderen Wert auf Zusammenhänge und Analogien, um die Komplexität des Themas aufzubrechen

Inhalt
1 Einführung.- 1.1 Entwicklung der Mikroelektronik.- 1.2 Mikrosystemtechnik und Nanotechnologie.- 1.3 Chancen der Miniaturisierung.- 1.4 Größenänderung, Skalierung.- 1.5 Skalierung, ähnlichkeit und Kennzahlen.- 1.5.1 Die Ableitung der Kennzahlen der Thermik.- 1.5.2 Kennzahlen der Elektrodynamik.- 1.5.3 Anwendung der Kennzahlen.- 1.5.4 Skalierungsgesetze aus Kennzahlen.- 1.6 Lernen aus der Natur Bionik.- 1.7 Einfluß der Abmessungen auf die Gestalt.- 1.8 Thesen zum Mikrosystementwurf.- 2 Technologien der Mikrosystemtechnik.- 2.1 Feinwerktechnik.- 2.2 Lithographie.- 2.3 Schichtabscheidung.- 2.3.1 Thermische Oxidation.- 2.3.2 CVD-Verfahren.- 2.3.3 PVD-Verfahren.- 2.3.4 Galvanische und stromlose Metallabscheidung.- 2.4 Strukturierung.- 2.4.1 Naßchemisches ätzen.- 2.4.2 Anisotropes ätzen von Silizium.- 2.4.3 Trockenätzverfahren.- 2.4.4 Laserbearbeitung.- 2.5 Prozeßabläufe.- 2.5.1 Silizium Mikromechanik.- 2.5.2 LIGA-Verfahren.- 2.5.3 Herstellung frei beweglicher Strukturen.- 2.5.4 Prozeßfolge zur Herstellung integrierter Schaltungen.- 3_3 Werkstoffe der Mikrosystemtechnik.- 3.1 Phänomenologische Beschreibung.- 3.2 Darstellung und Transformation tensorieller Materialdaten.- 3.3 Diffusion in Festkörpern.- 3.4 Eigenschaften dünner Schichten.- 3.5 Oberflächeneigenschaften.- 3.6 Monte-Carlo- und Ab-initio-Simulation.- 4 Allgemeine Entwurfsmethoden.- 4.1 Entwurfsablauf.- 4.1 Spezifikation.- 4.2 Lösungsmethoden für die Systemstudie, Konzeptphase.- 4.3 Ergebnisse der Konzeptphase.- 5 Systemsimulation.- 5.1 Simulationsebenen.- 5.2 Netzwerkanalyse, Analogsimulation.- 5.3 Nichtlineare Netzwerke.- 5.4 Netzwerkanalyse zeitabhängiger Signale, transiente Analyse.- 5.5 Lösung des transienten Problems.- 6 Beschreibung physikalischer Vorgänge durch Netzwerkmodelle.- 6.1 Beschreibung durch Netzwerkgleichungen.- 6.2 Separation von Zeitkonstanten und Aggregation.- 6.3 Vollständigkeit und Vernachlässigung kleiner Effekte.- 6.4 Feldänderung bei der Wellenausbreitung.- 6.5 Bondgraphen.- 7 Makromodelle.- 7.1 Konzept der Makromodelle.- 7.2 Modellerstellung eines Beschleunigungssensors.- 7.3 Identifikation für Makromodelle.- 7.4 Grundlagen der Zeitbereichsmethoden.- 7.5 Parameterschätzung durch Entwicklung.- 7.6 Signalunabhängige Transformationen mit orthogonalen Polynomen.- 7.7 Nachbildung im Frequenzbereich.- 7.8 Nichtlineare Systeme.- 8 Numerische Feldberechnung.- 8.1 Differenzenverfahren.- 8.2 Finite-Elemente-Methode.- 8.3 Behandlung der Randbedingungen.- 8.4 Variationsprobleme und Galerkin-Verfahren.- 8.5 Wahl der Ansatzfunktionen.- 8.6 Netzgenerierung.- 8.7 Fehlerabschätzung und adaptive Netzgenerierung.- 8.8 Weitere Finite-Elemente-Ansätze.- 9 Systemintegration.- 9.1 Elektronische Komponenten.- 9.2 Signalübertragung.- 9.3 Anschluß- und Verbindungsdichte.- 9.4 Ausbeute und Test.- 9.5 Zuverlässigkeit.- 10 Physikalischer Entwurf und Systemintegration.- 10.1 Modulentwurf.- 10.2 Partitionierung.- 10.3 Plazierung.- 10.4 Thermische Plazierung, Zuverlässigkeitsaspekte, allgemeine Kopplungen.- 10.5 Verdrahtung.- 11 Systemoptimierung.- 11.1 Optimierungsziele, Optimierungsaufgabe.- 11.2 Optimierungsverfahren.- 1l.3 Quasi-Newton-Methoden.- 11.4 Konjugierte Gradientenverfahren.- 11.5 Ableitungsfreie Suchmethoden.- 11.6 Stochastische Optimierungsverfahren.- 11.6 Behandlung der Nebenbedingungen.- 12 Mikroaktoren.- 12.1 Energiewandlung.- 12.2 Elektromagnetische Aktoren.- 12.3 Elektrostatische Mikromotoren.- 12.4 Piezoelektrische Aktoren.- 12.5 Thermisch-mechanische Aktoren.- 12.4 Reibung und Verschleiß.- 13 Sensoren.- 13.1 Signalerfassung und Signalaufbereitung.- 13.2 Sensoren für mechanische Größen.- 13.2.1 Piezoresistive Sensoren.- 13.2.2 Kapazitive Sensoren.- 13.2.3 Piezoelektrische Sensoren.- 13.2.4 Resonanzsensoren.- 13.2.5 Oberflächenwellen Sensoren.- 13.3 Chemo- und Biosensoren.- 13.4 Mehrkomponentenanalyse für Sensoren.

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