Bachelor Informations- und Kommunikationstechnik

Studienschwerpunkt Mikrosystemtechnik

Ein Leitfaden für Studienanfänger

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Inhalt Grußwort

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Prof. Dr. Eberhard Menzel, Rektor der Fachhochschule Dortmund

Vorwort

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Prof. Dr.-Ing. Norbert Wißing, Dekan des Fachbereichs Informations- und Elektrotechnik

Herausforderung Mikrosystemtechnik

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Beispiele aus dem Alltag Gute Wachstumsprognosen Der Dortmunder MST-Cluster Karrierechancen in der Mikrosystemtechnik

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Mikrosystemtechnik an der Fachhochschule Dortmund Bachelorangebot Mikrosystemtechnik Weiterqualifikation zum Master Studienverlaufsplan

Lehrinhalte/Module Halbleiterphysik Mikrosystemtechnik/Technologie Mikroelektronik Werkstoffe der Mikrosystemtechnik Mikrosensorik/MEMS MEMS-Anwendungen Spezialgebiete/Wahlpflichtfächer der Mikrosystemtechnik Fachspezifisches Seminar Mikrosystemtechnik Fachpraxis Mikrosystemtechnik

Impressum

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Ansprechpartner

Prof. Dr. Gerhard Wiegleb Institut für Mikrosensorik Fachhochschule Dortmund Sonnenstraße 96 44139 Dortmund Tel. (0231) 9112 - 275 Fax (0231) 9112 - 715 [email protected] www.ifm.fh-dortmund.de 3

Grußwort

Liebe Leserinnen und Leser, mit dieser Broschüre informiert Sie die Fachhochschule Dortmund über das neue Bachelor-Studienangebot „Mikrosystemtechnik (MST)“ des Fachbereiches Informations- und Elektrotechnik. Dortmund hat sich in den letzten beiden Jahrzehnten, mit über 30 Firmen und über 1800 Beschäftigten, zu einem international anerkannten Schwerpunkt der Mikrosystemtechnik entwickelt.

Die projektbezogene Arbeit in kleinen Teams und in Kooperation mit MST-Firmen wird ergänzt durch spezielle Trainingseinheiten, die Ihnen die für die Berufswelt erforderlichen „soft skills“ vermitteln.

Die im MST-Cluster noch fehlende Komponente der Bachelor- und Masterausbildung wird nun von der Fachhochschule Dortmund in enger Zusammenarbeit mit Dortmunder MST-Firmen und der MST.factory dortmund zur Verfügung gestellt. Das Bachelorangebot wird im Wintersemester 2006/2007 starten, das Masterangebot läuft bereits seit dem Wintersemester 2005/2006.

Sie werden als Absolventinnen und Absolventen der Studiengänge bestens gerüstet sein und attraktive Beschäftigungsmöglichkeiten in Dortmund oder weltweit finden, denn der Bereich der MST befindet sich in stetigem Wachstum und es werden auch in Zukunft immer qualifizierte Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter gesucht. Als Alternative nach dem Studium bietet sich auch die Gründung einer Startup-Firma an, unterstützt durch die Gründerlotsin der Fachhochschule Dortmund und das Dortmunder Gründernetzwerk.

In diesen anwendungsnahen Studiengängen wird Ihnen durch unsere ProfessorInnen und MitarbeiterInnen das notwendige Fachwissen vermittelt. Sie trainieren Ihre praktischen Fähigkeiten in einem der modernsten Reinräume in der MST.factory dortmund und arbeiten mit an zukunftsweisenden Entwicklungen in der Mikrosensorik, Mikroaktorik und Mikroelektronik. Im Institut für Mikrosensorik (IfM) der Fachhochschule Dortmund werden z.B. Sensoren für die Automobilindustrie und die Gebäudesystemtechnik entwickelt. Die Gassensorik bildet in der Forschung einen auf internationalem Niveau befindlichen Forschungsschwerpunkt, in dem Studenten im Rahmen der Ausbildung ebenfalls mitarbeiten können.

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Die Fachhochschule Dortmund würde sich glücklich schätzen, Sie bald als Studierende begrüßen zu können.

Prof. Dr. Eberhard Menzel Rektor der Fachhochschule Dortmund

Vorwort

Ab hier gliedert sich das Studium in Pflicht- und Wahlpflichtbereiche des jeweiligen Studienschwerpunktes, die den Studierenden eine persönliche Profilbildung ermöglichen.

Liebe Leserinnen und Leser, mit dieser Broschüre möchte Sie der Fachbereich Informations- und Elektrotechnik über den Studienschwerpunkt „Mikrosystemtechnik“ des BachelorStudiengangs „Informations- und Kommunikationstechnik“ informieren. Der siebensemestrige Studiengang „Informationsund Kommunikationstechnik“ baut auf den bisher vom Fachbereich mit großem Erfolg und mit hoher Auslastung betriebenen Diplomstudiengängen „Informations- und Kommunikationstechnik“ und „Telekommunikationstechnik“ auf und schließt nach erfolgreichem Studium mit dem Bachelor of Engineering ab. Inhaltlich vermittelt das Studium in den ersten vier Semestern ein Grundwissen der Elektrotechnik sowie ein solides Fachbasiswissen der Informationstechnik und der Kommunikationstechnik. Vervollständigt wird die Ausbildung durch das Angebot von Querschnittsfächern wie Ingenieurmethodik, Zeit-/Projektmanagement und Englisch. Wesentlicher Bestandteil des Bachelor-Studiengangs „Informations- und Kommunikationstechnik“ ist eine frühzeitige Projektorientierung des Studiums, z. B. bereits im dritten Semester durch das Modul IT-Projekt, wodurch Schlüsselqualifikationen, insbesondere die Arbeit im Team, vermittelt werden. Eine weitere Vertiefung der Fachkompetenz beginnt mit dem fünften Semester durch Wahl eines der vier Studienschwerpunkte „Informations- und Medientechnik“, „Mobilkommunikationstechnik“, „Telekommunikationstechnik“ oder „Mikrosystemtechnik“.

