Der Begriff Mikrosystemtechnik wurde Ende der achtziger Jahre vom VDI / VDE Technologiezentrum Informationstechnik GmbH (heute in Teltow bei Berlin ansässig) erfunden. Er etablierte sich rasch, obwohl sich die Fachleute bis heute nicht einig sind, wie er korrekt zu definieren sei. Im folgenden seien verschiedene Umschreibungen wiedergegeben:

BMFT (heute BMBF, 1994): Werden Sensoren, Signalverarbeitung und Aktoren in miniaturisierter Bauform so zu einem Gesamtsystem verknüpft, dass sie »empfinden«, »entscheiden« und »reagieren« können, so spricht man von einem Mikrosystem.

Kroy (MBB, Ottobrunn, 1991): Die Mikrosystemtechnik umfasst den Entwurf, die Herstellung und Anwendung von Baugruppen, welche mehrere unterschiedlichen Funktionen integriert, die in Wechselwirkung miteinander stehen und deren charakteristische, funktionsbedingte geometrische Strukturgrößen typischerweise im Bereich von Mikrometern liegen.

Neutze (1994): Ein Mikrosystem ist ein mittels Mikrotechniken hergestelltes, miniaturisiertes, technisches, offenes und triviales System, welches wandelnde, regelnde und steuernde, sowie informationstechnische Funktionen erfüllt.

Fachausschuss Mikrosystemtechnik der VDE/VDI-Gesellschaft für Mikroelektronik (1991): Mikrosystemtechnik ist der Überbegriff für die gemeinsame Verwendung verschiedener, mindestens zweier Basistechniken. Unter diesen Basistechniken haben die folgenden drei - Mikroelektronik, Mikromechanik und Mikrooptik - einen hohen Reifegrad erreicht, der zu ihrer häufigen Anwendung in Mikrosystemen führt.

Heuberger (FhG-ISiT, 1994): Mikrosystemtechnik ist die Menge aller Techniken und Technologien für den Entwurf, die Herstellung und Anwendung von miniaturisierten Gesamtsystemen bzw. Systemmodulen.

Knoll (1995):Ein Mikrosystem ist die miniaturisierte Gesamtheit integrierter Sensor-, Signalverarbeitungs- (besser: Informationsverarbeitungs-) und Aktorkomponenten.
Mikrosystemtechnik ist die Gesamtheit aller Objekte sowie Verfahren zur Herstellung von Mikrosystemen.
Verfahren zur Herstellung von Sensor-, Elektronik- und Aktorkomponenten gehören dann zur Mikrosystemtechnik, wenn diese Einzelkomponenten in Mikrosystemen integrierbar sind, und sich die Integrations- bzw. Aufbau- und Verbindungstechniken in ihrem technischen Reifegrad nicht wesentlich von den Verfahren zur Herstellung von Komponenten unterscheiden.

Wehl (1996): Neben den anderen Definitionen, die sich nur auf das Mikrobauteil beziehen, ist es auch Inhalt der Mikrosystemtechnik, Mikrotechniken in Makrosysteme zu integrieren.

Aus der Förderbroschüre "Mikrosystemtechnik 1994-1999" des BMBF

"Das ist, als ob Sie mit Pinzetten durch das Schlüsselloch der Haustür einen Knopf an der Bettwäsche im Schlafzimmer annähen wollen. Dazu sind die Räume mit unzähligen Möbeln versperrt, um die man die Pinzetten herumführen muss. Und wehe, Sie stoßen etwas um."

So beschreibt ein Neurochirurg die bestehenden Schwierigkeiten bei Eingriffen im Hirn mit den herkömmlichen Endoskopen. Wegen der damit verbundenen Risiken können manche notwendigen Eingriffe nicht durchgeführt werden. Die Reise ins Innere des Menschen ist einerseits Gegenstand der Visionen in Medien und Zukunftsforschern in aller Welt, aber auch Ausgangspunkt für gegenwärtige reale Aufgabenstellungen in der Technikentwicklung. Für die schonende und kostengünstige medizinische Diagnostik und Therapie quasi durchs Schlüsselloch entstehen derzeit die verschiedensten Konzepte zur Bewältigung der beschriebenen Probleme, angefangen bei einzelnen Lösungen zur Verbesserung vorhandener Instrumente über aktive Endoskope bis hin zu Entwürfen von autarken Minirobotern, die sowohl beobachten und messen, als auch operieren können. Alle diese Ansätze haben eines gemeinsam: sie sind auf Miniaturisierung und eingebaute Intelligenz angewiesen, erfordern also mikrosystemtechnische Lösungen.

