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2026-01-10T06:58:01Z

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{{Dieser Artikel|befasst sich mit der technischen Miniaturisierung. Für die biologische [[Verzwergung]] siehe dort.}}
{{Belege fehlen}}
Die '''Miniaturisierung''' ist ein Prozess zur Verkleinerung von Strukturen unter Beibehaltung der Funktion und eventuell auch der Form.

== Beschreibung ==
In der [[Technik]] ist damit die stetige Verkleinerung von verschiedenartigen [[Bauteil (Technik)|Bauteilen]] technischer Geräte gemeint. Sie ist seit etwa den 1960er/1970er Jahren ein Ziel vieler Entwicklungen in [[Wissenschaft]] und Technik. Treibendes Moment sind im Allgemeinen Wünsche nach steigender [[Leistung (Physik)|Leistung]], sowie nach Verringerung von [[Masse (Physik)|Masse]] und [[Energieverbrauch]].

In der [[Mikroelektronik]] hat dieser Trend zur Formulierung des [[Mooresches Gesetz|mooreschen Gesetzes]] geführt. Es beschreibt, die Beobachtung bei der Chipfertigung, dass sich alle zwei Jahre die Anzahl der Transistoren verdopple. Dadurch steigen einerseits die [[Komplexität]] der Bauteile und die Entwicklungskosten, und andererseits die Leistung und die [[Taktsignal|Taktfrequenz]]. Um die Zunahme von [[Regler|Störungen]] etwa der Signalübertragungen zu vermeiden, ist stetig wachsendes [[Know-how]] erforderlich. Deshalb zählen die entsprechenden Methoden zu den [[Schlüsseltechnologie]]n und werden in vielen Staaten durch eigene [[Forschungsschwerpunkt]]e gefördert.

== Erfolgsgeschichte ==
Ausgelöst durch die Erarbeitung verfeinerter [[Fertigung]]smethoden in der [[Elektrotechnik]], [[Elektronik]], [[Feinmechanik]] sowie der [[Halbleitertechnik|Halbleiter-]] und [[Mikrosystemtechnik]], hat die Miniaturisierung unter anderem folgende Entwicklung zu verzeichnen.
In Industrie und Forschung ermöglichte die Miniaturisierung in den letzten Jahrzehnten die Entwicklung neuer Technologien. Besonders auffällig ist diese Entwicklung in der Elektronik. Sowohl passive elektronische Bauelemente wie Widerstände und Kondensatoren als auch aktive Bauteile wie [[Transistor]]en und [[Diode]]n, wurden in der Vergangenheit immer weiter miniaturisiert. Besonders starken Einfluss auf die [[Elektronikentwickler|Elektronikentwicklung]] hat die Miniaturisierung von [[Integrierter Schaltkreis|integrierten Schaltungen]] (engl. {{lang|en|integrated circuit}}, IC).

Durch Verkleinerung der einzelnen Transistoren in integrierten Schaltungen ist es möglich, mehr Funktionalität auf der gleichen Chipfläche unterzubringen, was zu einer höheren Packungsdichte und auch zu Kostensenkungen führt. Zudem werden durch die kleineren Strukturen kürzere [[Schaltzeit]]en der Transistoren erreicht. Das führt beispielsweise zu merklicher Steigerung der Rechenleistung von [[Mikroprozessor]]en oder einer Erhöhung der Speicherkapazität. Letztere entwickelte sich in Computern von wenigen zehntausend [[Byte]] der [[Desktop-Computer|Tischrechner]] der 1970er, über die 16 bis 64 Kilobyte des ersten IBM-PC, bis hin zu vielen Giga[[byte]] großen Speichern in heutigen Computern.
Durch die Miniaturisierung integrierter Schaltungen wurden auch neue Applikationen und Massenprodukte möglich, wie der [[Personal Computer|PCs]], das multifunktionale [[Mobiltelefon]] (Handy) und andere Anwendungen der [[Hochfrequenztechnik]].

