1. Slide 1Mikrosysteme – Materialien
Mikro- und Nanosysteme in der Umwelt, Biologie und MedizinMikro- und Nanosysteme in der Umwelt, Biologie und Medizin
MaterialienMaterialien
Dr. Marc R. DusseillerDr. Marc R. Dusseiller
GrundlagenGrundlagen
Mikro- und NanosystemeMikro- und Nanosysteme

2. Slide 2Mikrosysteme – Materialien
Materialien in der MikrosystemtechnikMaterialien in der Mikrosystemtechnik
Vielfalt an Anwendungen erfordert vielzahl an MaterialienVielfalt an Anwendungen erfordert vielzahl an Materialien

3. Slide 3Mikrosysteme – Materialien
Materialien - ÜbersichtMaterialien - Übersicht
Mikrostruktur, Teilkristallinität, PorositätMikrostruktur, Teilkristallinität, Porosität
Molekulare Struktur, ChemieMolekulare Struktur, Chemie
PE, PMMA,PE, PMMA,
Kristallsymetrie, ZusammensetzungKristallsymetrie, Zusammensetzung
Amorphe Materialien (Glas)Amorphe Materialien (Glas)
Makroskopisches ProduktMakroskopisches Produkt
Verbund von MaterialienVerbund von Materialien
KorngrenzeKorngrenze GefügeGefüge
BeschichtungenBeschichtungen

4. Slide 4Mikrosysteme – Materialien
MikrofabrikationMikrofabrikation
MaterialienMaterialien

5. Slide 5Mikrosysteme – Materialien
Materialien in der MikrosystemtechnikMaterialien in der Mikrosystemtechnik
Klassische MSTKlassische MST
SensorenSensoren
MEMSMEMS
Integrierte ElektronikIntegrierte Elektronik
DLP (Beamer)DLP (Beamer)
Optische SystemeOptische Systeme
Biomedizinische MSBiomedizinische MS
Kommt späterKommt später

6. Slide 6Mikrosysteme – Materialien
SubstratmaterialienSubstratmaterialien
Silizium Glas Kunststoff / Polymere

7. Slide 7Mikrosysteme – Materialien
MetalleMetalle
EigenschaftenEigenschaften
KristallinKristallin
Elektrische LeitfähigkeitElektrische Leitfähigkeit
PlastizitätPlastizität
AnwendungenAnwendungen
Biokompatibilität (Ti, medizinische Stähle)Biokompatibilität (Ti, medizinische Stähle)
Ferromagnetische Eigenschaften, zB EisenFerromagnetische Eigenschaften, zB Eisen KupferKupfer
Messing MikrostrukturMessing MikrostrukturMessing MikrostrukturMessing MikrostrukturStahl MikrostrukturStahl Mikrostruktur

8. Slide 8Mikrosysteme – Materialien
Silizium - SiSilizium - Si
Silizium ist ein Halbmetall und HalbleiterSilizium ist ein Halbmetall und Halbleiter
Leitfähigkeit je nach DotierungLeitfähigkeit je nach Dotierung
VorkommenVorkommen
25% w/w der Erdhülle25% w/w der Erdhülle
in Form von Silikatischen Mineralenin Form von Silikatischen Mineralen
Gewinnung aus MineralenGewinnung aus Mineralen
Durch chemische ReduktionDurch chemische Reduktion
Anwendung meist alsAnwendung meist als
SubstratmaterialSubstratmaterial
StrukturmaterialStrukturmaterial
dotiert als n/p Regionendotiert als n/p Regionen
MikrostrukturMikrostruktur
●
EinkristallinEinkristallin
●
PolykristallinPolykristallin
●
poröses Siliziumporöses Silizium

9. Slide 9Mikrosysteme – Materialien
Siliziumwafers - EinkristallinSiliziumwafers - Einkristallin
Czochralski processCzochralski process

10. Slide 10Mikrosysteme – Materialien
GlasGlas
Amorphe Materialien auf SiO-BasisAmorphe Materialien auf SiO-Basis
EigenschaftenEigenschaften
TransparentTransparent
Optische EigenschaftenOptische Eigenschaften
Fast nur isotrope Ätzung möglichFast nur isotrope Ätzung möglich

11. Slide 11Mikrosysteme – Materialien
PolymerePolymere
Klassen nach Molekularer StrukturKlassen nach Molekularer Struktur
• Lineare PolymereLineare Polymere
• Verzweigte PolymereVerzweigte Polymere
• Vernetzte PolymereVernetzte Polymere
Lineare PolymereLineare Polymere Verzweigte PolymereVerzweigte Polymere
Vernetzte PolymereVernetzte Polymere Vernetzte Polymere 3DVernetzte Polymere 3D
PolyethylenPolyethylen

