Mikrotechnische Herstellung von Spulen und induktiven Sensoren

Ohnmacht, Markus

In vielen Bereichen der Technik haben gewickelte Spulen, vorrangig aus Kupferdraht, Eingang gefunden: Zum einen als Erzeuger eines mehr oder minder starken Magnetfeldes, d.h. für den Einsatz in einem schaltenden System wie dem Relais, zum anderen als hochempfindliches Sensorelement, z.B. für eine Abstandsdetektion über das Wirbelstromprinzip. Darüber hinaus werden Spulen im Telekommunikationsbereich sowie zur Energieübertragung oder Energiespeicherung eingesetzt. Gewickelte Spulen besitzen systemimmanente Nachteile hinsichtlich Layout und Design. Eine andere geometrische Struktur als die eines umwickelten Zylinders oder Toroids läßt sich nur schwer herstellen, der Leitungsquerschnitt hat in der Regel immer eine kreisförmige Form und darüber hinaus ist eine Miniaturisierung von gewickelten Spulen in den sub-mm-Bereich technisch außerordentlich schwierig. Eine Herstellung von Spulen mittels der Mikrosystemtechnik bietet eine ganze Reihe von Vorteilen. Es lassen sich kleinste induktive Systeme herstellen, die einen minimalen Bauraum beanspruchen. Durch das sogenannte batch-processing mit definierter Prozeßabfolge lassen sich viele Systeme auf einmal mit hoher Genauigkeit reproduzieren. Die Geometrie und der Aufbau einer mikrosystemtechnischen Spule können frei gewählt werden, es bestehen keinerlei Einschränkungen hinsichtlich des Designs. Der Softwarecharakter des Layouts ermöglicht die schnelle Umsetzung neuer Ideen oder die Darstellung komplexer Arraystrukturen. Auch sind durch die parallele Fertigung auf einem Substrat (batch-processing) Vorteile von der Kostenseite her zu erwarten. Im Vergleich Halbleitertechnik – Mikrosystemtechnik läßt sich für mikrotechnische Systeme ein ähnlicher Kostenverlauf wie in der Halbleitertechnik erwarten. Die Marktchancen werden als sehr hoch eingeschätzt. Der Weltmarkt für Mikrosysteme lag 1998 bei 14 Milliarden Dollar. Bis zum Jahr 2002 wird mit einem Anwachsen auf 34 Milliarden Dollar gerechnet, wobei der Fahrzeugbau einen Anteil von etwa einem Viertel haben wird [1, 2]. Das rasche Wachstum ist vor allem auf Fortschritte bei der Herstellung mikro-elektromechanischer Systeme (MEMS) und der damit verbundenen Kostensenkung ähnlich wie bei Speicherchips zurückzuführen. Ein Airbagsensor kostete 1993 noch 70 $, fünf Jahre später lag der Preis bei unter 2 $. Haupteinsatzgebiete von Sensoren liegen im Automotive-Bereich, in der Prozeßtechnik, im Bereich der Domotik (Haus- und Gebäudetechnik) sowie im Maschinenbau. Das Marktvolumen für induktive Mikrosysteme soll beispielweise für Coil-on-chip-Lösungen und Mikrorelais im Jahr 2002 bei je insgesamt 100 Mill. $ liegen [3]. Mikrotechnische, induktive Systeme decken, wie oben erwähnt, ein weites Aufgabenfeld ab, besitzen ein erhebliches Marktpotential und werden sicherlich Makrosysteme ersetzen können. In dieser Arbeit werden vom Prinzip her verschiedene Herstellungsverfahren, -materialien und -wege für Mikrospulen aufgezeigt und untersucht. Arbeitsschwerpunkte liegen im Bereich der eingesetzten Photoresiste und deren Strukturierung, z.B. durch Plasmabearbeitung. Die Isolation elektrischer Funktionsschichten und die galvanische Abscheidung bilden die Basis für einen komplexen, mehrlagigen Aufbau mit hohem Aspektverhältnis. Ein für Mikrospulen geeignetes Herstellungsverfahren im Rahmen der UV-Tiefenlithografie und Mikrogalvanik wird aufgezeigt. Für hochinduktive Systeme wird eine mikrotechnische Spule mit integriertem, galvanisch abgeschiedenen NiFe-Kern dargestellt. Im Sensorbereich werden ein zur Abstandserkennung benutztes, nach dem Wirbelstromprinzip arbeitendes, mikrotechnisches Sensorsystem, sowie ein System zur Erkennung von Kräften vorgestellt. Fragen technischer Art berühren die Auswahl kompatibler Materialien, wie z.B. die des Photoresists, der verwendeten Galvanik sowie der elektrischen Isolationsschichten. In der Simulation werden sowohl numerische Berechnungen als auch Berechnungen nach der Finiten-Integrations-Methode (FIM) zu Beschreibung der mikrotechnischen Systeme eingesetzt.

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Ohnmacht, Markus: Mikrotechnische Herstellung von Spulen und induktiven Sensoren. Aachen 2002. Shaker.

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