Miniaturisierung

Die Miniaturisierung (engl. auch downscaling) ist ein Prozess zur Verkleinerung von Strukturen unter Beibehaltung der Funktion und eventuell auch der Form.
Im engeren Sinn ist es die stetige Verkleinerung von verschiedenartigen Bauteilen technischer Geräte. Sie ist seit etwa drei Jahrzehnten ein Ziel vieler Entwicklungen in Wissenschaft und Technik. Als treibende Momente sind Wünsche nach steigender Leistung und Geschwindigkeit am wichtigsten, sowie nach Verringerung von Gewicht und Strombedarf.

In der Mikroelektronik hat dieser Trend zur Formulierung des Moor- Gesetzes geführt: bei der Chipfertigung verdopple sich alle zwei Jahre die Anzahl der Transistoren. Dadurch steigen einerseits die Komplexität der Bauteile und die Entwicklungskosten, einerseits die Leistung und die Taktfrequenz. Um die Zunahme von Störungen etwa der Signalübertragungen zu vermeiden, ist stetig wachsendes Know-how erforderlich. Deshalb zählen die entsprechenden Methoden zu den Schlüsseltechnologien und werden in vielen Staaten durch eigene Forschungsschwerpunkte gefördert.

Ausgelöst durch die Erarbeitung verfeinerter Fertigungsmethoden in der Elektrotechnik, Elektronik und Feinmechanik, hat die Miniaturisierung unter anderem folgende Entwicklung zu verzeichnen:

Kurze Erfolgsgeschichte der Miniaturisierung

Feinmechanische Bearbeitungstechnik von einigen Mikrometern (1 µm = 0,001 mm) auf unter 0,1 µm bei gleichzeitiger Beschleunigung vieler Arbeitsgänge durch Robotik
Optik: Entwicklung der Lichtfasertechnik, Verkleinerung der Laser um 1-2 Größenordnungen (dadurch z.B. Realisierung der CD-Technik), Erhöhung der möglichen Schliffgenauigkeit von Linsen und Spiegeln von etwa 0,1 µm um etwa den Faktor 10
Elektonische Bauteile: Verkleinerung von Dioden, Transistoren, integrierten Schaltkreisen (integrated circuits = IC), Kondensatoren, Analog-Digital-Wandler (ADC), Multiplexern etc. um ½ bis 1 Größenordnung pro Jahrzehnt - z.B. bei Transistoren vom mm-Bereich
- Dadurch kürzere Leiterwege, schnellere Schaltzeiten und preiswertere Produktion, welche die Entwicklung des PCs oder der Höchstfrequenztechnik erst ermöglichte
Neue, kleinere und stabilere elektronische Speicherelemente, dadurch Erhöhung der Speicherkapazität. Beispiel: Kernspeicher von Tischrechnern der 1970er einige zehntausend Byte, erste Palmtops der 1980er rund 100 kB, heutige PC-Arbeitsspeicher (Mikroprozessor) einige hundert MB
Verkleinerung von Messinstrumenten auf etwa ein Zehntel bzw. im Gewicht auf Prozent bis Promille. Extreme Beispiele in der Distanzmessung und bei GPS-Empfängern: 1970 "Geodimeter" rund 50 kg, inzwischen Infrarot unter 100g; GPS-Navigations-Empfänger 1985 ca. 50x40x40 cm, heute etwa 10x5x3 cm und sogar als "Armbanduhr"; gleichzeitig beschleunigte Messung (10-100 fach).
Medizin: Entwicklung von Endoskop, nicht-invasive und Laser-Chirurgie, Operationen unter dem Mikroskop, Mikrochirurgie

Etablierung neuer Fachgebiete

Die Basis vieler der genannten Entwicklungen war und ist die Herstellung kleiner Schaltkreise und Leiterplatten (heute z.B. Wafertechnik, Dual in-line packages usw. und die Verbindung vieler Bauteile und Funktionen zu standardisierten Chips.

Mikroelektronik

Dieses neue Teilgebiet der Elektronik kombiniert vor allem die Miniaturisierung mit der Integration

Integrierte Schaltungen (engl. integrated circuit oder kurz IC) vereinigen zahlreiche Transistoren, Kondensatoren, Spulen und Widerstände auf einem einzigen kleinen Wafer aus geschichteten Halbleitern (meist Silizium und Dotierung). Die Leiterbahnen werden fotolithografisch hergestellt.
Miniaturisierung: die technische Entwicklung erlaubt es, die Bauteile der Schaltung - und damit die ICs - in mehrjährigen Schritten zu verkleinern. und damit die Schaltung als Ganzes) werden kontinuierlich verkleinert. Heute gibt es bereits Transistoren unter 1 µm (Mikrometer). Damit sind ICs von einigen mm² mit Millionen Transistoren möglich.
Die Mikroelektronik basiert auf speziellen Methoden der Fertigung, unter anderem auf der Halbleitertechnologie und der Fotolithografie. Die stete Verkleinerung der Bauelemente erfordert zunehmende Kontrolle der Qualität und der Herstellungs-Toleranzen. Derzeit liegt z.B. jene von Miniatur-Widerständen (20 Ω bis einige kΩ) bei 10-20%; sie soll in Hinkunft für 10 Ω bis 100 kΩ auf 5% gedrückt werden.

