Lehrstuhl für Intelligente Mikrosysteme
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Item Entwicklung und Charakterisierung von nanostrukturierten thermischen MEMS-Flusssensoren(2021) Ebschke, Sven; Fiedler, Horst L.; Oehm, JürgenHerz-Kreislauf-Erkrankungen sind laut einer Studie der WHO die weltweite häufigste Todesursache für Menschen. Neuartige Entwicklungen im Bereich der Medizintechnik helfen, diese Art von Erkrankungen frühzeitig zu diagnostizieren und präventive Maßnahmen für die betroffenen Personen einzuleiten. Die damit zusammenhängende Grundlagenforschung von relevanten Diagnosemitteln ist somit ein wichtiger Bestandteil, die Lebensqualität und Lebensdauer von Risikopatienten zu verbessern. Unabdingbar ist dabei ein umfassendes und permanentes Monitoring der Vitalfunktionen, ohne eine Einschränkung der Bewegungsfreiheit zu verursachen. Hierbei ist insbesondere der herznahe Blutdruck relevant, was durch eine Erfassung von dem selbigen und der Herzfrequenz als Momentanwert gewährleistet werden kann. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein MEMS Flusssensorsystem entwickelt und untersucht, welches neue technische Grundlagen für alternative Diagnosemöglichkeiten in dem oben genannten Bereich ermöglicht. Es wird hierbei hinsichtlich thermischer Durchflussmessverfahren, insbesondere der Anemometrie und des Thermal-Time-of-Flight-Verfahrens, untersucht. Dazu werden Halbleitertechnologieprozesse, wie eine Elektronenstrahllithografie und chlorbasierte Trockenchemieätzverfahren, angewendet und weiterentwickelt. Weiterhin werden diese Technologien genutzt, um Skalierungseffekte von den dazugehörigen thermischen Sensorelementen zu erzielen. Das Sensorkonzept nutzt dabei ein mittiges Heizfilament, welches, in einem definierten Abstand, symmetrische verteilte Diodenpaare als Hitzesensoren nutzt. Die notwendigen Technologieprozesse werden dabei angepasst, um diese Strukturen in einer nanoskaligen Dimension zu realisieren. Ein Hitzeimpuls (TToF-Verfahren) oder eine konstante Erwärmung (Anemometrie) wird am Filament erzeugt und durch das umströmende Messmedium weitergetragen. Die temperaturempfindlichen Dioden können diesen thermischen Verlauf detektieren und aus der Laufzeit lässt sich die Flussgeschwindigkeit ermitteln. Als Ausgangssubstrat kommt ein Silicon-on-Insulator (SOI)-Substrat zum Einsatz, wobei die vergrabene Oxidschicht (engl. buried oxide) primär als elektrischer und thermischer Isolator genutzt wird. Zur weiteren Erhöhung der thermischen Ansprechempfindlichkeit wird zusätzlich ein Prozessschritt entwickelt, welcher mittels Flusssäure (HF) eine isotrope Unterätzung der Sensorstege realisiert. So ergibt sich ein größeres Fläche-zu-Volumen-Verhältnis, was dieser entgegenkommt. Weiterhin wird eine passende Ausleseelektronik und Messumgebung realisiert, sowie eine geeignete Aufbau- und Verbindungstechnik. Damit werden die Bonddrähte vor dem Einfluss des umströmenden Messmediums geschützt. Evaluiert wird dieses Sensorkonzept anhand von unter Reinraumbedingung gefertigten Prototypen. Dabei zeigt sich bei der Messung der Flussgeschwindikeit von Isopropanol, dass die nanoskaligen Sensorstrukturen insbesondere für ein anemometrisches Messprinzip geeignet sind. Das Thermal-Time-of-Flight Verfahren hingegen zeigt, aufgrund dessen geringer Masse, Defizite hinsichtlich der notwendigen Heizleistung am Filament. Im Vergleich zu vorherigen Arbeiten zeigen sich somit Grenzen hinsichtlich der Skalierbarkeit dieser Flusssensorverfahren auf. Für zukünftige Arbeiten können die weiterentwickelten Halbleiterprozesse neue Ansätze hinsichtlich optimierten Sensordesigns in der Mikrofluidik schaffen.Item Untersuchung zur Anwendung der Nanostrukturierung in der Thermoelektrik(2020) Merten, Dominik; Fiedler, Horst L.; Horstmann, John ThomasDer Wunsch nach umweltfreundlicher und effizient erzeugter Energie gewinnt zunehmend an Relevanz. Insbesondere die Rückgewinnung kleinster Energiemengen ist für das low-power-Segment, beispielsweise für autarke Sensorsysteme oder das Internet of Things, von großer Bedeutung. In diesem Zusammenhang bieten thermoelektrische Generatoren (TEG) die Möglichkeit der direkten Umwandlung von thermischer in elektrische Energie und somit des Energy Harvestings ungenutzter Abwärme. Aufgrund