Im siebten Semester ist das Praxis-Modul „Industrieprojekt“ integriert. Es führt die Studierenden an die berufliche Tätigkeit durch konkrete, praxisorientierte Aufgabenstellungen bzw. praktische Mitarbeit in Betrieben oder anderen Einrichtungen der Berufspraxis heran. Es soll insbesondere dazu dienen, die im bisherigen Studium erworbenen Kenntnisse und Fähigkeiten durch Bearbeitung einer konkreten Aufgabe anzuwenden und zu reflektieren. Aufbauend zum Bachelor-Studiengang „Informationsund Kommunikationstechnik“ bietet der Fachbereich den Masterstudiengang „Informationstechnik“ mit den drei Profil bildenden Studienschwerpunkten „Kommunikationstechnik“, „Signalverarbeitung“ und „Mikroelektronik/Mikrosystemtechnik“ an. Das zum Master-Abschluss führende Studium vermittelt auf der Grundlage wissenschaftlicher Erkenntnisse die theoretischen Inhalte der Informationstechnik und befähigt die Absolventinnen und Absolventen, insbesondere Probleme aus den Gebieten der drei Studienschwerpunkte selbstständig wissenschaftlich zu analysieren und mit den erlernten Methoden lösen zu können. Dabei werden auch interdisziplinäre Zusammenhänge erfasst und beachtet. Der Fachbereich Informations- und Elektrotechnik steht Ihnen gerne für weitere Informationen zur Verfügung und würde sich freuen, wenn Sie Ihr Studium der „Informations- und Kommunikationstechnik“ mit dem Studienschwerpunkt „Mikrosystemtechnik“ bei uns in Dortmund beginnen würden.

Prof. Dr.-Ing. Norbert Wißing Dekan des Fachbereiches Informations- und Elektrotechnik

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Einleitung Herausforderung Mikrosystemtechnik Mikrosysteme sind bereits heute fester Bestandteil unserer Alltagswelt geworden. Unter anderem begegnet man ihnen in Kraftfahrzeugen, in der Kommunikationstechnik, in der Fertigungs- und Automatisierungstechnik, in der Chemie, Pharmazie, zunehmend auch in der Gebäudetechnik, in Haushaltsgeräten und in der Medizintechnik. Überall dort, wo Miniaturisierung eine zentrale Rolle spielt, ergeben sich neue und zunehmend komplexere Einsatzmöglichkeiten von mikrotechnischen Bauteilen und Systemen. In vielen Fällen sind Produktinnovationen ohne die Einbindung von Mikrosystemen gar nicht mehr denkbar. Die Mikrosystemtechnik verfügt somit über ein gewaltiges Wachstumsund Wertschöpfungspotenzial und kann entscheidend zur Wettbewerbsfähigkeit neuer und bestehender Unternehmen beitragen. Die Mikrosystemtechnik (MST) befasst sich mit Technologien und Anwendungen im Mikrometerbereich (1 µm = 1 Millionstel Meter). Sie verbindet Mikrostrukturierung mit systemtechnischen Aufgabenstellungen. In einem Mikrosystem ergänzen sich unterschiedliche mikrotechnische Komponenten (z. B. mikromechanische, mikroelektronische, mikrofluidische oder mikrooptische Elemente) zu einem integralen Gesamtkonzept, das sensorische, aktorische oder sonstige intelligente Funktionen ausführen kann. Die Vorteile von Mikrosystemen sind neben der geringen Größe und dem kleinen Gewicht die hohe Funktionsdichte, der reduzierte Energiebedarf sowie die Einsparung von Material und Fertigungskosten.

Luftmassenströmungssensor für Dieselmotoren, HL-Planartechnik GmbH, Dortmund

In der Medizintechnik ermöglichen stark miniaturisierte Instrumente und Diagnosegeräte die Durchführung minimal-invasiver Eingriffe am menschlichen Körper. Hör- und Sehimplantate sorgen für Durchbrüche bei Krankheitsbildern, für die es keine konventionellen Behandlungsmöglichkeiten gibt.

Beispiele aus dem Alltag In Automobilen bestimmen Mikrosysteme heute schon weitgehend den Alltag. Zahlreiche (Mikro-) Sensoren erfüllen hier die Forderungen der Käufer nach mehr Betriebssicherheit und komfortablem Fahrzeugverhalten. Die Fahrdynamikregelung (ESP) funktioniert mit Drehraten- und Beschleunigungssensoren. Ein Auto ohne Airbag kann sich heute niemand mehr vorstellen. Aber auch Regensensoren, Reifendrucksensoren, Helligkeitssensoren für das automatische Ein- und Ausschalten der Fahrzeugbeleuchtung oder Neigungssensoren für die Diebstahlwarnanlage gehören bald zur Standardausstattung. In der Chemie und Pharmazie werden für Wirkstoffscreenings Mikrofluidiksysteme entwickelt, mit denen sich Flüssigkeiten im Nanoliterbereich (1 Nanoliter = 1 Millionstel Milliliter) dosieren lassen. Ganze Laboratorien werden auf Chipkartenformat dimensioniert.

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Treibgasfreier Zerstäuber Respimat® zur effizienteren Therapie von Atemwegserkrankungen, Boehringer Ingelheim microParts GmbH, Dortmund

Mit Hilfe der Funkortung lassen sich Warenströme in inner- und außerbetrieblichen Logistikprozessen signifikant optimieren. Über so genannte RFID-Chips (Radio Frequency IDentification) können Gegenstände weltweit eindeutig identifiziert und lückenlos verfolgt werden.

Einleitung Gute Wachstumsprognosen Die Mikrosystemtechnik ist bis heute eines der am schnellsten wachsenden Teilgebiete der Technik. Aufgrund des technischen Fortschritts und des kontinuierlichen Miniaturisierungsdrucks in Führungsbranchen wie der Informations- und Kommunikationstechnik, der Datentechnik und der Medizintechnik erweitert sich der Spielraum für Produktanwendungen der Mikrosystemtechnik ständig.

