Kältesysteme für miniaturisierte mechatronische Anwendungen

The current work contains the design, the simulation and the scaling of several refrigerating machines and their components in small geometries. At the beginning all physical principles for refrigeration are systematically analyzed. From that basis the refrigerating machines and their components are derived. It was found out that the group of compressor refrigerating machines are well suitable for the scaling process towards small geometries by using mechatronical criteria. The coefficient of performance of such machines is quite high and it should become possible to use them in small form factors. To enable that, several design and scaling methods are developed and improved. These methods are graphical analyses of the Carnot-cycle, Block-based Simulation, Entropy Generation Analysis and Computational Fluid Dynamics. According to that software and database modules are developed and a dimensioning scheme for refrigerant expansion channels is acquired. The scaling methods are tested and evaluated by the usage of examples that compare conventional and microtechnical compressor refrigerating machines. Several scaling steps of the miniaturized compressor refrigerating machines are developed, constructed and tested using smallest piston compressors, active and passive expansion devices and translucent heat exchangers. Both conventional and microtechnical design methods are used. The results of the calculations and simulations are compared with the measurement results. The knowledge of the investigations of this work is summarized and presented. The scaling borderlines for smallest compressor refrigerating machines for the mechatronical environment are systemized and highlighted.Kurzfassung: „Kältesysteme für miniaturisierte mechatronische Anwendungen“ Die vorliegende Arbeit umfasst den Entwurf, die Simulation und die Skalierung verschiedener miniaturisierter mechatronischer Kältemaschinen und deren Baugruppen. Zunächst werden sämtliche physikalische Prinzipien zur Kälteerzeugung systematisiert. Daraus lassen sich technische Kältemaschinen und deren Komponenten ableiten. Unter Verwendung mechatronischer Kriterien wird ermittelt, dass die Gruppe der Kaltdampf-Kältemaschinen für eine Skalierung in kleinste Geometrien prädestiniert ist. Die vergleichsweise hohen Leistungszahlen konventioneller Kaltdampf-Kältemaschinen sollen unter bestimmten Voraussetzungen für mikrotechnische Anwendungen verfügbar werden. Um dies zu ermöglichen, werden verschiedene Entwurfs- und Skalierungsmethoden entwickelt und verfeinert. Es finden grafische Kreisprozessanalyse, blockorientierte Simulation, Entropieanalyse und CFD-Modellierung Anwendung. In diesem Zusammenhang erfolgt die Entwicklung geeigneter Software- und Datenbankmodule sowie die Erarbeitung eines Schemas zur Dimensionierung von Kältemittel-Entspannungskanälen. Anhand vergleichender Beispiele zwischen konventionellen und mikrotechnischen Kältemaschinen werden die Skalierungsmethoden erprobt und evaluiert. Die Entwicklung, der Aufbau und die Laboruntersuchung der miniaturisierten Kaltdampf-Kältemaschinen und deren Komponenten erfolgt in verschiedenen geometrischen Skalierungsstufen. Kleinste Hubkolbenkompressoren, aktive und passive Entspannungsorgane sowie transluzente Wärmetauscher werden entwickelt, gebaut und labortechnisch untersucht. Sowohl der konventionelle als auch der mikrotechnische Baugruppenentwurf findet Anwendung. Die Berechnungs- und Simulationsergebnisse werden mit den Messergebnissen verglichen und die Erkenntnisse der Untersuchungen zusammenfassend dargestellt. Die Skalierungsgrenzen für kleinste Kältemaschinen im mechatronischen Umfeld werden mit dieser Arbeit aufgezeigt und systematisiert

Mikro-Nano-Integration für metallische Mikrosysteme mit vertikal integrierten Federelementen