des geringen Wirkungsgrades übersteigen TEG bisher nicht den Status eines Nischenproduktes. Aktuelle Forschungsarbeiten zeigen jedoch die Möglichkeit zur Steigerung des Wirkungsgrades bei Verwendung nanostrukturierter thermoelektrischer Materialien. Im Rahmen dieses Buches wird daher die Anwendung der Nanostrukturierung in der Thermoelektrik untersucht. Dies beinhaltet die Entwicklung eines grundlegenden Prozessablaufs zur Herstellung nanostrukturierter TEG. Hierzu werden mithilfe des Depositions- und Rückätzverfahrens quasieindimensionale Strukturen aus Bismuttellurid hergestellt und charakterisiert. Darüber hinaus wird unter Verwendung von FEM-Simulationen der Einfluss verschiedener Geometrieparameter diskutiert. Hierbei wird insbesondere die Veränderung des Generatorinnenwiderstandes sowie der Thermospannung analysiert. Des Weiteren erfolgt die Simulation und Realisierung einer Spannungswandlerschaltung speziell für hochohmige, nanostrukturierte TEG. Das zweistufige System nutzt einen Meißner-Oszillator als Anlaufschaltung und einen Aufwärtswandler mit Maximum-PowerPoint-Tracking als effektive Endstufe.Item Neuartiger CMOS-kompatibler nanostrukturierter Vakuumsensor(2020) Giebel, Friederike; Fiedler, Horst; Vogt, HolgerWährend Mikro- und Nanosensoren in einigen Sensorkategorien bekanntermaßen seit Jahren zum Stand der Technik gehören und Teil des täglichen Lebens sind, werden im Bereich der Vakuummeter weiterhin überwiegend herkömmliche Sensoren und Messgeräte verwendet. Obwohl zahlreiche wissenschaftliche Arbeiten aus den vergangenen Jahrzehnten die Entwicklung von Mikro- und Nano-Vakuumsensoren thematisieren, haben diese sich bisher noch nicht gegen herkömmliche Messzellen durchgesetzt. In diesem Buch wird daher ein neuartiges Konzept zur Entwicklung miniaturisierter Vakuumsensoren vorgestellt, das sich die physikalischen Besonderheiten einer Mikrostruktur zunutze macht. Aus der theoretischen Betrachtung der physikalischen Mechanismen in einer miniaturisierten Gasstrecke werden zwei analytische Modelle entwickelt, die den Stromfluss zwischen zwei großflächigen Elektroden in geringem Abstand beschreiben. Hergestellt wird der Sensorchip mittels CMOS-kompatibler Prozessschritte aus der Planartechnologie und zeichnet sich durch eine gute Empfindlichkeit über einen Druckbereich von mehr als sieben Größenordnungen bei geringer Leistungsaufnahme aus. Es werden die Ergebnisse der Charakterisierung verschiedener nanostrukturierter Sensorchips erläutert und die Vergleichbarkeit mit anderen aktuellen Ansätzen zur Entwicklung von MEMS-Vakuumsensoren diskutiert.Item Entwicklung eines Back-End-Prozesses für eine vollständig CMOS-kompatible Integration nanoskaliger Drucksensoren(2017) Kontis, Christopher; Fiedler, Horst L.; Horstmann, John T.Bedingt durch die stetige Nachfrage einer immerwährenden Miniaturisierung von mikro-mechanischen Systemen muss der zur Integration erforderliche Platz eines solchen Systems weiter reduziert werden. Ein bekannter Ansatz hierfür ist der sogenannte System-On-a-Chip Ansatz, bei dem alle Elemente des Systems monolithisch integriert werden. Hierbei wird die erforderliche Substratfläche zweidimensional optimal ausgenutzt, während die dritte Dimension oftmals unberücksichtigt bleibt. Dies trifft insbesondere auf die mikromechanischen Systeme wie beispielsweise Drucksensoren zu. Hier werden das elektro-mechanische Wandlerelement und die Auswertungselektronik nebeneinander auf einem Substrat integriert. Im Rahmen der Arbeit wird ein CMOS-kompatibler Back-End-Prozess vorgestellt, welcher die Ausnutzung aller drei Raumrichtungen im Sinne von System-On-Top zur Herstellung von Drucksensoren ermöglicht. Der Kerngedanke ist hierbei das Sensorelement oberhalb einer bereits integrierten und passivierten Auswerteelektronik zu integrieren. Hierbei ist es unabdingbar eine maximale Prozesstemperatur von 450°C nicht zu überschreiten, da ansonsten mit irreversiblen Schäden der zuvor integrierten Schaltung zu rechnen ist. Im Vordergrund dieser Arbeit stehen somit sowohl die rechnergestützte Optimierung der geometrischen Abmessungen des Sensorelementes insbesondere der drucksensitiven Membran und der Wandlerelemente als auch die technologische Realisierung des Gesamtprozesses im Niedertemperaturverfahren.Item