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Trends der Mikrosystemtechnik Dimensionen - Hessen
Trends der Mikrosystemtechnik Prof. Dr. Helmut F. Schlaak Technische Universität Darmstadt Institut für Elektromechanische Konstruktionen www.institut-emk.de Vorstandsvorsitzender mst-Netzwerk Rhein-Main e.V. 10 µm 1 Dimensionen der Mikro- und Nanotechnologien Zum Vergleich: Menschliche Hand Wassertropfen 1 m 100 mm 10 mm 1 mm Haardurchmesser 100 µm Mikrotechniken 10 µm Zelle 1 µm Virus 100 nm Nanotechniken Leiterplattenabmessungen Siliziumchipabmessungen Siliziumwaferdicke Mikromechanische Bieger Mikrofluidische Strömungskanäle Strukturauflösung opt. Lithographie Wellenlänge des sichtbaren Lichtes 10 nm DNA Siliziumwaferdurchmesser 1 nm Schichtdicken Dünnschichttechnik Gitterkonstante für Silizium 0,1 nm = 1 Å 2 1 Trends der Mikrosystemtechnik Prof. Dr. Helmut F. Schlaak Inhalt: • Technologien der Mikrosystemtechnik • Neue Materialien und Technologien • Anwendungsgebiete der Mikrosystemtechnik • Wirtschaftliche Bedeutung • Aktuelle Trends 3 Was ist Mikrotechnologie ? • Fertigungstechnik für Bauteile mit Strukturen oder mit Toleranzen im Mikrometerbereich (= „Mikrostruktur“) • Einsatz von Dünnfilm-Herstellungsverfahren auf planaren Substraten und Mikromontageverfahren • Genaue Strukturerzeugung durch Photolithographie oder Replikation • Anwendungsspezifischer Einsatz von unterschiedlichen Substratmaterialien: Silizium, III-V-Halbleiter, Glas, Keramik, Metall, Polymere • Funktionen der Bauteile, Komponenten, Subsysteme: elektronisch, mechanisch, optisch, thermisch, fluidisch 4 2 Warum Mikrosystemtechnik? • Kostenreduktion • Zuverlässigkeit - Komponentenreduktion - Batchfertigung - Weniger Stecker und Kabel - Weniger Komponenten • Baugröße, Gewicht • Funktionserweiterung - Miniaturisierung - wartungsfreie Systeme - Integration ermöglicht z. B. Selbsttest, Genauigkeitsüberwachung, „Intelligenz“ Quelle: Bosch FV/SLM 03/00 5 Mikroelektronik und Mikrosystemtechnik Stationen Historischer Rückblick: 1947 1954 1958 1967 1977 1985 1987 1988 1994 2000 Erfindung des Transistors (Bardeen, Brattain, Shockley) Piezoelektrischer Effekt in Halbleitern Integrierte Halbleiterschaltung Anisotropes Tiefenätzen in Silizium → Si-Bulk-Mikromechanik Kapazitiver Beschleunigungssensor LIGA-Verfahren Begriff „Mikrosystemtechnik“ (Heuberger) Frei bewegliche mikromechanische Strukturen auf Silizium → Si-Oberflächen-Mikromechanik Monolithisch integrierte Mikrosysteme in Produktion Mikroabformung in Polymeren und Keramik 6 3 Silizium-Bulk-Mikromechanik 7 LIGA-Verfahren LIGA Lithographie Galvanik Abformung 8 4 Fertigungsverfahren der Mikrosystemtechnik Silizium-Bulk-Mikromechanik LIGA Lithographie, Galvanik, Abformung Rückseitenätzung, Bewegliche Teile aus monokristallinem Silizium Silizium-OberflächenMikromechanik Bewegliche Teile aus Poly-Silizium hergestellt durch Opferschicht Silizium-Mikromechanik mit Tiefenätzung Anisotrope Tiefenätzung, Bewegliche Teile aus monokristallinem Silizium 25 m Galvano-OberflächenMikromechanik Bewegliche Teile aus galvanisch abgeschied. Metallschichten Mikroformgebung Elektroerosion Mikrospritzguss Pulverspritzguss Laserschneiden Mikrozerspanung 9 Anwendungen der Mikrosystemtechnik Automobiltechnik: - Mikrosensoren bzw. Multisensoren (Beschleunigung, Druck, Gasdurchfluss) Medizintechnik: - Diagnosesysteme - Mikrodosierkomponenten - Bildwandler (Diagnostik) Prozesstechnik: - Analysesysteme (Umwelttechnik) - Mikroreaktionssysteme - Industrielle Sensorsysteme Displaytechnik: - Anzeigeelemente - Microscanner Kommunikationstechnik: - Höchstfrequenzschaltkreise - Optoelektronische Schaltkreise - RF-MEMS 10 5 MEMS in Automotive Sensors Passive Safety System Out-Of-Position Occupant classification sensor Sensor (OOP) Electronics / Sensors Actuators Child Seat Switch Bus Architecture or PrecrashSensor Up-FrontSensor Peripheral Airbag Sensor Weight Sensor Central ECU with integrated Roll-Over Sensing Quelle: lling, Bosch GmbH 11 MEMS in Automotive Sensors ROSE Roll-Over Safety Electronics Activates safety devices in roll-over accidents Quelle: lling, Bosch GmbH 12 6 Mikromechanischer Drehratensensor DRS-MM2 Ansicht der Mikrostrukturen aus Poly-Silizium 100 µm 50 µm 500 µm Quelle: Illing, Bosch GmbH 13 Informationstechnik Digitale Lichtprojektion 14 7 Digitale Lichtprojektion Digital Mirror Device DMD Schematischer Aufbau eines Spiegelelements: Lichtreflektor und elektrostatischer Antrieb mit Torsionsfeder-Aufhängung in 2 Ebenen 15 Technologietrends in der Mikrosystemtechnik • Silizium-Technologie – Industriell in Massenfertigung etabliert – Prozessintegration in CMOS-Technologie in Arbeit – Kombination aus Oberflächen-Mikromechanik, DRIE und porösem Silizium • Tiefenlithographie – SU8 für vielfältige Funktionselemente interessant – Bedarf nach lösbaren tiefenstrukturierbaren Resisten – Vielfältige Anwendungen in Mikroantriebstechnik 16 8 Technologietrends in der Mikrosystemtechnik • Mikroformgebung – Galvanoformung: • Diverse Legierungen zur Galvanoformung erprobt: Ni, NiFe, NiW, … • Galvanoformung als Fertigungsverfahren für Mikrobauteile (Rationalisierung bei Direkt-LIGA) – Mikrospritzguss: • Verfahren für Kunststoffe und Keramiken fortgeschritten • Formeinsätze vielfältig herstellbar – Prägen: • Großflächige 2 ½-D-Strukturierung von Kunststoffen • Vielseitige Formgebung von Kunsstoff erschlossen • Silikon (PDMS) als Formmaterial – Zerspanung, EDM, Laserverfahren • Für den Mikrobereich erschlossen 17 Technologietrends in der Mikrosystemtechnik • Neue Materialien – Kompositmaterialien • Funktionalisierung von Polymeren • Magnetische Nanokomposite – Integration von Funktionswerkstoffen in MEMS-Technologie • Piezoelektrische Bauelemente • Magnetische Mikrosysteme • GMR-Effekte in der Sensorik • Mikro-Nano-Integration – Verbesserte Funktionen durch Integration von Nanomaterialien • Gassensoren mit Nanodrähten • „Muskeln“ aus Nanoröhren (CNT) 18 9 Weltmarkt für Mikrosysteme NEXUS Market Analysis 2005–2009 • • • 3 Produkte machen immer noch 70% des Marktes in 2009 aus – Read-Write (RW) heads – Inkjet heads – MEMS Displays (werden 2009 zum zweitgrößten MST Markt) 3 andere Produkte werden 2009 jeweils über $ 1 Mrd. einbringen – Drucksensoren – RF MEMS – Trägheitssensoren 25000 Other* µ energy sources IR sensors 20000 Drug delivery sys. MOEMS telecom Flow sensors 15000 Microphones Accelerometers Gyroscopes Microfluidics RF Mems 10000 Pressure sensors Inkjet heads 5000 12 neue und aufstrebende Nischenprodukte mit jeweils > $ 100 Mio. in 2009 MEMS displays RW heads 0 2004 2005 2006 2007 2008 2009 19 Weltmarkt für MEMS/MST Anwendungsfelder 2004 und 2009 2009 2004 Industrie & Telekommunikation Prozessleittechnik 2% 1% Andere 3% Medizin & Biowissenschaften 5% Unterhaltungs7% elektronik Automobilbau 10% IT Peripherie 72% Quelle: NEXUS Market Analysis 2005 – 2009 WTC – Wicht Technologie Consulting, MST Kongress, Freiburg 2005 (insgesamt $ 11.5 Milliarden) Industrie & Telekommunikation Prozessleittechnik 3% Andere 2% 2% Medizin & Biowissenschaften 7% Unterhaltungselektronik 22% 8% IT Peripherie 56% Automobilbau (insgesamt $ 24 Milliarden) 20 10 Trends und neue Anwendungen in der Mikrosystemtechnik • MEMS im Konsumgütermarkt (z.B. Bildstabilisator) • Mikroenergietechnik (z.B. portable Geräte) • Thermoelektrische Wandler • Mikrobrennstoffzellen • Resonante Strukturen (Schwingungsenergie) • Massenfabrikate in Life Science, Pharma und Medizintechnik • Kostengünstige Mikroabformtechniken • Intelligente optische und Lichtsysteme • Industrialisierung der Mikrospiegelarrays (DMD) • Mikrowellen- und THz-Sensorik für Spektroskopie, Diagnostik und Sicherheitstechnik • RF-MEMS • Mikrowellenscanner mit steuerbaren Komponenten 21 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Kontakt Prof. Dr.-Ing. Helmut F. Schlaak Technische Universität Darmstadt Institut für Elektromechanische Konstruktionen schlaak@emk.tu-darmstadt.de www.institut-emk.de 22 11 Markteinführung für MST-Produkte Barrieren Markteinführung: • Neue Applikationen • Nachfrage nach Mehrfunktion • Vorfinanzierung gesichert • Preisvorteil durch MST Hohe Vorleistung (FuE, Fertigungstechnik) ökonomische Eintrittsbarierre Geringe Stückzahlen Einstellung Entwicklung: • Zusatzaufwand Nachentwicklung • Stückzahlen schleppend • Preisverfall Konventionelle Lösung preiswert, etabliert 23 Informationstechnik Tintendruck Tintendrucker Tintenzufluß Dampfblase Glasdeckel Düsen Si-Substrat U Heizelement Schlüsselkomponente: Bubble-Jet-Druckkopf mit Mikro-Tintenkanälen Dünnfilme 24 12 Produktwandel durch Mikrotechnik Anwendung Feinwerktechnisches Gerät Mikrotechnisches System Drucken Nadeldruck Tintendruckkopf Speichern Magnet-Lese/Schreibkopf HD-Laufwerk Dünnfilm-Schreib-/Lesekopf Dünnfilm-Speichermedium Informationswiedergabe Schallplatte CD-Platten, CD-Laufwerk Schreib-/Lesekopf Automobil-Sensorik Beschleunigungsschalter Mikrobeschleunigungssensor mit integrierter Signalverarbeitung Industrie-Sensorik Druckmessdose Mikrodrucksensor Lichtprojektion Drehspiegelsystem Mikroscanner, Spiegelarray Schalten Elektromagnetisches Relais Mikrorelais integrierbar zu Schaltmatrizen 25 Mikrosystemtechnik für Pharma, Analytik und Diagnostik Quelle: Boehringer Ingelheim microParts Respimat® Quelle: Boehringer Ingelheim microParts Entgasungsmodul Quelle: Boehringer Ingelheim microParts Mikrotiterplatte Quelle: Boehringer Ingelheim microParts Quelle: Boehringer Ingelheim microParts Mikrospektrometer-Modul Quelle: Boehringer Ingelheim microParts Lab on a CD Bio-Chip 26 13 3D-Mikrostrukturierungsverfahren Beispiele: 3D-UV Lithographie Laser-Verfahren Elektrophorese-Chip Immunoassay Mikrofräsen Bauteil für Entgaser „Macro-Parts with Micron Features“ 27 Lilliput®Chip: Befüllung über Kapillarkraft sample is filled into a central inlet well wells are automatically filled by capillary action all wells are filled within a minute 28 14 Miniatur-Piezomotor Piezoaktor erzeugt resonante Schwingungen Grundelemente Linearantrieb Rotationsantrieb Elliptec Resonant Actuator AG, Dortmund 29 Luftmassensensoren Generationen Bosch K8/STZ 90913 30 15 Silizium als mechanisches Material Silizium-Mikromechanik Kristallstruktur von Silizium Anisotropes Ätzen in (100)-Silizium durch KOH <100> Silizium <011> Kristallrichtung 31 Mikrosystemtechnik Übersicht Technologien Silizium-Mikromechanik Bulk-SiMikromechanik Si-OberflächenMikromechanik Feder monokristallin Feder aus Poly-Si d = 2 - 100 µm p n Glas Glas Silizium d < 10 µm Poly-Silizium Silizium GalvanoOberflächenMikromechanik (UV-LIGA) LIGA Lithographie Galvanik Abformung SynchrotronBelichtung Feder aus Metall-Galvanik Feder aus Metall-Galvanik d = 2 - 500 µm d = 50 - 500 µm Galv. Ni Silizium etc. 32 16 Roadmap der Integrationsdichte Gordon-Moore-Gesetz Verkleinerung der Strukturgröße Je eine Vervierfachung der Speicherkapazität in ca. 3 Jahren 33 17