Nicht nur in der Elektronik findet eine fortschreitende Miniaturisierung statt. In der [[Feinmechanik|feinmechanischen]] Bearbeitungstechnik konnte die Genauigkeit von einigen [[Meter#Mikrometer|Mikrometern]] (1 µm = 0,001 mm) auf unter 0,1 µm bei gleichzeitiger Beschleunigung vieler Arbeitsgänge durch [[Robotik]] gesteigert werden. Doch schon in den 1930er-Jahren gab es erfolgreiche Schritte in diese Richtung, wofür der sehr kompakte, innovative [[Reisetheodolit]] [[DKM1]] von Kern-Aarau eines von vielen Beispielen ist.

In der [[Optik]] wiederum konnten die [[Laser]] stark verkleinert und [[Linse (Optik)|Linsen]] oder Spiegel mit einer höheren Schliffgenauigkeit hergestellt werden, was zum Beispiel zur Entwicklung der [[Compact Disc|CD]]-Technik geführt hat. Auch die vielfach gesteigerte Leistungsfähigkeit der heutigen astronomischen [[Riesenteleskop|Großteleskope]] gehen auf stark verfeinerte Bearbeitungsmethoden und die Pixel-Verkleinerung der [[CCD-Sensor]]en zurück.

Die Konstruktion von [[Endoskop]]en und der minimal-invasiven ([[Laser]]-)[[Chirurgie]] ermöglichte die sogenannte [[Mikrochirurgie]] in der [[Medizin]].

== Etablierung neuer Fachgebiete ==
Die Basis vieler der genannten Entwicklungen war und ist die Herstellung kleiner elektronischer Bauteile und Schaltungen und [[Leiterplatte]]n (heute z. B. [[Wafer]]technik, [[Dual in-line package]]s) und die Verbindung vieler Bauteile und Funktionen zu standardisierten Chips.

=== Mikroelektronik ===
Dieses neue Teilgebiet der Elektronik kombiniert vor allem die Miniaturisierung mit der funktionellen [[Integration (Technik)|Integration]] in zunächst [[Digitaltechnik|digitale]] [[elektrische Schaltung]]en, später auch [[Analogtechnik|analoge]] oder [[Mixed-Signal]]-Schaltungen.
Die daraus entstandenen integrierte Schaltungen vereinigen zahlreiche Transistoren, Kondensatoren, Spulen und Widerstände auf einem einzigen kleinen Träger ([[Wafer]]) aus einem [[Halbleiter]]-Material (vgl. [[Halbleitertechnik]]). Die Strukturierung von aktiven und passiven Bauelementen sowie der zur Verdrahtung notwendigen [[Leitungsbahn]]en erfolgt [[Fotolithografie (Halbleitertechnik)|fotolithografisch]] sowie weiterer Prozesse, wie [[Ätzen]] oder [[Dotierung]].

Durch die Miniaturisierung der einzelnen Komponenten wird es möglich, dass die Bauteile der Schaltung – und damit die ICs – immer mehr verkleinert werden. Während früher ein Computer noch mehrere Räume füllte, gibt es heute leistungsstärkere ICs mit mehreren Millionen Transistoren von einigen Quadratmillimeter Größe. Die Verkleinerung erfordert, wie in anderen Bereichen der Miniaturisierung auch, eine zunehmende Kontrolle der Qualität und der Herstellungs-[[Toleranz]]en. Derzeit liegt z. B. jene von Miniatur-[[Widerstand (Bauelement)|Widerständen]] (20 Ω bis einige kΩ) bei 10–20 %. Sie soll in Zukunft für 10 Ω bis 100 kΩ auf 5 % gedrückt werden. Dies hängt auch mit den gestiegenen Anforderungen an die Genauigkeit von Signallaufzeiten usw. bei immer komplexer werdenden Hochleistungsschaltungen zusammen.