Mikro-Nano-Integration (MNI) ist ein skalenübergreifender Ansatz, um Nanomaterialien in Mikrosystemen zur Anwendung zu bringen. Die Nanotechnologie bietet vielfältige, vollständig neuartige Effekte sowie wesentlich verstärkt auftretende Effekte und stellt so eine Bereicherung für die Funktionalität von Mikrosystemen dar. Gleichzeitig liefert die Mikrotechnik eine sehr gezielte Anbindung der Nanomaterialien an die Systemtechnik, sodass sich aus geringen Mengen Nanomaterial große Effekte im MNI-System erzielen lassen. Daher ist zu erwarten, dass der Einsatz von Nanomaterialien in Mikrosystemen zukünftig stark anwachsen wird. Das Anwendungsspektrum der MNI-Systeme erstreckt sich bereits heute von einem sehr starken Sektor der Mikrosensorik, über Mikroaktorik, Mikroelektronik und Optik bis hin zu Chemie, Energie und biotechnischen Systemen. Eine umfangreiche Analyse zum Stand der Technik und zum Stand der Standardisierung verdeutlicht die Relevanz des Themenfelds. Die Technologie zur Integration von Nanomaterialien weist eine Reihe an Herausforderungen auf, da die Integrationsschritte erheblichen Einfluss auf die Nanomaterialeigenschaften haben. In dieser Arbeit werden Verfahren zur Vor-Ort-Synthese hochgeordneter 1-D Nanomaterialien betrachtet, insbesondere galvanisch abgeschiedener metallischer Nanodrähte. Sind diese Nanodrähte senkrecht stehend auf einem Trägersubstrat verankert, können sie als einseitig eingespannte Biegestäbe betrachtet und in alle lateralen Richtungen flexibel federnd gebogen werden. Diese Eigenschaft macht sich der hier untersuchte Ansatz zum Aufbau eines Inertialsensors zunutze. Fixiert man eine Inertialmasse am freien Ende des Biegestabs, ist diese in erster Näherung mit zwei lateralen translatorischen und zwei lateralen rotatorischen Freiheitsgraden aufgehängt. Somit lässt sich mit einer einzigen Inertialmasse die Beschleunigung in zwei lateralen Raumrichtungen bzw. die Drehrate aus der Ebene hinaus in Richtung der Biegestab-Hauptachse messen. Die Besonderheit dieses Ansatzes liegt in den geringen Abmessungen sowie der Skalierbarkeit des Konzepts. Im Gegensatz zum Stand der Technik bei Silizium-Inertialsensoren wird für Federelement und Masseelement deutlich weniger Chipfläche benötigt. Die Arbeit beschreibt die statische und dynamische Auslegung des Beschleunigungs- und des Drehratensensors einschließlich Stabilitätsbetrachtung des Biegestabs, der Übertragungsfunktionen und der Dimensionierung von der Mikroaktorik. Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf der Fertigung des Technologie-Demonstrators basierend auf den Verfahren UV-Lithographie mit anschließender Galvanoformung (UV LIGA) und Röntgen-Synchrotron-Lithographie mit anschließender Galvanoformung (Röntgen LIGA). Diese ermöglichen die Fertigung senkrecht stehender dünner Stäbe aus Metall, die als Federelemente dienen, in direkter Umgebung von Metallquadern, die als Inertialmassen fungieren. Mit Hilfe tiefenlithographischer Verfahren auf Basis von UV-Strahlung bzw. von Röntgen-Synchrotron-Strahlung lassen sich Photoresiste so mikrostrukturieren, dass Öffnungen mit Länge-zu-Durchmesser-Verhältnissen (Aspektverhältnissen) von bis zu 14,5 für UV-Strahlung und von bis zu 70 für Röntgen-Synchrotron-Strahlung entstehen. Die Kombination von Lithographieschritten in mehreren aufeinander folgenden Ebenen mit Metallabscheideschritten erlaubt die Vor-Ort-Synthese der Inertialsensor-Funktionselemente. Im Rahmen dieser Arbeit entstehen so Technologie-Demonstatoren für einachsige, differentiell kapazitiv auswertbaren Beschleunigungssensoren mit Federelementen und Inertialmassen aus galvanisch abgeschiedenem Kupfer. Ihr Aufbau zu Sensor-Demonstratoren mündet in der Charakterisierung des statischen und dynamischen Übertragungsverhaltens. Der Übertragungsfaktor eines Sensor-Demonstrators beträgt 26,46 fF/g. Die Durchmesser der als Federelemente eingesetzten Stäbe lassen sich entsprechend der Auslegung gezielt zwischen 