Unter den neuen Applikationen wird den MOEMS (Mikrooptik-Komponenten) und RF-MEMS (drahtlose Funktechnik), Wafer-Testsystemen, Mikrofluidiksystemen zur chemischen Analyse, Mikropumpen und Mikrospektrometern, ferner den Mikrodisplays und Projektionssystemen sowie biometrischen Sensoren großes Wachstumspotenzial beigemessen. Die Telekommunikationsbranche mit ihrem gigantischen Stückzahlenbedarf stellt den größten Innovationsmotor der Mikrosystemtechnik dar. Dort ist der Bedarf an mikrooptischen Komponenten und drahtloser Funktechnik besonders groß.

Der Dortmunder MST-Cluster Dortmund hat sich seit Ende der 80er Jahre zu einem der stärksten deutschen Cluster auf dem Gebiet der Mikrosystemtechnik mit internationaler Ausstrahlung entwickelt.

Piezoelektrischer Motor, Elliptec Resonant Actuator AG, Dortmund

Alle großen Marktforschungsinstitute prognostizieren deshalb für die Mikrosystemtechnik weltweit einen Multi-Milliarden-Dollar-Markt mit überdurchschnittlich hohen Wachstumsraten. Die aktuelle Marktuntersuchung von NEXUS (Network of Excellence in Multifunctional Microsystems) beziffert den Markt für Mikrosysteme in 2009 weltweit auf 25 Mrd. USD, was in etwa einer Verdoppelung der Marktgröße aus dem Jahr 2004 (12 Mrd. USD) entspricht.

Zeitliche Entwicklung der Anzahl der Mikrotechnik-Unternehmen am Standort Dortmund (Quelle: MST.factory dortmund GmbH)

Zum Jahresende 2005 umfasste der Cluster mehr als 30 Mikrotechnik-Unternehmen, die über 1.800 Mitarbeiter beschäftigten.

30

Mrd. USD

25 20 15 10 5 0 2004

2005

2006

2007

2008

2009

Jahr

Entwicklung des weltweiten Gesamtmarkts für MST/MEMSProdukte (Quelle: NEXUS 2005)

Nach wie vor gehören Lese-Schreib-Köpfe für Festplattenspeicher, Tintenstrahlschreiber, Laserköpfe für CD-Player, Hörgeräte und Herzschrittmacher zu den größten Umsatzträgern der Mikrosystemtechnik.

Entwicklung der Beschäftigtenzahl in den Dortmunder MST-Firmen in den letzten 10 Jahren (Quelle: MST.factory dortmund GmbH)

Einige dieser Unternehmen, allen voran die ELMOS Semiconductor AG, die Boehringer Ingelheim microParts GmbH, die HL-Planartechnik GmbH und die LIMO Lissotschenko Mikrooptik GmbH, gehören zu den Weltmarktführern in ihren Produktbereichen. Die in Dortmund gefertigten Mikrokomponenten und –systeme zielen in erster Linie auf den Automobilbereich sowie den Medizintechnik- und IuK-Sektor.

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Einleitung Karrierechancen in der Mikrosystemtechnik Für eine breite Umsetzung der Mikrosystemtechnik sind hoch qualifizierte Fachkräfte erforderlich. Bedarf an Absolventen eines Studiums der Mikrosystemtechnik besteht daher in allen Industriezweigen, bei denen Produkte mit mikrotechnischen Komponenten oder Systemen zum Einsatz kommen. Beispielsweise bietet der Standort Dortmund mit seiner Vielzahl und Vielfalt von MST-Unternehmen ausgezeichnete Perspektiven für den beruflichen Einstieg von MST-Ingenieuren.

Schwerpunktbranchen des Dortmunder MST-Clusters (Quelle: dortmund-project)

Einen besonderen Schwerpunkt unter den Kompetenzfeldern des Dortmunder MST-Clusters bildet die Sensortechnik, gefolgt von der Mikromechanik, Mikroelektronik, Mikrooptik und Messtechnik.

Die Tätigkeitsfelder von MST-Ingenieuren sind sehr vielseitig und oft stark interdisziplinär geprägt. MST-Ingenieure kommen entlang der gesamten Wertschöpfungskette eines Produktes zum Einsatz, d.h. von der Konzeption bis zur industriellen Umsetzung und Vermarktung. Sie werden sowohl in der Forschung und Entwicklung, als auch in der industriellen Fertigung und im Vertrieb von mikrotechnischen Produkten benötigt. Beispielsweise kommen sie als Entwicklungsoder Projektingenieure bei der Konzipierung sowie der Neu- und Weiterentwicklung von miniaturisierten Bauelementen und Geräten zum Einsatz. Auch wirken sie bei der Erarbeitung von Simulations- und Berechnungsprogrammen mit oder wenden diese im Rahmen der Produktentwicklung an. In der Fertigung sind sie für den laufenden Betrieb von Maschinen sowie ganzer Prozessketten, teilweise unter Reinraumbedingungen, verantwortlich.

Prioritäre Technologiefelder des Dortmunder MST-Clusters (Quelle: dortmund-project)

Neben den Wirtschaftsunternehmen verfügt der Cluster über eine gut ausgebildete akademische Infrastruktur sowie über zahlreiche Kompetenzzentren, deren Aufgabenschwerpunkte und Dienstleistungsangebote auf die spezifischen Bedarfe der Mikrotechnikunternehmen ausgerichtet sind. Hierzu gehören an erster Stelle die MST.factory dortmund auf der ehemaligen Stahlfläche PHOENIX West sowie das BioMedizinZentrum (BMZ), das Mikrostrukturzentrum und das Zentrum für Aufbauund Verbindungstechnik (AVT) im Technologiezentrum Dortmund. Darüber hinaus ist Dortmund Firmensitz des IVAM e.V., des international aktiven Fachverbandes für Mikrotechnik.