Entwicklung eines integrierten, nanoskaligen Quecksilbersensors auf Basis chemisch abgeschiedener Goldschichten(2011-11-21) Keller, Lars Ole; Fiedler, Horst; Horstmann, John ThomasEine Verkleinerung der Strukturweiten in der Halbleitertechnik bietet u.a. Vorteile einer höheren Schaltfrequenz und geringeren Gatekapazität. Ein weiterer, auch aus wirtschaftlichem Gesichtspunkt wichtiger Aspekt ist die geringere Fläche eines einzelnen Transistors, aus der eine höhere Packungsdichte und damit bei gleicher Transistoranzahl geringerer Siliziumflächenbedarf resultiert. Um Strukturen in Größenordnungen von sub-100 nm erstellen zu können, sind neben technologischen Aspekten, die verwendeten Lithographiesysteme ein entscheidender Faktor. Im industriellen Halbleiterbereich stellt die Anschaffung aktueller Lithographiesysteme einen erheblichen Kostenfaktor dar. Für öffentliche Forschungseinrichtungen sind diese Geräte schwer zu finanzieren, so dass für die in dieser Arbeit hergestellten nanoskaligen (sub-100 nm) Strukturen das Depositions- und Rückätzverfahren zur Anwendung kommt. Dieses Verfahren ermöglicht es, mittels konventioneller (kostengünstiger) Abscheide- und Ätzanlagen Strukturen im sub-100 nm Bereich zu definieren bzw. zu erstellen. Eine solche, nach dem genannten Verfahren erstellte poly-Siliziumstruktur findet in der vorliegenden Arbeit Anwendung als nanoskaliger Quecksilbersensor. Das Detektionsprinzip basiert auf der Amalgamierung einer wenige zehn Nanometer dicken Goldschicht, aufgebracht auf einem mittels Depositions- und Rückätzverfahrens erstellten sub-100 nm breiten poly-Siliziumsteg, in der zu detektierenden Quecksilberatmosphäre. Als Messgröße wird die aus der Amalgamierung resultierende Änderung des Ohm’schen Widerstandes herangezogen. Bei dem vorgestellten Sensor handelt es sich nicht um einen Wegwerfsensor („Disposalsensor“), das verwendete Prinzip erlaubt vielmehr die Nutzung des Nanostegs als Wärmequelle (Widerstandsheizdraht), wodurch eine Desorption des Quecksilbers von der Goldoberfläche und damit eine Regenerierung des Sensors durchgeführt werden kann. Dies ermöglicht die wiederholte Verwendung des Sensors zur Quecksilberdetektion. Um den finanziellen Aufwand des Herstellungsverfahrens zu minimieren und die von technologischer Seite erforderliche konforme, von allen Seiten den Sensor-Nanosteg umschließende Goldschicht aufzubringen, ist der Ansatz der chemischen Abscheidung in wässriger Lösung in einem zweistufigen Prozess, beginnend mit der Aufbringung einer Nukleationsschicht aus Gold-Nanopartikeln und anschließender Nutzschichtaufwachsung in einer Formierlösung verfolgt und auf seinen Einsatz und Verwendbarkeit hin untersucht und angewendet worden.Item Untersuchungen zur hardwareoptimalen Implementierung digitaler Signalverarbeitungskomponenenten(2005-08-04T12:56:25Z) Jung, Mark; Fiedler, H.-L.; Paar, C.Mit der Erschließung neuer Anwendungsgebiete der digitalen Signalverarbeitung hat das Interesse an der Weiterentwicklung signalverarbeitender integrierter Schaltungen stetig zugenommen. Den Schwerpunkt dieser Arbeit bildet die Untersuchung und Entwicklung innovativer Hardwarekomponenten zur Umsetzung digitaler kryptographischer und signalverarbeitender Algorithmen. Dabei steht die modulare Erweiterung eines 8-Bit Mikrocontrollers durch flächenoptimierte Coprozessoreinheiten im Mittelpunkt. Besonderes Augenmerk ist gerichtet auf die Entwicklung flexibler und schlanker Schnittstellen zwischen µC und Coprozessor sowie der Erstellung einer gemeinsamen Grundstruktur für die Hardwareerweiterungen. Ein auf dieser Struktur basierender kryptographischer Coprozessor beschleunigt Ver- und Entschlüsselung mit dem Advanced Encryption Standard (AES). Im Zuge der Flächenoptimierung werden die gatterminimierte Umsetzung der zugrundeliegenden Galois-Field-Operationen sowie die eingesetzten Optimierungsmethoden untersucht. Zur beschleunigten Umsetzung von Algorithmen, die auf Multiply-Accumulate-Operationen basieren, wird eine zusätzliche Komponente erstellt, die sich vor allem zur Implementierung digitaler Filter eignet. Der Host-Controller ist in den beschleunigten Bereichen bei geringem Kostenaufwand durch die entwickelten Coprozessoren zu 16- und zum Teil sogar 32-Bit Prozessoren konkurrenzfähig.