Einführung in die Mikrosystemtechnik

6 Funktions- und Formelemente der Mikrosystemtechnik (S. 209-210)

Funktions- und Formelemente sind die Grundbausteine zum Aufbau von mikromechanischen, mikrooptischen, mikrofluidischen und anderen Mikrokomponenten. Mikrokomponenten sind abgeschlossene Funktionseinheiten, die durch ihr Zusammenwirken eine gewünschte Systemfunktion realisieren. Mikrokomponenten haben Strukturen im Mikrometer-Bereich, ihre technische Funktion beruht auf der Mikrogestalt. Diese Definition [NEXUS02] charakterisiert, dass in der Mikrosystemtechnik Funktion und Form sehr eng aneinander gebunden sind: Konstruktion, Werkstoff und Technologie eines Elementes sind untereinander und mit der zu realisierenden Funktion stärker verflochten, als das in klassischen Disziplinen wie Feinwerktechnik, Elektrotechnik oder Maschinenbau der Fall ist.

Das Doppelwort „Funktions- und Formelement" drückt diesen Sachverhalt auch sprachlich aus. Ein anschauliches Beispiel ist die Realisierung eines integrierten Widerstandes in Silizium (Bild 6.1). Der Widerstand ergibt sich aus R= pl/A = pl/hb, wobei l, b und h Länge, Breite und Dicke und ρ der spezifische Widerstand sind. Der Quotient ρ/h wird durch die Technologie (Ionenimplantation: Energie, Ionenart, Substrat), der Quotient l/b wird durch die Konstruktion (Maske) bestimmt: Der Wert von R ist nur durch exaktes Zusammenwirken von Konstruktion, Werkstoff und Technologie genau einstellbar.

6.1 Mechanische Elemente

Die mikromechanischen Funktions- und Formelemente können in zwei Gruppen eingeteilt werden: statische und dynamische Elemente (Tabelle 6.1). Nachfolgend werden als exemplarische Vertreter mikromechanischer Funktions- und Formelemente schwingfähige Feder-Masse-Anordnungen betrachtet. Sie werden oft als Grundelemente von sensorischen und aktorischen Wandlern (Kapitel 7) angewendet, z.B. als Signalwandler für physikalische Größen wie Beschleunigung, Drehrate, Neigung, Kraft, Druck oder als Energiewandler für steuerbare Spiegel oder Ventile. Dabei verbindet ein Federelement eine bewegliche Masse mit einem ortsfesten Rahmen und erzeugt eine von der Auslenkung der Masse abhängige Rückstellkraft.

Typische Federelemente in der Silizium-Mikromechanik sind Biegebalken, Torsionsbalken und Membranen. Unterschiedliche Gestaltung der Aufhängung der beweglichen Massen am Rahmen und unterschiedliche Dimensionierung ermöglichen, wichtige Parameter wie Empfindlichkeit, Querempfindlichkeit, Eigenfrequenz oder die maximal auftretende Spannungen in den Federn konstruktiv zu beeinflussen.

Besonders in der frühen Entwurfsphase sind analytische Beschreibungen eine nützliche Hilfe bei der Auswahl von prinzipiell geeigneten Funktions- und Formelementen. Mit vereinfachenden Annahmen und unter Berücksichtigung der verfügbaren Technologie können sie so dimensioniert werden, dass vorgegebene Funktionseigenschaften näherungsweise erfüllt werden. Oft kann vorgegebenen Anforderungen auch durch eine Modifikation bereits erprobter Formelemente entsprochen werden, die in Modellbibliotheken gespeichert sind. Eine umfassende Verhaltensanalyse zum Nachweis der Funktionseigenschaften und der mechanischen Zuverlässigkeit erfordert numerische Berechnungsprogramme, z. B. auf der Basis der Finiten Elemente Methode (s. Kapitel 8).