12. Slide 12Mikrosysteme – Materialien
PolymerePolymere
Klassen nach MikrostrukturKlassen nach Mikrostruktur
• Amorphe PolymereAmorphe Polymere
• Teilkristalline PolymereTeilkristalline Polymere
• HydrogeleHydrogele
amorphe Phaseamorphe Phase lamellarer Kristalllamellarer Kristall
HydrogeleHydrogele

13. Slide 13Mikrosysteme – Materialien
PolymerePolymere
Klassen nach VerarbeitungKlassen nach Verarbeitung
• ThermoplasteThermoplaste
• ElastomereElastomere
• DuromereDuromere

14. Slide 14Mikrosysteme – Materialien
Polymere – Beispiele & KenngrössenPolymere – Beispiele & Kenngrössen
BeispieleBeispiele
• TTGG < Raumtemperatur< Raumtemperatur →→ EE ↓ (ca 0.1 Gpa)↓ (ca 0.1 Gpa)
• TTGG > Raumtemperatur> Raumtemperatur →→ EE ↑↑ (ca 3 Gpa)(ca 3 Gpa)
•
KenngrössenKenngrössen
GlastemperaturGlastemperatur
SchmelztemperaturSchmelztemperatur
ZersetzungZersetzung
Mechanische EigenschaftenMechanische Eigenschaften
PermeabilitätPermeabilität
Im Buch: Kapitel 4 & Appendix AIm Buch: Kapitel 4 & Appendix A

15. Slide 15Mikrosysteme – Materialien
KeramikenKeramiken
Verschiedene AnwendungenVerschiedene Anwendungen
spontane Oxidespontane Oxide
BeschichtungenBeschichtungen
Oxide, Nitride, CarbideOxide, Nitride, Carbide
KorrosionsschutzKorrosionsschutz
IsolatorenIsolatoren
Sensormaterialien !!Sensormaterialien !!

16. Slide 16Mikrosysteme – Materialien
Mit Piezoelektrizität (griechisch: Druckelektrizität) wird die Eigenschaft eines Werkstoffs
bezeichnet, welcher elektrische Ladung an seiner Oberfläche zeigt, wenn
mechanische Spannung auf ihn einwirkt oder umgekehrt ein Werkstück seine
äusseren Abmessungen ändert, wenn an ihn ein elektrisches Feld angelegt wird.
Wenn Zug oder Druck auf Quarz oder Turmalin einwirkt, treten Ladungen an den
Oberflächen der Proben auf.
Typische Materialien sind PZT (PbTiO3-PbZrO3), Blei Magnesium Niobate
(Pb(Mg1/3Nb2/3)O3, PMN)
Spezielle Keramiken - PiezoelektrikaSpezielle Keramiken - Piezoelektrika

17. Slide 17Mikrosysteme – Materialien
PiezoelektrizitätPiezoelektrizität

18. Slide 18Mikrosysteme – Materialien
Spezielle Keramiken - PyroelektrikaSpezielle Keramiken - Pyroelektrika
• Der wahre pyroelektrische Effekt beruht auf der Änderung der spontanen Polarisation
Ps eines polaren Materials mit der Temperatur.
• Die Änderung der Polarisation hat eine Änderung der Oberflächenladung des
Werkstückes zur Folge, die gemessen werden kann.
• Der pyroelektrische Effekt setzt sich zusammen aus dem primären und dem
sekundären Effekt. Der primäre Effekt wird durch die Temperaturabhängigkeit der
dielektrischen Verschiebung D hervorgerufen. Den sekundären Effekt verursacht die
thermische Ausdehnung.
• Die wichtigsten pyroelektrischen Werkstoffe sind LiTaO3 und modifizierte PZT-
Keramiken.

19. Slide 19Mikrosysteme – Materialien
Übersicht MaterialienÜbersicht Materialien
Ganz unterschiedliche EigenschaftenGanz unterschiedliche Eigenschaften
Probleme bei der IntegrationProbleme bei der Integration
verschiedene Mechanische Eigenschaftenverschiedene Mechanische Eigenschaften
Thermische AusdehnungThermische Ausdehnung

20. Slide 20Mikrosysteme – Materialien
Materialien - ÜbersichtMaterialien - Übersicht
Mikrostruktur, Teilkristallinität, PorositätMikrostruktur, Teilkristallinität, Porosität
Molekulare Struktur, ChemieMolekulare Struktur, Chemie
PE, PMMA,PE, PMMA,
Kristallsymetrie, ZusammensetzungKristallsymetrie, Zusammensetzung
Amorphe Materialien (Glas)Amorphe Materialien (Glas)
Makroskopisches ProduktMakroskopisches Produkt
Verbund von MaterialienVerbund von Materialien
KorngrenzeKorngrenze GefügeGefüge
BeschichtungenBeschichtungen