Tiefer Einblick in MEMS-Aktuierungs- und Sensormechanismen: Leitfaden für fortschrittliches Sensordesign

Zusammenfassung

In den letzten Jahrzehnten ist die Weiterentwicklung von Mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) stark gefragt, um ökonomisch miniaturisierte Sensoren mit Fertigungstechnologie zu integrieren. Ein Sensor ist ein System, das multiple physikalische Eingaben detektiert und in analoge oder digitale Signale umwandelt. MEMS eignet sich hervorragend für miniaturisierte Sensoren aufgrund kleiner Abmessungen, geringem Energieverbrauch, überlegener Leistung und Batch-Fertigung. Dieser Artikel stellt aktuelle Entwicklungen bei Standard-Aktuierungs- und Sensormechanismen für MEMS-basierte Geräte vor, die voraussichtlich fast alle Produktkategorien revolutionieren werden. Die Prinzipien der Aktuierung, Sensormechanismen und reale Anwendungen werden diskutiert. Ein fundiertes Verständnis der Aktuierungs- und Sensormechanismen spielt eine entscheidende Rolle bei der effektiven Auswahl für neuartige und komplexe Anwendungsdesigns.

Einleitung

Sensoren und Aktoren werden gemeinsam als Wandler bezeichnet, die Signale oder Leistung von einer Energiedomäne in eine andere transformieren. Eine Vielzahl von Wandlern wandelt physikalische Signale in elektrische Signale (Sensoren) um; die Ausgangssignale werden durch integrierte Schaltkreise (ICs) weiterverarbeitet, während Aktoren elektrische Signale in physikalische Signale umsetzen. Sensoren detektieren und überwachen physikalische Phänomene (Vibration, Druck, Strömung) oder Zusammensetzungsänderungen (elektrische Leitfähigkeit, pH). Sie wandeln Änderungen in eine Form um, die zur Kennzeichnung oder Steuerung gemessener Variablen genutzt werden kann. Aktoren erzeugen mechanische Bewegung und Kraft/Drehmoment. Sensoren bestehen aus drei Teilen: Sensorelement zur Detektion physikalisch-chemischer Größen, Wandler zur Umwandlung in ein elektrisches Signal und Auslesegerät (z. B. Computer) zur Interpretation.

Die Sensorleistung wird durch Parameter wie Empfindlichkeit, Auflösung und Genauigkeit bewertet. Die Empfindlichkeit bestimmt die minimal nachweisbare Zielstoffkonzentration. Die Auflösung ist das Verhältnis zwischen maximalem Messwert und kleinstem auflösbarem Teil. Die Genauigkeit beschreibt die Messunsicherheit bezüglich eines absoluten Standards und beeinflusst die qualitative Analyse direkt. Der Nachweisgrenzenwert (LOD) ist die niedrigste Menge eines Stoffes, die der Sensor unterscheiden kann. Die Ansprechzeit ist der Zeitraum, bis der Sensor bei Erreichen eines Konzentrationsgrenzwerts ein Warnsignal ausgibt; die Erholungszeit ist die Dauer bis zur Wiederherstellung des Basislinienstatus nach der Detektion.

Fortschritte in der Mikroelektronik-Fertigung haben in den letzten Jahrzehnten leistungsfähige, präzise und hochperformante Gerätesysteme hervorgebracht. Technologie wurde so weit miniaturisiert, dass Geräte für das menschliche Auge unsichtbar sind. MEMS umfasst die Innovation winziger Geräte, die als Sensoren oder Aktoren fungieren. Die kontinuierliche MEMS-Entwicklung verspricht optimierte, kostensparende miniaturisierte Elektronik. Typische MEMS-Abmessungen liegen im Zehner- bis Hunderter-Mikrometerbereich. Mit denselben Fertigungsmethoden wie Mikroprozessoren können Sensoren und Aktoren auf Chipebene hergestellt werden. Neuere Entwicklungen demonstrieren mikromaßstäbliche Batch-Fertigung von Druck-, Temperatur-, Trägheitssensoren usw. Ein präzise auf einem Chip integriertes System ermöglicht den Betrieb komplexer Systeme.