1,5 µm und 75 µm bei Längen zwischen 94 µm und 409 µm einstellen. Die Skalierbarkeit des Konzepts stellt jedoch in Aussicht, auch Submikro- und Nanodrähte mit Durchmessern kleiner als 1 µm einzusetzen. Diese Arbeit stellt den internationalen Stand der Technik zur Mikro-Nano-Integration in einem neuen Umfang dar. Beispielhaft geht sie intensiv auf die Auslegung eines Multi-Inertialsensor-Technologie-Demonstrators mit nur einer Probemasse und nur einem Federelement ein und stellt so einen wegweisenden Ansatz für neuartige hochminiaturisierte Inertialsensoren vor. Auf technologischer Ebene geht die Arbeit auf neuartige Ansätze zur Optimierung der galvanischen Multiskalenfertigung ein und gibt detaillierte Parameter zur Reproduktion der gesamten Prozesskette an. Erstmals wird die Funktion eines Inertialsensors mit nur einem vor Ort synthetisierten Biegestab aus Metall als Federelement experimentell nachgewiesen

Entwurf von Aufbau- und Verbindungstechniken für die Elektromagnetische Zuverlässigkeit von Mikrosystemen unter Verwendung des M3-Ansatzes

Um den stetig wachsenden Bedarf an kleineren, preiswerteren, multifunktionalen und leistungsfähigeren mikroelektronischen Produkten zu erfüllen, werden neben leistungsfähigeren Integrierten Schaltkreisen (Chips) auch neue Aufbau- und Verbindungstechniken (AVT), z.B. die System-in-Package (SiP) Technologie, sowie neuartige Entwurfsmethoden benötigt. Die SiP Technologie ermöglicht die Integration von Chips unterschiedlicher Funktionalitäten (z.B. HF, High-Speed digital, Sensorik) in einem kompakten Modul, wodurch gleichzeitig Platz und Entwicklungskosten reduziert werden können. Der Entwurf von Signalpfaden in diesen miniaturisierten SiP-Modulen stellt aber eine große Herausforderung dar. Die parasitären Effekte auf Package- und Board-Ebene, die aufgrund der dichten Anordnung der Bauelemente und Leitungen entstehen, sowie die Diskontinuitäten auf den Signalpfaden führen zu Elektromagnetischen Zuverlässigkeitsproblemen (EMZ-Probleme; engl. Electromagnetic Reliability (EMR) Problems) wie beispielsweise mangelhafter Signal-/Power-Integrität und EMV-Problemen. Diese Probleme verstärken sich mit steigenden Taktfrequenzen und können dazu führen, dass das Gerät nach der Entwicklung nicht (einwandfrei) funktioniert. Da es immer sehr schwierig und vor allem teuer ist, solche Probleme und ihre Ursachen nach dem Aufbau des Systems zu identifizieren und zu lösen, ist es unbedingt erforderlich, Entwurfsregeln am Anfang der Designphase einzusetzen, die die parasitären Effekte aller Komponenten entlang des vollständigen Signalpfades bei Mikrowellen-Frequenzen berücksichtigen. In diesem Vortrag wird ein geschlossener Entwurfsansatz, der M3-Ansatz für einen optimalen, zuverlässigen und kostengünstigen Entwurf von elektrischen Verbindungen, elektronischen Packages, Leiterplatten und integrierten Komponenten präsentiert und illustriert. Das Hauptziel des M3-Ansatzes ist es die Limitierungen der herkömmlichen "Trial-and-Error"-Methoden zu überwinden. Um dieses Ziel zu erreichen sind drei Schritte notwendig; 1) Entwicklung und/oder Anwendung von zuverlässigen Methodologien für die effiziente und akkurate Modellierung von AVT-Strukturen. Abhängig von der Komplexität der zu entwerfenden Strukturen und dem gewünschten Frequenzbereich (oder der Bandbreite), werden entweder statische, quasi-statische oder Voll-Wellen Modellierungsmethoden eingesetzt. Basierend auf den extrahierten Ergebnissen werden parametrisierte Modelle entwickelt. 2) Alle so hergeleiteten Modelle werden experimentell validiert. Sie werden benutzt um den Einfluss der Entwurfsparameter (Geometrie- und Materialparameter) sowie der unmittelbaren Umgebung der Packaging-Strukturen auf die elektrischen Eigenschaften des (Sub-) Systems zu untersuchen. Des Weiteren wird eine rigorose Technologiebewertung und Exploration des Entwurfsraums mit Hilfe der validierten Modelle durchgeführt. 