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Als Dokumentationsingenieure erledigen sie viele Aufgabenstellungen der technischen Redaktion, wie z.B. das Erstellen von Produktbeschreibungen oder Wartungsanleitungen, aber auch von komplexen Benutzer- oder Zertifizierungshandbüchern. Als Service-Ingenieure sind sie für die Instandhaltung und Wartung von Produkten und Anlagen beim Kunden zuständig. Im Vertrieb kümmern sich MST-Ingenieure um die serienmäßige Vermarktung von HochtechnologieProdukten bzw. -dienstleistungen, um die Projektierung von Kundengeschäften sowie den After Sales Service.

Einleitung Mikrosystemtechnik an der Fachhochschule Dortmund Die Fachhochschule Dortmund hat in den letzten Jahren den Bereich der Mikrosystemtechnik kontinuierlich ausgebaut. So entstand beispielsweise im Jahr 2003 das Institut für Mikrosensorik mit einem eigenen Gebäude auf dem Campus der Fachhochschule. Mit der Zusammenlegung der beiden Fachbereiche Elektrische Energietechnik und Nachrichtentechnik zu dem neuen Fachbereich „Informations- und Elektrotechnik“ wurden wesentliche Voraussetzungen für ein fachübergreifendes Forschungs- und Lehrangebot in der Mikroelektronik und Mikrosystemtechnik geschaffen. Im Rahmen der europaweiten Umstrukturierung und Angleichung des Hochschulstudiums wurde die zweistufige Bachelor- und Masterausbildung mit dem Schwerpunkt „Mikrosystemtechnik“ eingeführt, die das bisherige Diplomstudium ersetzt und international vergleichbare Abschlüsse ermöglicht. Mittelfristig plant die Fachhochschule, den Schwerpunkt ihrer MST-Aktivitäten zum Standort PHOENIX West in unmittelbare Nachbarschaft zur MST.factory dortmund, dem regionalen Kompetenzzentrum für Mikro- und Nanotechnologie, zu verlagern. Dort wird zurzeit ein Praktikumsreinraum aufgebaut, der speziell für die Ausbildung zum Bachelor/Master Mikrosystemtechnik ausgelegt sein wird und Fortgeschrittenenpraktika in einer praxisnahen Arbeitsumgebung gestattet.

Bachelorangebot Mikrosystemtechnik Beginnend mit dem WS 2006/07 startet an der Fachhochschule Dortmund das neue BachelorStudium mit dem Schwerpunkt Mikrosystemtechnik. Das Bachelor-Studium ist anwendungsorientiert und auf sieben Semester einschließlich einem Industrieprojekt angelegt. Es baut auf das Grundstudium der Informations- und Kommunikationstechnik (IuK) auf, in dem die notwendigen mathematisch-physikalischen und ingenieurwissenschaftlichen Grundlagen sowie Spezialkenntnisse auf dem Gebiet der Halbleiterphysik vermittelt werden. Der weitere Studienverlauf gliedert sich in einzelne Lehr- und Praxismodule zur Vertiefung und Spezialisierung der fachlichen Kenntnisse. Im 4. Semester wird das berufsqualifizierende Grundwissen durch die Basismodule „Mikrosystemtechnik“, „Informations- und Medientechnik“, „Mobilkommunikationstechnik“ und „Telekommunikationstechnik“ bereitgestellt.

Im 5. Semester findet eine Vertiefung dieses Wissens in den Pflichtmodulen „Mikrosysteme“ und „Mikroelektronik“ statt. Begleitet wird diese Vertiefungsphase durch ein Fachpraktikum, das den praktischen Umgang mit mikrotechnischen Verfahren und der dazu gehörigen Mess- und Prüftechnik, insbesondere auch der Mikrosensorik sicherstellt. Eine weiterführende Spezialisierung erfolgt im 6. Semester durch Wahlpflichtmodule, die je nach Neigung aus einem vorgegebenen Katalog ausgewählt werden können. Der Katalog enthält Lehrveranstaltungen, die eine weitere Vertiefung in Richtung Mikroelektronik, Sensorik oder Technologie erlauben. Jedem Modul ist eine bestimmte Zahl von Kreditpunkten nach dem European Credit Transfer System (ECTS) zugeordnet. Ein Kreditpunkt entspricht dabei einer Studienleistung, die in 30 Arbeitsstunden erbracht werden kann. Pro Semester sind bis zu 30 Kreditpunkte zu erlangen.

Weiterqualifizierung zum Master Mit dem Bachelor wird ein Studienabschluss angeboten, der bereits nach dreieinhalb Jahren zu einem berufsqualifizierenden Abschluss führt. Alternativ zu einem frühen Berufseinstieg kann an den Bachelor ein Masterstudium zur weiteren fachlichen Spezialisierung oder fachübergreifenden Kompetenzbildung angehängt werden. Das Masterstudium kann entweder unmittelbar an das Bachelorstudium anschließen oder erst zu einem späteren Zeitpunkt erfolgen. Die Fachhochschule Dortmund bietet den MasterStudiengang Informationstechnik mit dem Schwerpunkt Mikroelektronik/Mikrosystemtechnik an. Das Studium geht über vier Semester. Neben dem Pflichtstudium im 1. Semester enthält es das Wahlpflichtstudium im 2. und 3. Semester und die Master-Thesis im 4. Semester. Das Wahlpflichtstudium umfasst zwei Projektarbeiten, die im Rahmen von Forschungs- und Entwicklungsprojekten, ggf. auch in Zusammenarbeit mit der Industrie, durchgeführt werden. Die Stufung des Studiums in Bachelor und Master, die modulare Struktur des Studiums und die einheitlich praktizierte Quantifizierung der erbrachten Studienleistung führen zu mehr Kompatibilität auf internationaler Ebene und bilden damit die Grundlage für mehr Mobilität im Studium europaweit.

