Kleiner ist leistungsfähiger

Mikrosystementwurf

Die Mikrosystemtechnik ist eine noch junge Disziplin, die die in der Mikroelektronik entwickelten Technologien verwendet, um miniaturisierte Systeme herzustellen. Bereits weit verbreitete und bekannte einfache Produkte der Mikrosystemtechnik sind die in der Automobiltechnik verwendeten Air-Bag Sensoren oder Drucksensoren, die z.B. in Armbanduhren integriert werden.

Heute wird an hochkomplexen Systemen gearbeitet, die aus einer größeren Anzahl einzelner Komponenten bestehen und durch die parallele Erfassung einer Vielzahl von Signalen eine örtliche Auflösung oder die Identifikation und Verarbeitung komplexer Merkmalsmuster ermöglichen (künstliches Auge, künstliche Nase).

Die Mikrosystemtechnik knüpft in ihrem Bestreben an die Erfolgsgeschichte der Mikroelektronik an, die durch fortschreitende Miniaturisierung eine nun seit mehreren Jahrzehnten andauernde exponentielle Steigerung der Leistungsfähigkeit bei gleichzeitig sinkenden
Kosten erreicht hat. Mit dieser Steigerung der Leistungsfähigkeit ist eine hohe und weiter zunehmende wirtschaftliche Bedeutung und die Durchdringung praktisch aller Bereiche des täglichen Lebens verbunden. Auch in den nächsten Jahren wird dieser Trend anhalten. Das Erfolgsrezept der Mikroelektronik läßt sich auf die einfache Formel bringen:
kleiner ist leistungsfähiger
kleiner ist kostengünstiger

Mikrosysteme erweitern den Anwendungsbereich erheblich, indem sie auch mikromechanische, mikrooptische und andere nichtelektrische Funktionselemente umfassen. Die Entwicklung der Mikrosystemtechnik wird getrieben durch ein hohes Potential bei der Reduktion der Kosten (Materialaufwand, Anzahl der Prozeßschritte) und der Verbesserung der Funktion (Genauigkeit, Leistungsbereich, Selektivität von Sensoren) bei gleichzeitiger Erhöhung der Zuverlässigkeit. Der Kostenvorteil wird besonders deutlich, wenn eine weitgehende Automatisierung  der Fertigung (Batch Prozeß) bei hohen Stückzahlen eingesetzt werden kann. Die besonderen Charakteristika und Unterschiede zwischen Entwurf, Herstellung und Einsatzbereich von Mikrosystemen gegenüber herkömmlichen (Makro-) Realisierungen ergeben sich aus den kleinsten Struktur-abmessungen im µ - Meterbereich.

Der erfolgreiche Entwurf von Mikrosystemen setzt auch eine Beachtung der durch die Miniaturisierung bedingten Änderung charakteristischer Eigenschaften voraus. Verkleinert man alle Abmessungen eines Systems, so ändert sich in der Regel auch die Funktion. In der Antike wurde die Übertragbarkeit bei Änderung der Abmessungen vorausgesetzt und auch Leonardo da Vinci hat bei seinen erfolglosen Flugversuchen den Vogelflug nachgeahmt, ohne zu bedenken, daß die Flügeloberfläche überproportional vergrößert werden müßte, wenn man eine Übertragung auf die Größe eines Menschen vornimmt. In analoger Weise gewinnen bei der Miniaturisierung neue - bisher für eine Makrorealisierung untergeordnete - Effekte an Bedeutung, oder es können neuartige Realisierungskonzepte attraktiv werden. Überlegungen dieser Art werden auch in der Bionik genutzt, um Ähnlichkeits-betrachtungen anzustellen und unter der Vielfalt der in der Natur realisierten Prinzipien solche zu suchen, die auch in der Technik Anwendung finden können.

Da die wesentlichen Funktionsmerkmale bereits vor der Realisierung festgelegt werden, resultiert hieraus eine hohe Bedeutung des Entwurfs für den wirtschaftlichen Erfolg eines Produktes. Hinzu treten als Spezifika der Mikrosystemtechnik die relativ hohen Kosten für Produktionsanlagen, die sich nur durch große Stückzahlen amortisieren, sowie die Forderung nach einer sehr hohen Zuverlässigkeit, die aus der einge-schränkten Reparaturfähigkeit von Mikrosystemen resultiert. Hohe Prototypenkosten und die häufige Komplexität über mehrere physikalische Ebenen der Mikrosysteme erfordern den möglichst weitgehenden Einsatz von Simulationswerkzeugen, um zuverlässige Aussagen über die Funktion des Systems zu einem frühen Zeitpunkt zu erhalten. Vom Entwurf ist daher zu verlangen, daß er zu optimierten, funktionstüchtigen Systemen unter Berücksichtigung der Querempfindlichkeiten und der Integrations-umgebung führt.

