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Miniaturisering
In diesem Artikel geht es um das Verkleinern von Geräten usw. Zum Herstellen von maßstabsgetreuen Modellen siehe maßstabgetreues Modell.
Kosten eines Produkts (vertikal) im Vergleich zur Zeit (horizontal)

unten Miniaturisierung im Stand der Technik wird ein Verfahren verstanden, bei dem Strukturen verkleinert werden unter Beibehaltung ihrer Funktionalität und ggf. Dabei geht es um die Reduzierung von Teilen technischer Geräte und letztlich der Geräte selbst. Seit den 1980er Jahren viele technisch und Naturwissenschaft darauf gerichtete Entwicklungen. Hauptanreize hierfür sind zum einen die Forderung nach mehr Optionen und höheren Geschwindigkeiten, zum anderen die Reduzierung der Gewicht und die Abmessungen sowie die Energieverbrauch.

In dem Mikroelektronik hat dieser trend dazu geführt, dass Moores Gesetz, wonach bei der Chipherstellung die Anzahl der Transistoren auf einem Chip verdoppelt sich alle zwei Jahre. Dadurch wird einerseits die Komplexität der Komponenten und deren Entwicklungskosten sowie Leistung und Geschwindigkeit (Taktfrequenz). Um eine Zunahme von Störungen unter anderem bei der Signalübertragung zu vermeiden, ist eine kontinuierliche Erweiterung des Know-hows notwendig. Daher sind die entsprechenden Technologien gelten als Spitzentechnologien und werden in vielen Ländern von Regierungen gefördert.

Die Miniaturisierung ist vor allem aus der Forderung nach Verfeinerung der Produktionsmethoden in der Elektrotechnik, das Elektronik und der Feinmechanik, und später auch von der Optik.

Geschichte und Anwendungen

Durch die technische Miniaturisierung wurden in den letzten Jahrzehnten verschiedene neue Technologien entwickelt. Dies macht sich vor allem in der Elektronik bemerkbar. Sowohl passive elektronische Komponenten, wie z Widerstände und Kondensatoren, als aktive Komponenten, wie Transistoren und Dioden, wurde immer kleiner. Einen besonders starken Einfluss auf die Entwicklung der Elektronik hatte die Miniaturisierung von integrierte Schaltkreise. Durch die Verkleinerung der einzelnen Transistoren in einer integrierten Schaltung kann mehr Funktionalität auf derselben Fläche platziert werden, was zu einer höheren Packungsdichte und geringeren Kosten führt. Zudem reduzieren die kleineren Abmessungen die Schaltzeiten der Transistoren, was die Rechenleistung von Mikroprozessoren und erhöhen Sie den Speicherplatz von Erinnerungen. So hat sich beispielsweise die Speicherkapazität von Computern von mehreren Zehntausend erhöht Bytes in Tischrechnern aus den 1970er Jahren, über 16 bis 64 Kilobyte der ersten IBMpc, zu vielen Gigabyte bei modernen Computern.

Die Miniaturisierung integrierter Schaltkreise ermöglichte neue Anwendungen und Massenproduktion, wie z persönliche Computer, Mobiltelefone und andere Verwendungen der Hochfrequenztechnik.

Nicht nur in der Elektronik findet eine kontinuierliche Miniaturisierung statt. In der Präzisionsbearbeitungstechnik ist die Genauigkeit einiger Mikrometer (1 m = 0,001 mm = 0,000001 m oder ein Millionstel Meter) auf weniger als . verbessert werden 0,1 m, bei gleichzeitig starker Beschleunigung der Produktionsprozesse durch Robotik.

In dem Optik könnten Laser stark reduziert werden und könnte en Linsen und Spiegel werden genauer geschliffen, was zur Technik des Compact Disc. Die Entwicklung von Endoskope und von der minimalinvasive Chirurgie machte das Mikrochirurgie möglich.

Neue Felder

Grundlage vieler der genannten Entwicklungen war und ist die Herstellung kleiner elektronischer Geräte Schaltungen ("Kartoffelchips").