MEMS ist eine Technologie, die Halbleitermaterialien nutzt und mechanische Komponenten, Sensoren, Aktoren und elektronische Elemente auf einem Siliziumsubstrat mit Strukturgroßen von Millimetern bis Mikrometern integriert. Diese Systeme können Sensieren, Steuern und Aktuieren im Mikromaßstab ausführen, einzeln oder gebündelt, um makroskopische Effekte zu erzeugen. MEMS kombiniert Mikroelektronik mit Mikrobearbeitung auf Si-Wafern zu typischen Metalloxid-Halbleiterbauelementen. In jüngster Zeit hat sich MEMS stark für verschiedene natürliche Sensoren und Aktoren entwickelt und wird aufgrund niedriger Leistungsaufnahme, schneller Ansprache, Array-Fertigung, Einfachheit, Kostengünstigkeit und verbesserter Empfindlichkeit breit in miniaturisierter Sensorherstellung eingesetzt. Das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen des Sensormaterials hat sich erheblich erhöht, was die Betriebstemperatur von Metalloxid-Sensoren senkte und die Nachfrage nach Expansionsmaterialien steigerte.

Kürzlich wurden Metalloxid-Sensoren wie TiO₂, SnO₂ und ZnO attraktiv für Gasdetektion. Das Funktionsprinzip von Metalloxid-Halbleitern (MOS) basiert auf der Widerstandsänderung bei Exposition gegenüber Analytgasen. Hohe Empfindlichkeit wird jedoch oft nur bei erhöhten Betriebstemperaturen erreicht, zudem bestehen Selektivitätsprobleme. Ein alternativer Ansatz kombiniert MOS mit Edelmetall-Nanopartikeln (Au, Ag, Pd, Pt), um diese Hürden durch chemische und elektronische Sensibilisierung zu überwinden.

MEMS-Geräte können bei MEMSCAP US via MUMPs (Multi-User MEMS Processes) gefertigt werden. MUMPs ist ein kommerzielles Programm für praxisnahe MEMS-Fertigung für Industrie und Forschung. MEMSCAP bietet drei Standardverfahren: PolyMUMPs (dreischichtiges Polysilizium-Oberflächen-Mikrofertigungsverfahren), MetalMUMPs (galvanisches Nickel) und SOIMUMPs (Silicon-on-Insulator). MEMS-Prozesse entwickelten sich aus Halbleiterfertigung: Abscheidung, Strukturierung und Ätzen von Materialschichten. Trotz Fertigungstechnologie werden MEMS-Sensoren breit in industriellen und häuslichen Anwendungen als Instrumentierung oder für menschliche Komfortfragen eingesetzt. Aufgrund diverser Betriebsbedingungen in verschiedenen Anwendungsfeldern (intern bis outdoor) wurden unterschiedliche MEMS-Sensoren nach verschiedenen Arbeitsprinzipien und Materialien modelliert. MEMS-Sensoren sind essenziell in Gassensorsystemen, einschließlich Feuchte- und Giftgassensoren.

MEMS ist ein breites Feld, das fast jeden Aspekt unseres Lebens als Sensoren und Aktoren abdeckt. Die aufstrebenden Bereiche elektronischer Mikrosysteme, einschließlich fast aller Produktkategorien in miniaturisierter Form, haben eine rasante Entwicklung bei Aktuierungs- und Sensortechniken in Produktion und Integration bewirkt. Die Wirksamkeit einer zielgerichteten Anwendung hängt kritisch von der richtigen Auswahl eines spezifischen Aktors ab. Die grundlegende Effizienz des Aktors hängt von Faktoren wie Energie- und Steuerungsmethoden, Kompatibilität, Verpackungsgrad und Kosteneffizienz ab. Dieser Artikel bietet eine gründliche Analyse der für funktionale Anwendungen untersuchten MEMS-Aktuierungs- und Sensortechnologien, mit Schwerpunkt auf gängigen Transduktionsformen, um die Weiterentwicklung dieses aufstrebenden Bereichs zu fördern. Der Rest des Artikels ist wie folgt gegliedert: Abschnitt II führt in MEMS ein. Abschnitt III gibt einen Überblick über Aktuierungsmechanismen (elektrostatisch, elektrothermisch, elektromagnetisch, piezoelektrisch). Abschnitt IV behandelt Sensormechanismen (piezoresistiv, kapazitiv, optisch). Abschnitt V diskutiert Aussichten MEMS-basierter Geräte, Abschnitt VI fasst Schlussfolgerungen und zukünftige Trends zusammen.