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Studienverlaufsplan

SWS: Semesterwochenstunden (Präsenzstudium) MEMS: Micro-Electro-Mechanical Systems

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Studienverlaufsplan Pflicht-, Wahlpflicht- und Praxismodule des fortgeschrittenen BachelorStudiums „Mikrosystemtechnik“ (ab dem 4. Semester): Typ 1 Modul P

SWS 2

4. Sem.

5. Sem.

6. Sem.

7. Sem.

ECTS 3 Credits

Mikrosystemtechnik - Mikro- und Sensorsysteme - Mikroprozessortechnik

3 3

3 3

4 4

Informations- und Medientechnik - Audio- und Videosysteme - Software-Engineering

3 3

3 3

3 4

Mobilkommunikationstechnik - Zellulare und Wireless-Systeme - Digitale Signalverarbeitung

3 3

3 3

3 4

Telekommunikationstechnik - Systeme und Standards - Schaltungen

3 3

3 3

4 4

Mikrosysteme I - MEMS I - Mikrosensorik I

3 3

3 3

4 4

P

MEMS-Anwendungen 4

3

3

3

P

Mikroelektronik

6

6

6

P

Technologie / Werkstoffe

6

6

6

P

Mikrosysteme II - MEMS II - Mikrosensorik II

3 3

3 3

4 4

P

Fachspezifisches Seminar der MST

6

6

6

W

Spezialgebiete der Mikrosystemtechnik

6

6

8

PR

Fachpraktikum

8

4

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PR

Planung und Projektierung

3

3

3

PR

Industrieprojekt

12

12

15

PR

Bachelor-Thesis

13

13

15

25 *

120 **

P

P

P

P

Summe SWS */ ECTS **

99 *

4

24 *

25*

25 *

1

P: Pflichtmodul, W: Wahlpflichtmodul, PR: Praxismodul SWS: Semesterwochenstunden 3 ECTS: European Credit Transfer System 4 MEMS: Micro-Electro-Mechanical Systems 2

Im Folgenden sind die MST-spezifischen Lehr- und Praxismodule ausführlicher beschrieben.

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Lehrinhalte/Module Halbleiterphysik Prof. Dr. Klaus Eden Nahezu jedes Gerät oder System nutzt heute mehr oder weniger komplexe elektronische Komponenten zur Steuerung, Bedienung oder zur Systemsicherheit. Mit der Erfindung des Transistors im Jahre 1947 und der Realisierung der ersten integrierten Halbleiterschaltungen im Jahr 1958 hat sich die Elektronik nahezu vollständig zu einer Halbleiter-Elektronik gewandelt. Erst das Verständnis der grundlegenden physikalischen und elektronischen Eigenschaften der Halbleitermaterialien, insbesondere von Silizium, ermöglichte die Erschließung vieler neuer Anwendungsfelder.

Wesentlicher Bestandteil sind die Grundlagen des Bändermodells und die physikalischen und elektrischen Vorgänge in einem pn-Übergang. Das Verständnis der prinzipiellen Eigenschaften darauf basierender Bauelemente, wie Bipolartransistoren, MOS-Kapazitäten und MOS-Transistoren ermöglicht im Weiteren die Entwicklung komplexer Schaltungssysteme.

Das Entwicklungspotential lässt sich sehr gut am Beispiel der integrierten Drucksensoren verdeutlichen: Drucksensoren gibt es schon seit langer Zeit. Doch erst die Kombination von Sensoren und Halbleiterbauelementen machte den Einsatz dieser Sensoren z.B. als Reifendrucksensoren in Fahrzeugen möglich. Hier befindet sich ein Sensor inklusive der Auswerteelektronik im Fahrzeugreifen. Das von der Elektronik linearisierte und temperaturkompensierte Signal wird über ein Funkmodul an den Bordcomputer gemeldet. REM-Aufnahme einiger Speicherzellen des Infineon 64 MBChip (aus: Rainer Waser, Nanoelectronics and Information Technology, Wiley-VCH, 2003)

MOSFET Bauelement mit Source, Drain, Gate- Anschlüssen (aus: Rainer Waser, Nanoelectronics and Information Technology, Wiley-VCH, 2003)

Im Modul Halbleiterphysik wird das Verständnis für die grundlegenden Eigenschaften von Halbleitermaterialien und deren Beschreibung geschaffen. Dabei werden die Auswirkungen und Gesetzmäßigkeiten auf die Funktionsweise der Halbleiterbauelemente übertragen.

REM piezoresistiver Drucksensor (ELMOS Semiconductor AG)

Forschungsprojekte an der FH Dortmund • Charakterisierung und Qualifikation von Drucksensoren für Automotive Anwendungen z.B. für Klimasteuerung, Reifendruck, Airbag-Anwendungen • Beschleunigungs- und Drehratensensoren

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Lehrinhalte/Module Mikrosystemtechnik/Technologie Dr. Jan Albers Integrierte elektronische Schaltungen und Sensoren sind heute ein nicht mehr weg zu denkender Bestandteil der meisten Elektronikanwendungen. Insbesondere die Informationstechnik wäre ohne hoch integrierte ICs nicht möglich. Die Industrie entwickelt jedoch schon viel weiter gehende Systemlösungen, die neben der Elektronik auch Sensoren und Aktoren in immer kleiner werdenden Mikrosystemen integrieren.

Anschließend werden der grundlegende Aufbau sowie die Funktionsweise der wichtigsten Komponenten einer integrierten Schaltung (Widerstände, Kondensatoren, Dioden, Bipolar- und MOS-Transistoren, Speicherbauteile) behandelt. Im zweiten Teil der Lehrveranstaltung werden die Verfahren zum Herstellen der Mikrostrukturen in der Siliziumtechnologie erläutert. Neben den klassischen Verfahren zur Herstellung von integrierten Schaltungen (Dünnschichttechnik, Lithographie, Ätztechnik und Dotierung) werden Verfahren zur Erzeugung dreidimensionaler Strukturen in Silizium vorgestellt. Des Weiteren werden die Verfahren der Aufbau- und Verbindungstechnik (Die-Bonden, Draht-Bonden und Moulding) zum Einhausen der ICs besprochen.