3) Basierend auf den Ergebnissen, werden Entwurfsmaßnahmen oder Regeln abgeleitet. Diese Regeln werden dann benutzt um optimale Packaging- und Integrationstechnologien auszuwählen, sowie für den Entwurf, die Platzierung und das Routing der Packaging-Strukturen/Komponenten in der "Pre-layout" Phase. Der M3-Ansatz hat eine Vielzahl an Vorteilen gegenüber konventionellen Entwurfsansätzen. Dennoch wird dieser Vortrag auf die Illustration der Vorteile des M3-Ansatzes für die Sicherstellung optimaler Funktionalität und EMZ von Transistorschaltkreisen in ICs und Chip-zu-Chip-Signalpfaden fokussieren. Die Sicherstellung der EMZ von Transistorschaltkreisen beinhaltet, unter Anderem, die Bereitstellung einer sauberen und gleichmäßigen Spannungsversorgung für die schaltenden Transistoren. Hierfür ist ein sorgfältiger Entwurf des Spannungsversorgungssystems (engl. Power Delivery Network) erforderlich, um simultanes Schaltrauschen (engl. Simultaneous Switching Noise, SSN) und dessen unerwünschte Verkopplung zu reduzieren. In diesem Beitrag werden deshalb auch Konzepte zur Reduzierung von SSN diskutiert. Es werden von uns entwickelte spezielle Packaging-Strukturen zur Unterdrückung von SSN vorgestellt. Um eine optimale Chip-zu-Chip-Kommunikation sicherzustellen, so dass die Signalintegrität in der erforderlichen Bandbreite gewährleistet ist, ist es notwendig komplette Signalpfade (z.B. von der Chip-Package-Verbindung durch die Package- und Board-Verbindungen bis zum zweiten Chip) zu entwerfen. In diesen Vortrag wird auch gezeigt wie wir neue Methodiken entwickelt haben, um akkurate und breitbandige Modelle für solche vollständige Signalpfade in SiP Modulen ableiten zu können. Das Verfahren des "Multi-Lumped Modeling", welches bis jetzt nur für gleichförmige Leitungen (bei denen lediglich die TEM/Quasi-TEM Mode vorhanden ist) benutzt wurde, wurde hier zum ersten Mal erfolgreich angewandt, um breitbandige Modelle für vollständige Signalpfade in komplexen SiP Modulen effizient und akkurat zu entwickeln, in denen sowohl TEM/Quasi-TEM als auch höhere Moden vorhanden sind. „Multi-Lumped Modeling“ erfordert generell eine Segmentierung der Leitung, die Modellierung jedes Segments und schließlich eine Kaskadierung der Modelle zur Erhöhung der Bandbreite. Die Signalpfade in den SiP Modulen dürfen aber nur an den Orten, wo lediglich die TEM/Quasi-TEM Mode auftritt, segmentiert werden. Daher wurde zuerst eine neue Methodik entwickelt, um die wahre elektrische Länge einer Diskontinuität (z.B. Flip-Chip Verbindungen, Ecken, Vias, BGA Balls...), und damit ihre genauen Endpunkte zu bestimmen, die dadurch charakterisiert sind, dass an ihnen die Felder der höheren Moden, die an der Diskontinuität angeregt werden, verschwinden oder unbedeutend werden (Ende des Diskontinuitätseffekts). Ab dieser Grenze existiert nur noch die TEM/Quasi-TEM Mode. Basierend auf den Endpunkten der Diskontinuitäten wurden die Signalpfade zerlegt und eine hybride Modellierungsmethodologie für jedes Segment entwickelt, um sowohl die Einflüsse der TEM/Quasi-TEM als auch der höheren Moden zu berücksichtigen. Die experimentell validierten Modelle wurden dann benutzt, um Signalintegritätsanalysen in der „Pre-layout“ Phase durchzuführen. Basierend auf den Ergebnissen der Analyse wurden dann Entwurfsregeln abgeleitet, um Signalintegritätsprobleme und EMI-Belange wie Reflexionen, Verzerrungen, Einfügedämpfung, unerwünschte Kopplungen und Abstrahlung, zu reduzieren. Diese Probleme werden von geometrischen Diskontinuitäten (z.B. Vias, Leitungsknicken und BGAs) sowie von Stromrückpfaddiskontinuitäten (z.B. Schlitzen auf Masseflächen) entlang des Signalpfads hervorgerufen. Schlussendlich werden EMZ-Belange, die die Anwendung von Through-Silicon-Vias (TSVs) für eine kostengünstige, siliziumbasierte Systementwicklung einschränken, vorgestellt und Konzepte diskutiert, um diese Limitierungen zu umgehen