Mikrosysteme sind in ihrer Funktionsweise der Natur nachempfunden

Werden Sensoren, Signalverarbeitung und Aktoren in miniaturisierter Bauform so zu einem Gesamtsystem verknüpft, dass sie "empfinden", "entscheiden" und "reagieren" können, spricht man von einem Mikrosystem. Hierbei ist entscheidend, dass die Funktionen eigenständig erfolgen. Sensoren entsprechen den menschlichen Sinnesorganen, die Signalverarbeitung dem Gehirn und Aktoren den Gliedmaßen.

Mikrosysteme werden dadurch möglich, dass Mikrotechniken funktional und miniaturisiert im Aufbau kombiniert werden, so z. B. Schichttechniken aus der Elektronik, Integrierte Optik, Mikromechanik oder Enzyme als biologische Erkennungskomponenten. Zusammengefügt werden die einzelnen Komponenten (Sensoren, Signalverarbeitung, Aktoren) durch Aufbau- und Verbindungstechniken. Systemarchitekturen und Signalverarbeitungskonzepte unterstützen die Integration der Mikrotechniken. Rechnergestützte Werkzeuge für den Entwurf, die Simulation und den Test ermöglichen komplexe Produktentwicklungen. Somit ist Mikrosystemtechnik (MST) die funktionale Verknüpfung einzelner Mikrotechniken unter Anwendung der Systemtechniken zu Einheiten.

Im einzelnen werden diese Techniken in Kapitel 4 dargestellt; außerdem wird aufgezeigt, welche Entwicklungsarbeiten noch zu leisten sind, damit diese Techniken für Mikrosysteme in bestimmten Anwendungsbereichen einsetzbar sind: Sie befinden sich jeweils in unterschiedlichen "Reifezuständen". Diese Reifezustände und die wirtschaftlichen Daten, wie Seriengröße, erzielbarer Preis, Fertigungskosten, bestimmen den jeweils erreichbaren Integrationsgrad eines Mikrosystems.

Begleitend zur Entwicklung der einzelnen Techniken müssen schon im Frühstadium die Anforderungen, die sich aus der wirtschaftlichen Umsetzbarkeit ergeben, berücksichtigt werden. Somit werden übergreifende Fragestellungen wie Fertigungsmethoden, die Qualitätssicherung und Aufgaben zur Standardisierung in der Mikrosystemtechnik zunehmende Bedeutung erlangen.

Die Mikrosystemtechnik ist Bestandteil der Informationstechnik

Die meisten wirtschaftlich und technologisch interessanten Anwendungsbereiche der Informationstechnik beginnen bereits mit der Sensorik bei der Erfassung von Daten in der realen Welt, z. B. physikalischer Größen wie Temperatur, Beschleunigung, Druck oder der Konzentration bestimmter chemischer Stoffe, bis zur Einwirkung auf die reale Welt durch die Aktorik. Die Mikrosystemtechnik steht heute am Anfang einer technisch und ökonomisch vielversprechenden Entwicklung. Für die Wettbewerbsfähigkeit wichtiger Industriezweige wird Mikrosystemtechnik ein Schlüssel zur Innovation sein. Entscheidend für den ökonomischen Nutzen sind die gewählten Fertigungsverfahren in Abhängigkeit von der Losgröße. Kostenvorteile der Massenproduktion können auch dann bei Mikrosystemen mit kleinen Absatzzahlen genutzt werden, wenn standardisierte Bauteile und eine flexible Aufbau- und Verbindungstechnik zum Einsatz kommen.