=== Mikrosystemtechnik ===
Die [[Mikrosystemtechnik]] verbindet [[Mikroelektronik]], [[Mikromechanik]] und [[Mikrooptik]], um Strukturen im Mikrometerbereich zu bearbeiten. Davon zu unterscheiden ist [[Nanotechnologie]], da diese einen Paradigmenwechsel beinhaltet und nicht nur das Herunterskalieren auf den Nanometermaßstab bedeutet. Hier wird erst durch die Skalierung eine konkrete Funktion erreicht. Eines ihrer typischen Produkte sind die [[Druckkopf|Druckköpfe]] moderner [[Bubble-Jet-Drucker]]. Ihre mikrometerfeinen Tinten[[düse]]n sind beheizt und teilweise mit Miniaturrechnern kombiniert. Weitere gängige Produkte sind z. B. die integrierten [[Beschleunigungssensor]]en in [[Airbag]]s. Auch die Herstellung mikro-chirurgischer Instrumente, feinster [[Sensor]]en oder [[CCD-Sensor|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 [[Kunststoffe]]n wie z. B. dem [[LIGA (Fertigungsverfahren)]].

Viele Staaten fördern die Mikrosystemtechnik durch eigene Schwerpunktprogramme von [[Forschungsprojekt]]en. Jenes vom deutschen [[Bundesministerium für Bildung und Forschung]] existiert seit 1990; inzwischen gibt es in mehreren [[Europäische Union|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 [[Technische Universität|Technischen Universitäten]] und [[Fachhochschule]]n 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 [[Antiblockiersystem|ABS]] und elektronischer [[Diagnose]], Umwelt- und [[Medizintechnik]]. So wurde 1995 von der FH Esslingen am Standort Göppingen der Fachbereich Mechatronik eingerichtet.

== Grenzen ==
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.
Beispielsweise müssen einzelne Tasten einer [[Tastatur]] eine gewisse Mindestgröße besitzen, um eine komfortable Bedienung zu gewährleisten. In vielen Fällen ist diese Grenze fast überschritten. Mögliche Lösungen sind zusammenschiebbare oder ausklappbare Tastatur (bei manchen [[Notebook]]s, digitalen [[Kamera]]s usw.), die Bedienung miniaturisierter Tasten mit einem Stift und die [[Mehrfachbelegung]] von Tasten. Ein anderes Beispiel für die Grenzen der Miniaturisierung sind [[Bildschirm]]e bzw. [[Anzeige (Technik)|Displays]]: für längeres Arbeiten ist eine Bildschirmdiagonale von mindestens 10–12 Zoll erforderlich. Darunter kommt es zu extremer Belastung der [[Auge]]n oder der [[Nacken]]muskeln. Inzwischen hat sich der Trend etwa bei Notebooks teilweise umgekehrt – es kommen wieder größere (aber flachere) Formate auf den Markt. Beim Display von [[Digitalkamera]]s 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.

Eine weitere Grenze kann durch größenbedingte Eigenschaften mancher Bauteile entstehen: Linsen mit zu kleinem Durchmesser ergeben wegen der Beugung des Lichts an der Fassung eine zu kleine Auflösung des optischen Systems. Sendeantennen können für eine gegebene Frequenz nicht beliebig klein gebaut werden, was insbesondere für Richtantennen gilt.
Eine natürliche Grenze ist die Annäherung an die [[Abmessung|Dimension]] von atomaren bzw. [[Molekül|molekularen]] Vorgängen. So können zum Beispiel keine [[Transistor]]en hergestellt werden, die aus weniger als einem Atom bestehen.

== Weblinks ==
{{Wiktionary}}
* [https://www.isas.de/ ISAS Berlin und Dortmund]
* [http://www.agilent.de/newsroom/German/features_stories/Optisches_Tech_Center.html Mikrooptik und -Mechanik]
* [http://www.mstonline.de/ MSTONLINE]
* [http://www.iwe-1.rwth-aachen.de/ Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik – Mikrosystemtechnik] / [[Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen|RWTH Aachen]]
* [http://www.transmechatronic.de/ TransMechatronic – Das Fachportal zum Thema Mechatronik] Fördermaßnahme vom Bundesministerium für Bildung und Forschung

[[Kategorie:Technischer Fortschritt]]
[[Kategorie:Konstruktionslehre]]
[[Kategorie:Mikroelektronik]]
[[Kategorie:Mikrotechnik]]

Miniaturisierung - Versionsgeschichte

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