Blick in die Halbleiterfertigung

Der Modul Mikrosystemtechnik / Technologie vermittelt einen Überblick über den Aufbau und die Anwendung von Mikrosystemen sowie über die Fertigung in der Siliziumtechnologie. Anhand einzelner Anwendungsbeispiele lernt der Student die Begriffe und die Definitionen sowie die Komponenten eines Mikrosystems (Sensoren, Aktoren, Elektronik und Schnittstellen) kennen. Er soll dabei eine Vorstellung von der Kleinheit der einzelnen Mikrokomponenten entwickeln und in diesem Zusammenhang die Bedeutung der Reinraumtechnologie verstehen lernen. Hierzu wird der Student über die Herkunftsquellen sowie die Eigenschaften von partikulären und molekularen Verunreinigungen unterrichtet. Maßnahmen gegen diese Verunreinigungen werden in einem Reinraum erläutert.

Reinigungsanlage für Siliziumwafer

Forschungsprojekte an der FH Dortmund • Entwicklung einer Mikropumpe nach den BubbleJet-Prinzip zur Anwendung in einer EC-Karte • Weiterentwicklung zu einer geregelten Mikropumpe durch den Einsatz integrierter Drucksensoren • Untersuchungen zur Bondalterung durch hohe Strombelastungen

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Lehrinhalte/Module Mikroelektronik Prof. Dr. Thomas Giebel / Prof. Dr. Werner Schardein Die Lehrveranstaltungen des Labors für Mikroelektronik behandeln im Schwerpunkt die Halbleiter-Elektronik, d.h. die physikalischen und technischen Grundlagen der Halbleiter sowie bipolare und MOS-Transistoren, die Entwicklung von Schaltungen mit Transistoren, Simulationsprogramme, Anwendungen von Operationsverstärkern sowie die Messtechnik. Weitere Themenfelder sind CAS (CAD in der Schaltungsentwicklung), MIS (Monolithisch Integrierte Schaltungen) und SIM (Schaltungsentwicklung in der Mikroelektronik), die sich mit VHDL-getriebenem Systementwurf, der technologischen Seite der Mikroelektronik sowie der CMOS-Schaltungsentwicklung befassen. Vorlesung, Übung und Praktikum bilden dabei immer eine pädagogische Einheit und dienen der Vermittlung und Vertiefung von Wissen und Kompetenzen unter verschiedenen Blickwinkeln. Projekt- und Studienarbeiten verbinden stets Lehre und Forschung miteinander. Während Projektarbeiten im Labor für Mikroelektronik unter intensiver Betreuung durchgeführt werden, können Bachelor- und Masterarbeiten auch extern bei Firmen der näheren Umgebung angefertigt werden. Die Projekt- und Studienarbeiten befassen sich insbesondere mit Themenstellungen auf den Gebieten: • Entwurfsautomatisierung, • Mikrocontroller-Entwicklung, • Verschlüsselungsverfahren.

Entwurfsautomatisierung Mit Hilfe einer eigens entwickelten Bibliothek kann das physikalische Layout für integrierte CMOSSchaltungen symbolisch und Technologie-invariant auf der Algorithmus-Ebene beschrieben werden. Die Beschreibung kann mit einem C-Compiler übersetzt werden. Bei der Ausführung des Codes wird die Schaltungsdatenbasis für einen beliebig vorgebbaren CMOS-Prozess automatisch erzeugt und auf ein kommerzielles Entwurfssystem übertragen. Dort finden dann die Standard-Prüf- und Verifikationszyklen statt. Ziel ist der fertigungsreife IC-Entwurf.

Entwicklung eines universellen Registermoduls nach dem beschriebenen Verfahren im Rahmen einer Studienarbeit

Hierzu werden im Labor Mikroelektronik Komponenten solcher Mikrokontroller auf der Basis von modernen Hardware-Beschreibungssprachen entwickelt und mit Hilfe von komplexen programmierbaren logischen Schaltungen (FPGA) realisiert und getestet. Es besteht auch die Möglichkeit, die so entwickelten Schaltungen in den Entwurf für eine integrierte Schaltung umzusetzen.

Verschlüsselungsverfahren Vor allem durch die große Verbreitung des Internets und zunehmende Zahl drahtloser Anbindungen wird die Frage der Verschlüsselung zur Datensicherheit immer wichtiger. Neben allgemeinen Analysen zur Verschlüsselung von Daten werden im Labor für Mikroelektronik auch spezielle Verfahren untersucht mit dem Ziel, diese in Form einer dedizierten Hardware für Echtzeit-Anwendungen bereitzustellen.

Mikrocontroller-Entwicklung Mikrocontroller haben den Alltag jedes einzelnen weit stärker durchdrungen, als gemeinhin bekannt ist: Es wird geschätzt, dass auf jeden „sichtbaren“ PC etwa 10 mehr oder weniger unsichtbare Mikrocontroller kommen. Man findet sie in der Unterhaltungselektronik, im Auto, in allen Bereichen der industriellen Produktion, in Kommunikationssystemen, in Waschmaschinen usw. Die Entwicklung geht dabei immer stärker vom universellen hin zum ganz speziell auf das Problem angepassten Mikrocontroller.

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Screenshot der Programmierumgebung von Altera

Lehrinhalte/Module So werden zum Verfahren AES (Advanced Encryption Standard) VHDL-Modelle entwickelt, die sich mit Hilfe von Synthese-Werkzeugen auf ein FPGA abbilden oder direkt monolithisch integrieren lassen.

