Lehrveranstaltungen

Die Mikrosystemtechnologie hat sich vor mehr als 30 Jahren aus der Mikroelektronik entwickelt. Ab 1970 wurden die ersten integrierten siliziumbasierten Drucksensoren vorgestellt, die, wie auch heute noch weit verbreitet, auf dem piezoresistiven Effekt beruhten. Die Möglichkeit, die rein elektronische Funktionalität eines Schaltkreises so zu erweitern, dass das Bauelement sensorische Fähigkeiten erhält und darüber hinaus seine Umgebung aktiv beeinflussen kann, hatte in den folgenden Jahren eine enorme Aktivität in Forschung und Entwicklung ausgelöst, die bis heute stetig wächst. Die Verbreitung von MEMS (Mikro-Elektro-Mechanisches-System) Bauelementen ist enorm. Sie stecken in jedem Automobil und in zunehmender Zahl in Smartphones, z. B. in Form von Mikrophonen, Inertial- und Drucksensoren.

Die Vorlesung behandelt im ersten Teil die siliziumtechnologiebasierten Prozesse und deren Eigenschaften zur Herstellung mikrosystemtechnischer Bauelemente. Dazu zählen Schichterzeugung (z. B. Oxidation, Chemische Gasphasenabscheidung), die Lithographie zur Strukturübertragung und die wichtigsten Strukturierungsprozesse (z. B. isotrope und anisotrope nasschemische Verfahren, tiefes reaktives Ionenätzen).

Im zweiten Teil werden die physikalischen Wirkprinzipien behandelt, auf denen die Mikrosensoren und –Aktoren beruhen. Spezielle Eigenschaften auf Mikrometerskala von z. B. piezoelektrischen, piezoresistiven, elektrostatischen und elektromagnetischen Effekten werden miteinander verglichen.

Der dritte Teil gibt einen kurzen Überblick zu gängigen Werkzeugen für die Simulation komplexer Strukturen.  
Mit den Prinzipien und physikalischen Besonderheiten komplexer Sensoren und Aktoren beschäftigt sich der vierte Teil. Hier wird das Verständnis z. B. zu Beschleunigungssensoren und Gyroskopen unter Berücksichtigung der Signalauslese und dem Rauschen vertieft.

In der Vorlesung werden die physikalischen Prinzipien und die Instrumentierung gängiger Messtechniken behandelt. Der Fokus liegt auf optischen Messverfahren. Dazu werden zunächst die wichtigsten Grundlagen der Strahlen- und der Wellenoptik wiederholt bzw. ergänzt. Insbesondere wird der sogenannte Fourier-Formalismus zur Beschreibung optischer Systeme und deren Qualität eingeführt.

Im Abschnitt optische Instrumente wird zunächst die Mikroskopie anhand der theoretischen Grundlagen für kontrast-und auflösungserhöhende Verfahren, wie z. B. der Differenzielle Interferenzkontrast und die konfokale Mikroskopie, vertieft behandelt. Nach Vermittlung der Prinzipien und dem Systemaufbau diffraktiver spektroskopischer Systeme werden interferometrische Verfahren vorgestellt. Der Fokus liegt hier auf der Weißlichtinterferometrie und der Laser Vibrometrie. Das Kapitel schließt mit Behandlung der Ellipsometrie.

Der zweite Abschnitt widmet sich dem elektronenoptischen Verfahren der Rasterelektronenmikroskopie. Die verschiedenen Wechselwirkungsmechanismen zwischen Elektron und Materie, die zur Bilderzeugung genutzt werden, inklusive energiedispersiver Verfahren (EDX) bilden den Schwerpunkt.

Im dritten Abschnitt der Vorlesung werden nicht-optische Verfahren zur Oberflächencharakterisierung behandelt. Neben der Rastersondenmikroskopie ist dies vor allem die Nanoindentation.

Die Vorlesung schließt mit einer kurzen Betrachtung der Mechanismen, die zum Rauschen führen, der Modulations-, Demodulationstechnik zur Rauschunterdrückung und einer Darstellung zur korrekten Angabe von Messwerten unter Berücksichtigung des Fehlerfortpflanzungsgesetzes.