Mit der Steigerung der Komplexität und Integrationsdichte ist zu erwarten, daß der Mikrosystementwurf eine ähnliche Bedeutung erlangt, wie dies heute für den Entwurf hochintegrierter elektronischer Schaltungen der Fall ist. Mikrosysteme zeichnen sich jedoch, im Gegensatz zu rein elektronischen, insbesondere digitalen Schaltungen, durch ihre hohe Variationsbreite der Anwendungen aus. Daher ist zu erwarten, daß die einzelnen Entwurfsschritte nicht in gleichem Maße standardisiert und automatisiert werden können. Am Arbeitsbereich Halbleitertechnologie der TU werden neben den Technologien zu Herstellung von Mikrosystemen auch die Simulationsverfahren für den Entwurf eingesetzt und weiterentwickelt. Die Modellbildung und Simulation erweist sich für den durchgängigen Entwurf von Mikrosystemen als zentrales Ziel, um parallel zur Entwicklung zuverlässige Modelle für das Verhalten zu erstellen und damit eine Optimierung der Systemfunktion zu erreichen.
 
Wichtigstes Werkzeug des Mikrosystementwurfs sind Simulationsverfahren, die auf der Ebene der partiellen (Feldsimulatoren) oder der gewöhnlichen Differentialgleichungen (Analogsimulatoren) ansetzen. Die Komplexität ist dabei sehr groß. Bei Mikrosystemen erlangen, aufgrund der räumlichen Nähe der Komponenten, Wechselwirkungen zwischen den unterschiedlichen physikalischen Größen eine hohe Bedeutung. Obwohl die Beschreibung durch Feldgleichungen (Temperaturfeld, Elektromagnetisches Feld, mechanisches Spannungsfeld) die genaueste Darstellungsart liefert, ist es aufgrund der Komplexität nicht möglich, komplette Mikrosysteme auf dieser Ebene zu modellieren. Vielmehr wird die Feldsimulation auch dazu verwendet, um aus ihr Modelle mit einer geringeren Anzahl von Freiheitsgraden und somit geringerer Komplexität abzuleiten, die dann, in ähnlicher Weise wie dies beim Entwurf elektronischer Schaltungen üblich ist, innerhalb eines Analogsimulators nachgebildet werden können. Auf diese Weise lassen sich auch Systeme mit einer Wirkungsweise über mehrere physikalische Ebenen und einer größeren Anzahl von Komponenten in einheitlicher Art beschreiben.

Durch Makromodelle, die das funktionale Verhalten der jeweiligen Mikro-systemkomponenten (Chips, Sensoren und Aktoren) unter Berücksichtigung signifikanter Störgrößen wiedergeben, kann die Beschreibung des Zusammenhangs unterschiedlicher physikalischer Größen auf einheitliche Größen der Simulationsumgebung übertragen werden.

Derzeit werden am Arbeitsbereich Halbleitertechnologie thermooptische Schalter untersucht. Diese Bauelemente werden in der Breitbandkommunikation eingesetzt um den Signalpfad optischer Wellenleiter zu schalten. Hierbei wird durch einen auf dem Bauteil befindlichen metallischen Heizer ein Temperaturfeld erzeugt und der Brechungsindex des optischen Materials gezielt beeinflußt. Wichtige Anforderungen solcher Bauelemente sind eine geringe Dämpfung, olarisationsunempfindlichkeit, kurze Schaltzeiten und hohe Zuverlässigkeit. Bedingt durch das Temperaturfeld und die Unterschiede im thermischen Ausdehnungskoeffizienten der verwendeten Materialien werden mechanische Spannungen induziert, die die Zuverlässigkeit, aber auch das optische Verhalten beeinträchtigen. Über den thermooptischen Effekt verschieben die mechanischen Spannungen in unerwünschter Weise den Brechungsindex. Dieser Effekt kann in Abhängigkeit von Geometrie- und Materialparametern die gleiche Größenordnung erreichen wie die erwünschte thermische Änderung des Brechungsindex. Zur Optimierung des Bauteilverhaltens ist die genaue Kenntnis aller beteiligten Größen notwendig (Temperaturfeld, mechanisches Span-nungsfeld, Brechzahlverteilung und optisches Feld). Da kommerzielle Simulatoren nicht in der Lage sind alle Effekte zu berücksichtigen, werden zur Berechnung spezielle Werkzeuge entwickelt.   Prof. Dr.-Ing. Manfred Kasper