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Mikrosystemtechnik,

 

Gebiet der Technik, das sich mit Entwurf, Simulation, Entwicklung, Fertigung und Test miniaturisierter technischer Baugruppen beschäftigt. Die jeweilige Baugruppe besteht v. a. aus mikroelektronischen (Mikroelektronik), mikrooptischen, mikromechanischen oder mikrofluidischen (Mikrotechnik) Einzelkomponenten (auch miteinander kombiniert). Aufgabe der Mikrosystemtechnik ist es, die Wechselwirkung dieser Komponenten aufeinander abzustimmen und sie zu einem funktionsfähigen Gesamtsystem zu integrieren. Eine zentrale Rolle spielen deshalb rechnergestützte Entwurfsmethoden (CAD), Schichttechniken (Dickschichttechnik, Dünnschichttechnik), Verbindungstechniken, Strukturierungstechniken sowie Methoden der Signalverarbeitung (z. B. digitale Signalverarbeitung). Ein komplettes Mikrosystem (im weiteren Sinn) besteht aus einer Sensoreinheit, die eine bestimmte physikalische oder chemische Größe aufnimmt (gegebenenfalls über integrierte Kanäle und Ventile zugeführt), einer Elektronik, die die Sensorsignale verarbeitet, einem Stellglied (Aktor), das zu einer Reaktion befähigt ist, aus Leitungen, die die genannten Einheiten miteinander verbinden (mit in der Regel elektrische oder optische Signalübertragung), sowie aus einer Schnittstelle zur Außenwelt.

 

Die Vorteile der Mikrosystemtechnik bestehen v. a. in der Miniaturisierung unterschiedlicher Funktionseinheiten und deren Integration zu einem kompletten technischen System. Die Anordnung der elektronischen Signalverarbeitung am Ort der Messwertaufnahme ermöglicht eine dezentrale, störungssichere Signalverarbeitung beziehungsweise -vorverarbeitung (Interpretation, Vorverstärkung, Digitalisierung, Selbstabgleich), oft auch eine Anwendung neuer Konzepte der Informationsverarbeitung (z. B. neuronale Netze). Gegebenenfalls kann ein Funktionalitätswechsel durch Änderung der extern benutzten Software durchgeführt werden, und unterschiedliche Sensor- oder Aktoreinheiten im gleichen Mikrosystem gewähren einen hohen Grad an Multifunktionalität. Die Reduktion von Leitungsbahnen, Messvolumina und Toträumen, eine Minimierung der Zahl von Verbindungsstellen und -gliedern sowie die Redundanz gewisser Bauteile erhöhen die Zuverlässigkeit und die Reaktionsgeschwindigkeit des Systems.

 

Durch die Miniaturisierung werden bestimmte Effekte erst zugänglich gemacht (z. B. gibt es zu einem Einmoden-Lichtwellenleiter in der integrierten Optik keine Entsprechung in der »Makrowelt«) und neuartige Anwendungen ermöglicht. Die Materialersparnis bei Mikrosystemen, verbunden mit Volumen- und Masseeinsparungen sowie geringerer thermischer Trägheit und verringertem Energieverbrauch, erlaubt den Einsatz auch kostspieliger Werkstoffe und führt zur Realisierung mobiler Systeme. Daneben macht die Miniaturisierung Massenfertigungsverfahren nutzbar. Die kostengünstige Herstellung großer Stückzahlen wiederum erschließt neue Anwendungen, z. B. die flächendeckende Überwachung von Chemieanlagen, aber auch breite Anwendungsfelder im Bereich der Individualanwender (medizinische Überwachung, Umweltmesstechnik).

 

Anwendungen von Mikrosystemen finden sich in allen Bereichen der Technik. Temperatur-, Druck- und Kraftsensoren werden in der Verfahrenstechnik zur Anlagenüberwachung und im Automobilbau eingesetzt, Beschleunigungssensoren dienen z. B. als Auslöser für Airbags. Miniaturisierte Aktoren wie Miniaturmotoren werden bereits in der Medizintechnik verwendet (z. B. im Katheter). Implantierbare Mikropumpen geben wohl dosiert Medikamente an den Körper ab, und chemische Analysesysteme überprüfen kontinuierlich den Zustand des Patienten. Letztere werden auch verstärkt in der Umweltanalytik eingesetzt. Die optische Daten- und Telekommunikationstechnik nutzt verschiedenste Strukturen und Systeme für optoelektronische und faseroptische Baugruppen. Weitere Beispiele für Mikrosysteme sind Düsen für Tintenstrahldrucker, Mikroventile und -schalter, Strahlungssensoren und Wärmetauscher für Chips. Angesichts dieser breiten Einsatzmöglichkeiten gilt die Mikrosystemtechnik als eine der zukunftsträchtigsten Schlüsseltechnologien.

 

Literatur:

 

W. Menz u. J. Mohr: M. für Ingenieure (²1997);

 S. Sinzinger u. J. Jahns: Microoptics (Weinheim 1999).

 

Hier finden Sie in Überblicksartikeln weiterführende Informationen:

 

Miniaturisierung: Wozu?

 

Mikrosystemtechnik: Technische und medizinische Anwendungen

 

Miniaturisierung: Zukunft und Grenzen