Prakt. Met. Sonderband 47 (2015) 51 
Spannungsanalyse und Versagen von MEMS-Strukturen 
TIE elegy A. Dommann, A. Neels 
fiery £1 Empa, Lerchenfeldstrasse 5, CH-9014 St. Gallen 
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I Einführung 
Mikrosysteme beeinflussen unser Leben immer mehr. Unsere Autos werden durch Mikrosysteme 
wie zum Beispiel Beschleunigungssensoren und Gyroskope iiberwacht; in unseren Spielen sind 
ebenfalls Beschleunigungssensoren und selbst der Herzschrittmacher wird durch einen Beschleuni- 
gungssensor gesteuert. Mikrosysteme, welche mechanische Grössen in elektrische Signale umwan- 
deln können, werden in immer grösseren Mengen in eine Vielzahl von Geräten eingebaut. Damit 
hat man Mikrosysteme, die in Millionen Stückzahlen gebaut werden und die ihre Zuverlässigkeit in 
Autos, Flugzeugen, Spielkonsolen und Handys bereits unter Beweis gestellt haben. Trotzdem gibt 
es aber immer noch Bereiche, in denen sich die Mikrosysteme noch nicht durchgesetzt haben wie 
zum Beispiel in der Weltraumfahrt aber vor allem auch in der Medizinaltechnik. In der Medizinal- 
technik werden in Zukunft immer mehr elektronische Komponenten verwendet. In der Diagnostik 
sind Geräte wie NMR, Röntgen- und Bestrahlungsanlagen ohne Elektronik nicht mehr wegzuden- 
ken. In zunehmendem Maße werden elektronische Bauteile direkt in den Körper implantiert, sei es 
für Herzschrittmacher, Insulinpumpen, Innenohrprothesen für Schwerhörige (Cochleaimplantat), 
Drucksensoren für Magenbänder oder Sensorik ganz allgemein zur Überwachung des Gesundheits- 
zustandes. Der Transfer von der Automobil- zur Medizinaltechnik oder Anwendungen in der Welt- 
raumfahrt ist nicht einfach. Ein Kernproblem stellt sicherlich die Zuverlässigkeit bei kleinen Stück- 
zahlen dar. Sowohl in der Medizinaltechnik als auch in der Weltraumfahrt kommen wir nicht auf 
ausreichend grosse Stückzahlen die es erlauben würden, statistische Betrachtungen über die Aus- 
fallmechanismen anzustellen. Deshalb können Spannungsanalysen mittels höchstauflösender Rönt- 
genanalytik massgeblich beitragen, Defekte und Relaxationsmechanismen, welche zum Versagen 
von MEMS-Strukturen führen, zu studieren. Mittels der höchstauflösenden Röntgenanalytik kann 
ein Verständnis der Schadensmechanismen entwickelt werden, welches sowohl für die Auslegung 
wie auch die Produktion von MEMS Strukturen hilfreich ist. 
2 Strategien die es erlauben, eine kostenintensive Einzellösung zu umgehen 
Es gibt im Wesentlichen 2 Strategien um kostenintensive Einzellösungen zu umgehen: 
1. Das Verwenden von bestehenden Standart-Komponenten wie Drucksensoren oder Beschleuni- 
gungssensoren combiniert mit neuen Packaging-Techniken und 
2. die Entwicklung physikalischer Modelle, die auf atomistischer Basis die Alterungsprozesse be- 
schreiben können. 
2.1 Physikalische Modelle 
Wenn es gelingt, physikalische Modelle zu definieren, die auf atomistischer Basis die Alterungs- 
prozesse beschreiben können, kann die Anzahl der Versuche und das Risiko für Nischenmärkte wie 
die Medizinal- und Weltraumtechnik reduziert werden, Die Untersuchung der Systeme betreffend 
physikalischer und elektrischer Parameter stellt große Anforderungen an die Leistungsfähigkeit der