Mikrosystemtechnik

Sie verbindet Mikroelektronik, Mikromechanik und Mikrooptik, um Strukturen im Mikrometerbereich zu bearbeiten. Bei noch kleineren Dimensionen spricht man von Nanotechnologie. Eines ihrer typischen Produkte sind die Druckköpfe moderner Bubble-Jet-Drucker. Ihre mikrometerfeinen Tintendüsen sind beheizt und teilweise mit Miniaturrechnern kombiniert. Auch die Herstellung mikro-chirurgischer Instrumente, feinster Sensoren oder CCD-Chips gehört zum heutigen Standard.

Zum Entwurf und Herstellen mikroelektronischer Schaltungen gehört auch die Bearbeitung von kristallinem Silizium oder anderen Halbleitern, sowie von speziellen Kunststoffen (z.B. LIGA-Technik).

Viele Staaten fördern die Mikrosystemtechnik durch eigene Schwerpunktprogramme von Forschungsprojekten. Jenes von Bundesministeriums für Bildung und Forschung Deutschland existiert seit 1990; inzwischen gibt es in mehereren EU-Ländern auch Schwerpunkte der sog. Nanotechnologie.

Mechatronik

Sie hat nicht direkt mit der Miniaturisierung zu tun, aber mit der engen Verknüpfung von MECHAnik, ElekTRONik und InformatIK. Sie wird an mehreren TUs und Fachhochschulen als Studium angeboten.

Die Entwicklung und Fertigung moderner Produkte verlangt vom Ingenieur ein fachübergreifendes Denken - über die Grenzen der klassischen Ingenieurgebiete hinaus. Typische Arbeitsbereiche sind etwa Kommunikationselektronik (Handys, Satelliten), KFZ-Steuerungstechnik mit ABS und elektronischer Diagnose, Umwelt- und Medizintechnik. So wurde 1995 von der FH Esslingen am Standort Göppingen der Fachbereich Mechatronik eingerichtet.

Grenzen der Miniaturisierung

Natürliche Grenzen bei der steten Verkleinerung sind durch jene Größen gegeben, die mit der Funktion der Geräte, der Elektronik und der Mensch-Maschine-Kommunikation zu tun haben. Einige seien im folgenden genannt:

Tastatur - für ein funktionelles Bedienen von Geräten müssen die Tasten eine gewisse Mindestgröße haben. In vielen Fällen - etwa bei Handye - ist diese Grenze fast erreicht.
- Gewisse Auswege bieten Möglichkeiten wie zusammenschiebbare oder ausklappbare Tastatur (bei manchen Notebooks, digitalen Kameras usw.
- oder die Bedienung miniaturisierter Tasten mit einem Stift,
- und die Mehrfachbelegung von Tasten. Eine 3-fache Belegung ist meist nicht mehr benutzerfreundlich, ebenso das mehrfache Shiften zu Zifferntasten.
Bildschirm bzw. Display: für längeres Arbeiten ist eine Schirmdiagonale von mindestens 10-12 Zoll erforderlich. Darunter kommt es zu extremer Belastung der Augen oder der Nackenmuskeln. Inzwischen hat sich der Trend etwa bei Notebooks teilweise umgekehrt - es kommen wieder größere (aber flachere) Formate auf den Markt.
- Beim Display von Digitalkameras sollten etwa 5 cm das Minimum sein. Einige Hersteller haben die Miniaturisierung so weit getrieben, dass die Kamerarückseite großteils vom Display eingenommen wird, oder es auszuklappen ist.
Die Annäherung an die Dimension von atomaren bzw. molekularen Vorgängen. Sie konnte teilweise in einem Jahrzehnt erreicht sein.
Die Grenzen durch die Erfordernisse der sog. Leistungselektronik, von minimalen Ausmaßen von Elektromotoren usw.

Siehe auch:

Liste bedeutender Erfindungen
Messtechnik, Qualitätskontrolle, Regelungstechnik
Elektronik, CCD, Mikrocontroller, Sensorik
Flip Chip, Leiterplatte, Laserlöten, Galvanik
Computerschach, DVD, Handy, Spielkonsole, Stereoanlage
Motorenbau, Kreisel- und Satellitentechnik

Einige Weblinks

[[