Justierung einer Maske vor der Belichtung im Reinraum während eines Praktikums

Das Labor für Mikroelektronik umfasst zwei Praktikumsräume zu den Lehrveranstaltungen der Mikroelektronik und Grundlagen der Halbleiter- und Schaltungstechnik. Für die Bachelor- und MasterStudiengänge stehen zwei Projektlabors zur Verfügung. Die Räume sind mit untereinander vernetzten Rechnern ausgestattet, die zum Entwurf, zur Simulation, zur Verifikation, zur Programmierung und Messung von Schaltungen dienen. Als Rechnerplattformen sind sowohl Workstations von SUN als auch Standard-PCs, die mit den Betriebssystemen Solaris, Linux und MS-Windows laufen, verfügbar. Weiterhin stehen diverse Mess- und Prüfgeräte, optische und Laser-Mikroskope sowie einige spezielle Geräte für automatisierte Testprozesse zur Verfügung. Ferner verfügt das Labor über Softwarelizenzen von Cadence und Synopsys für den vollständigen Entwurfsablauf für die IC- und PCB-Entwicklung sowie über Testboards von ALTERA für die Prototypenherstellung.

Werkstoffe der Mikrosystemtechnik Prof. Dr. Ulrich Hahn Die Eigenschaften von Mikrosystemen werden wesentlich durch die verwendeten Werkstoffe bestimmt. Deren Eigenschaften sind im atomaren bzw. molekularen Aufbau begründet sowie in der meist kristallinen Struktur der aus den Atomen aufgebauten Festkörper. Nach einer kurzen Einführung in atomphysikalische, chemische und elektrochemische Zusammenhänge werden die Eigenschaften von Leitern, Isolatoren sowie magnetischen Werkstoffen vorgestellt. Dabei wird auch auf die Herstellung eingegangen. Halbleiterwerkstoffe werden ausführlich im Fach „Halbleiterphysik“ besprochen. Lichtmikroskopische Aufnahme eines Integrierten Schaltkreises (Teilansicht)

Die Werkstoffe werden für die unterschiedlichsten Funktionen in Mikrosystemen verwendet. Basis eines jeden Systems ist das Substrat, auf denen die übrigen Komponenten wie zum Beispiel Leitungen, elektrische Bauelemente, Sensoren oder Aktoren aufgebaut werden. Dabei werden auch die relevanten physikalischen Phänomene, auf denen die Wandlung beruht, erläutert.

3D-Aufnahme der Oberfläche einer 1 Euro-Münze (Teilausschnitt)

Mikrosysteme werden schließlich über weitere Leitungen elektrisch mit der Außenwelt verbunden, deren Werkstoffe wiederum anderen Anforderungen genügen müssen. Ein geeignetes Gehäuse schützt das System vor schädigenden Umwelteinflüssen.

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Lehrinhalte/Module Mikrosensorik/MEMS Prof. Dr. Gerhard Wiegleb Mikrosensoren werden in vielen Anwendungen der Industrie und des täglichen Lebens eingesetzt. Am Beispiel eines elektronischen Ohrthermometers kann man sehr gut diese Einsatzbereiche erkennen. Herzstück eines solchen Thermometers ist ein InfrarotDetektor. Dieser miniaturisierte Strahlungsdetektor

Strahlungsdetektor für Bewegungsmelder

Strahlungsdetektor für Ohrthermometer

besteht aus 100 einzelnen Thermoelementen auf einem Mikrochip, der die Wärmestrahlung im Ohr erfasst und in ein Spannungssignal umwandelt. Die Spannung steigt mit der Ohrtemperatur an und wird in einer ebenfalls integrierten Auswerteelektronik in ein Temperatursignal umgewandelt und über ein Display zur Anzeige gebracht. Neben der Medizintechnik ist vor allem die Fahrzeugtechnik (z.B. Airbagsensor), die Gebäudesystemtechnik (z.B. Bewegungsmelder) und die Kommunikationstechnik (z.B. Handy mit Kamera) ein wichtiger Anwendungsbereich für mikrosensorische Komponenten.

Wesentlicher Bestandteil sind die unterschiedlichen Messprinzipien zur Erfassung physikalischer und chemischer Größen. Es werden die Sensoreigenschaften beschrieben, die zur Beurteilung der Sensorik für verschiedene Einsatzgebiete erforderlich sind. Die Einsatzgebiete und die Anwendungsmöglichkeiten werden ebenfalls behandelt. In diesem Zusammenhang werden auch die Integrationsverfahren (hybrid/monolithisch) besprochen, die insbesondere in Sensorsystemen durch Zusammenschaltung mehrerer Sensoren mit einer Auswerteelektronik wichtig sind.

Gassensorstruktur in Falschfarbendarstellung

Forschungsprojekte an der FH Dortmund

Gassensor für Wasserstoff und Edelgase

Im Hauptfach Mikrosensork werden Kenntnisse zur Sensortechnik und die entsprechenden Miniaturisierungsmöglichkeiten vermittelt.

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• Entwicklung miniaturisierter Gassensoren für Anwendungen in der Gebäudetechnik (Erdgasmessung für den Explosionsschutz und Kohlendioxidmessung für die bedarfsgerechte Lüftung in Räumen). • Untersuchungen an miniaturisierten Drucksensoren mit integrierter Auswerteelektronik für Anwendungen in der Automobilindustrie (z.B. Reifendruckmessung).

Lehrinhalte/Module MEMS-Anwendungen Prof. Dr. Gerhard Wiegleb Mikrosysteme bestehen aus Sensoren, Aktoren und einer zentralen elektronischen Einheit - dem Controller oder auch Mikroprozessor. Sensoren erfassen die physikalischen Parameter wie Temperatur, Druck, Feuchtigkeit, Schadstoffe (Gase), Füllstände usw., während die Aktoren die ausführenden Organe darstellen. Aktoren führen Bewegungen aus, ähnlich wie das bei einem Menschen die Gliedmaßen (Füße und Beine) vollziehen. Die zentrale Steuereinheit - der Mikroprozessor - ist dann mit dem Gehirn vergleichbar. Werden diese drei Komponenten zu einer Funktionseinheit zusammengefasst, spricht man von einem System. Integriert man diese Einheit schließlich zu einem miniaturisierten System, spricht man von einem integrierten Mikrosystem.