Die folgenden Beispiele aus der bisherigen Förderung in Deutschland und zu künftigen Anwendungsmöglichkeiten sollen die technischen und wirtschaftlichen Potenziale der Mikrosystemtechnik verdeutlichen.

Naturwissenschaftler sind es gewohnt, den Begriff "Spektroskopie" mit Anschaffungskosten von fünfstelligen DM-Beträgen zu assoziieren. Die Mikrosystemtechnik bietet uns bereits heute Möglichkeiten, hier völlig neue Wege zu beschreiten. Das Kernforschungszentrum Karlsruhe arbeitet an der Entwicklung eines spektralen Mikroanalysegerätes, dessen Hauptkomponenten ein hochwertiges Spektrometer und Mikropumpen in LIGA-Technik (vgl. Abschnitt 4.2) sowie chemische Mikrosensoren und eine elektronische Datenverarbeitung sind. Die Außenabmessungen dieses "Mikro"-Spektrometers betragen wenige Millimeter, während das Reflexionsgitter Strukturen im Submikrometer-Bereich aufweist. Zur Untersuchung des Mediums - etwa schadstoffbelastete Gewässerproben - wird mit Hilfe einer Mikropumpe und eines Ventilsystems eine Messküvette befüllt und spektroskopiert. Mittels einer in das System integrierten Fotodiodenzeile wird das Spektrogramm bereits in elektrische Messwerte umgesetzt und vorverarbeitet. Die Anschaffungskosten sind hierfür eher im Bereich einiger tausend DM zu erwarten.

Die Silizium-Mikromechanik bietet die Möglichkeit einer monolithischen Integration von mikromechanischen und mikroelektronischen Funktionselementen. So wurde ein kapazitives Silizium-Drucksensor-Element mit signalverarbeitender CMOS-Mikroelektronik auf dem gleichen Chip entwickelt. Aus derartigen Sensorchips können intelligente Drucksensoren für die vielfältigsten Einsatzbereiche aufgebaut werden, so z.B. in einem Handmessgerät für die Kontrolle von Verbrennungsvorgängen in Abgaskaminen zur energiesparenden und umweltgerechten Prozessoptimierung oder in der Haustechnik. Zielstellung war es, Voraussetzungen zu schaffen, um anwendungsspezifische integrierte Mikrosensoren (ASIS) ähnlich den ASICs (anwendungsspezifische integrierte Schaltkreise) für mikromechanische Drucksensoren verfügbar zu machen. Diese Aufgabenstellung war nur im Verbund von Technologie- und Softwareentwicklern sowie Chip-, Sensor- und Geräteherstellern zu bewältigen.

Bei der Entwicklung der anwendungsspezifischen Mikrosensoren waren Grundlagenuntersuchungen eng mit Anwendungsaspekten zu verknüpfen. Gleichzeitig weist das ASIS-Beispiel bereits Möglichkeiten auf, wie MST-Lösungen für eine Vielzahl von Sensorherstellern verfügbar und handhabbar gemacht werden können.

Ein Mikrolaser, in dem - auf einem Siliziumsubstrat integriert - vielfältige Funktionselemente auf engstem Raum zusammenwirken, wird derzeit entwikkelt. Die Strahlung von Halbleiterlaserdioden wird über miniaturisierte optische Linsen gebündelt und regt einen Festkörperkristall zur Emission von Laserstrahlen mit vergleichsweise großer optischer Leistung an. Die geometrische Anordnung der einzelnen Elemente muss äußerst präzise erfolgen, wozu in das Substrat mechanische Positionierhilfen eingebracht werden. Eine integrierte Fotodiode und ein Temperatursensor übernehmen wichtige Funktionen bei der Strahlüberwachung und Temperaturregelung auf dem Chip. Mit dem Mikrolaser bietet sich eine Fülle verbesserter und neuer Anwendungen, wie in der optischen Messtechnik (Oberflächengütemessung, Strömungsmessung), holografischen Messtechnik oder auch LIDAR-Messtechnik (Umweltschutz, Kollisionswarnung für Schiffe, Fahrzeuge).