Mikroelektronik

Dieser neue Bereich der Elektronik vereint vor allem Miniaturisierung und Integration. Integrierte Schaltkreise vereinen zahlreiche elektronische Komponenten: Transistoren, Kondensatoren, Induktivitäten und Widerstände in einem kleinen Wafer (ein Stück a Halbleitermaterial, meist Silizium, mit einem passenden Doping). Die Leiterbahnen sind fotolithografisch angewendet. Durch die Miniaturisierung der einzelnen Komponenten kann die Schaltungsgröße immer weiter reduziert werden. Wo früher mehrere Räume für einen Computer benötigt wurden, gibt es heute integrierte Schaltkreise von mehreren mm² mit mehreren Millionen Transistoren.

Die Mikroelektronik basiert auf verschiedenen Fertigungstechniken, wie z Halbleitertechnologie und Fotolithografie. Die kontinuierliche Reduzierung von Bauteilen erfordert immer mehr Kontrolle der Qualität und Fertigungstoleranzen. Derzeit ist die Toleranz von Miniaturwiderständen (von 20 bis zu einigen kΩ) bei 10...20%. In Zukunft soll das 10 bis um 100 kΩ auf 5 % reduziert werden.

Mikrosystemtechnik

Das Mikrosystemtechnik kombiniert Mikroelektronik, Mikromechanik und Mikrooptikum Strukturen im Mikrometerbereich zu bearbeiten. Noch kleinere Abmessungen werden als . bezeichnet Nanotechnologie. Ein typisches Beispiel sind die Druckköpfe moderner Tintenstrahldrucker. Andere Beispiele sind die Beschleunigungssensoren in Airbags. Auch Herstellung von mikrochirurgischen Instrumenten und kleinen Sensoren wie CCDSensoren gehören dazu.

Mechatronik

Mechatronik an sich hat nicht direkt mit Miniaturisierung zu tun, sondern erst recht mit der Kombination von mechanica, elektrischtronica und Informationenica. Die Entwicklung und Herstellung moderner Produkte erfordert ein Wissen und eine Denkweise, die über die Grenzen der klassischen Ingenieursbereiche hinaus bereichsübergreifend ist. Typische Arbeitsbereiche sind Kommunikationselektronik (Mobiltelefone, Satelliten), Kontroll systeme vor dem Verbrennungsmotoren, Antiblockiersysteme und elektronische Diagnosesysteme für Wagens, Umwelttechnik, Medizinische Technologie, und so weiter.

Grenzen

Die kontinuierliche Reduzierung stößt an Grenzen, die durch Größen der Funktion der Geräte, der Elektronik und der electronics Mensch-Maschine-Interaktion.

Zum Beispiel die Tasten von a Tastatur haben eine gewisse Mindestgröße, um eine komfortable Bedienung zu ermöglichen. In vielen Fällen, etwa bei Mobiltelefonen, ist diese Grenze bereits fast überschritten. Mögliche Lösungen sind ausziehbare oder ausklappbare Tastaturen (wie bei einigen Notizbücher, Kameras und dergleichen), Betätigung der Tasten mit einem Stift und eine Mehrfachfunktion von Tasten. Andere Beispiele für Grenzen sind Bildschirme und zeigt: um länger damit zu arbeiten, eine Bilddiagonale von mindestens 10...12 Zoll (25...30 cm) notwendig. Kleinere Bildschirme führen bei längerer Nutzung zu Augenbeschwerden oder Überlastung der Nackenmuskulatur. Inzwischen hat sich beispielsweise bei Notebooks der Trend umgekehrt – größere (aber flachere) Formate drängen auf den Markt. Für die Darstellung einer Digitalkamera sollte die Diagonale mindestens ca 50 mm} sein. Bei manchen Kameras ist der größte Teil der Rückseite bereits vom Display eingenommen oder kann ausgeklappt werden.

Eine natürliche Grenze für die Miniaturisierung bilden die Dimensionen atomarer und molekularer Prozesse. Beispielsweise ist es nicht möglich, Transistoren herzustellen, die aus weniger als einem Atom bestehen.

Siehe auch

Externe Links