Sensor

Sensor

Verteiltes Mikrosystem

Controller

Aktor

BUS-Verbindungen Sensor

Definition verteilter Mikrosysteme

Definition eines Mikrosystems

In vielen Anwendungsfällen findet allerdings keine räumlich nahe Integration der Einzelkomponenten statt. So müssen z.B. die Sensoren in der Lage sein, an verschiedenen Stellen die gewünschte Information abzufragen, was zu einer Verteilung der einzelnen Sensoren führt. Die Kommunikation mit dem Controller erfolgt über geeignete Bus-Systeme.

Auch die Aktoren sind zumeist an unterschiedlichen Stellen platziert. Weiterhin müssen Aktoren in der Lage sein, große Stellkräfte aufzubringen, die nur durch elektromotorische Antriebe realisiert werden können. Daher sind verteilte Mikrosysteme der Regelfall. In vielen Anwendungsfällen werden aber auch Teilintegrationen (Sensor + Elektronik oder Aktor + Elektronik) durchgeführt. Die Vorlesung führt in die Grundlagen, unterschiedlichen Konzepte und Anwendungsfälle von Mikround Sensorsystemen ein. Anhand von Beispielen werden bereits realisierte Mikrosysteme vorgestellt und hinsichtlich ihrer Funktionsweise analysiert.

Spezialgebiete/Wahlpflichtfächer der Mikrosystemtechnik Prof. Dr. Gerhard Wiegleb Neben den beschriebenen Pflichtmodulen werden Veranstaltungen zu speziellen Themen der Mikrosystemtechnik angeboten, die zu einer individuellen Vertiefung führen sollen. Diese Veranstaltungen sind aus einem Katalog (Wahlpflichtfächer in der Mikrosystemtechnik) je nach Neigung und Interesse des Studenten frei wählbar. Sie geben dem Studenten die Möglichkeit, zusätzliche Qualifikationen zu erwerben, die er für seinen weiteren Berufsweg für sinnvoll erachtet.

CAD Werkzeuge in der Schaltungsintegration • Vakuumphysik • Oberflächenanalytik

Hierzu zählen folgende Lehrveranstaltungen: • • • • • • • •

Sensortechnik Biometrische Identifikation Elektromagnetische Verträglichkeit Gassensorik Halbleitertechnologie Schaltungsentwurf in der Mikroelektronik Systeme der Signalverarbeitung Elektrochemie

Infrarot-Gassensor, smartGAS Mikrosensorik GmbH, Dortmund

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Lehrinhalte/Module Fachspezifisches Seminar Mikrosystemtechnik Prof. Dr. Gerhard Wiegleb (Koordinator) Als angehender Bachelor muss der Student in der Lage sein, komplexe ingenieurwissenschaftliche Zusammenhänge systematisch erfassen und bearbeiten zu können. Im Rahmen des fachspezifischen Seminars Mikrosystemtechnik sollen die hierzu erforderlichen übergeordneten Kenntnisse vermittelt werden. Eine weitere wichtige Fähigkeit ist die verständliche Vermittlung von erklärungsbedürftigen wissenschaftlichen Ergebnissen. Der Student wird hierzu mit modernen Methoden der Präsentationsund Vortragstechnik vertraut gemacht werden.

Fachpraxis Mikrosystemtechnik Prof. Dr. Gerhard Wiegleb

Ingenieurmethodik

Planung und Projektierung

Im Rahmen des Grundstudiums werden erste Kenntnisse der Berichterstellung und der dafür erforderlichen Software-Werkzeuge vermittelt. Weiterhin sollen Sprachkenntnisse wie technisches Englisch vertieft werden.

Nach dem Grundstudium soll der Student eigenständiges wissenschaftliches Arbeiten erlernen. Die Planung und Projektierung von Aufgabenstellungen ist hierbei eine wichtige Schlüsselkompetenz. Begleitende Laborübungen zu den vorgegebenen Pflichtfächern runden dieses Modul ab.

Grundpraktikum Das Grundpraktikum wird parallel zu den Grundlagenfächern Physik, Elektrotechnik und Elektronik angeboten und soll den Praxisbezug der Lehrveranstaltung unterstützen.

Fachpraktikum Das Fachpraktikum besteht aus speziellen Laborübungen zu den Pflicht- und Wahlpflichtmodulen im Hauptstudium.

Industrieprojekt In dem Industrieprojekt wird der Student erstmalig mit konkreten ingenieurwissenschaftlichen Fragestellungen aus der aktuellen industriellen Praxis konfrontiert. Das Projekt wird als eigenständige Aufgabe über ein Semester bearbeitet.

Bachelor-Thesis Den Abschluss des Studiums bildet die BachelorThesis, die ebenfalls als eigenständige ingenieurwissenschaftliche Arbeit durchgeführt wird. Diese Arbeit kann sowohl an der Hochschule als auch in der Industrie durchgeführt werden. 18

Impressum

Herausgeber Der Rektor der Fachhochschule Dortmund Prof. Dr. Eberhard Menzel

Hausanschrift Fachhochschule Dortmund Sonnenstraße 96 44139 Dortmund

Postanschrift Postfach 10 50 18 44047 Dortmund

Homepage www.fh-dortmund.de

Redaktion MST.factory dortmund GmbH www.mst-factory.com

Druck Wiemer & Partner GmbH Dortmund

Titelfoto „Excimerlaser im Einsatz“ Bartels Mikrotechnik GmbH www.bartels-mikrotechnik.de

Foto oben “Paar im Reinraum” dortmund-project www.dortmund-project.de www.mikrotechnik-dortmund.de

Stand Juli 2006 19

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