Mikroelektromechanische Systeme (MEMS)

Der erste Hinweis auf heutige MEMS-Technologie geht auf April 1954 zurück, als Smith in den Bell Telephone Labs eine Arbeit über spannungsempfindliche Effekte in Silicium und Germanium (Piezowiderstände) veröffentlichte. MEMS ist nicht die einzig treffende Abkürzung wegen der enormen Vielfalt miniaturisierter Geräte und Systeme. Dennoch wird MEMS am häufigsten für das gesamte Feld verwendet (alle Geräte aus Mikrobearbeitung außer IC), in den USA auch als Microelectromechanical oder Microelectronic and MEMS geschrieben. Andere Bezeichnungen sind Microsystems Technology (MST) in Europa und Micromechanics in Asien. MEMS-Geräte decken ein breites Spektrum ab, um Informationen aus der Umgebung zu messen und in nützliche elektrische Signale umzuwandeln. Es gibt sechs Hauptenergiedomänen:

1. Elektrische Domäne (elektrisches Feld, Strom, Spannung, Widerstand, Ladung, Kapazität, Induktivität, Dielektrizitätskonstante, Polarisation, Frequenz)
2. Chemische Domäne (Zusammensetzung, Reaktionsrate, Konzentration, pH, Oxidations-/Reduktionspotenzial)
3. Mechanische Domäne (Länge, Breite, Fläche, Ableitungen wie Geschwindigkeit, Beschleunigung, Massenstrom, Volumen, Kraft, Druck, Drehmoment, akustische Wellenlänge und -intensität)
4. Thermische Domäne (Temperatur, Fluss, Wärme, spezifische Wärme, Entropie, Aggregatzustand)
5. Strahlungsdomäne (Intensität, Phase, Polarisation, Wellenlänge, Reflexion, Transmission, Brechungsindex)
6. Magnetische Domäne (Feldstärke, Permeabilität, Flussdichte, magnetisches Moment)

Diese Energiedomänen und gängige Parameter sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Die Gesamtenergie eines Systems kann in mehreren Domänen koexistieren und unter geeigneten Bedingungen zwischen ihnen wechseln.

Je nach Funktion des Chips lassen sich MEMS in Kategorien einteilen: Sensoren für Messung, Überwachung und Detektion gefährlicher Gase; Aktoren, die auf den Körper oder Körperflüssigkeiten einwirken (z. B. Drug Delivery) oder außerhalb des Körpers agieren. Basierend auf Kernanwendungsbereichen werden MEMS in vier Kategorien unterteilt (Abb. 1): Fluidik, Hochfrequenz (RF), Optik und Bio-MEMS.

Für die meisten aktuellen Technologien sind MEMS-Sensoren ein bevorzugtes neues Feld für praktische Anwendungen von Consumer Electronics bis zur Luftfahrt. Das wichtigste Merkmal ist die Fähigkeit zur effektiven Kommunikation mit elektrischen Komponenten in Halbleiterchips; die Sensorindustrie wurde durch MEMS revolutioniert, indem elektronische Funktionen und mechanische Aktionen kombiniert wurden. Sie verbrauchen wenig Energie und weisen hohe Empfindlichkeit aufgrund kleiner Größe auf. MEMS-basierte Sensoren bieten viele Vorteile: niedrige Kosten durch Array-Fertigungspotenzial, geringen Stromverbrauch, kleine Größe, Leichtgewicht, hohe Auflösung, stabile Leistung und einfache Integration. Mikromechanische Geräte fanden Verbesserungen in Trägheitssensoren, Chemiesensoren, Tintenstrahldruckern, Gyroskopen, Satelliten, RF-Kommunikation, Smartphones, Drucksensoren, Beschleunigungsmessern, biomedizinischer Instrumentierung, militärischen Anwendungen, Kraft- und Bewegungssensoren. Die niedrigen Kosten und die Einfachheit der Fertigung spielen eine entscheidende Rolle in der kommerziellen Produktion.

Nach Funktionsprinzip lassen sich Sensoren in statische und dynamische Betriebsmodi unterteilen. Im statischen Modus ist kein Frequenzsignal enthalten; der Balken biegt sich durch adsorbierte Massen auf der Oberfläche, was temporäre Spannungen und strukturelle Verformungen verursacht, die optisch oder durch Piezowiderstandsänderungen detektiert werden. Chemische Bindungen auf der Geräteoberfläche und interne Nanomechanik können den MEMS-Balken biegen. Im dynamischen Modus wird zur optimalen Leistung eine mechanische Resonanzfrequenz angeregt. Die Resonanzfrequenz wird durch die Federkonstante des Balkens und seine effektive Masse bestimmt und ändert sich mit diesen Parametern. Das Prinzip nutzt die Änderung der Resonanzfrequenz als Detektionsmittel. Der Gütefaktor muss hoch sein für gewünschte Empfindlichkeit und Auflösung. Das Verständnis und der Vergleich dieser Mechanismen ist essenziell, da sie die Basis des Betriebs und der Ausgangssignaldetektion MEMS-basierter Geräte bilden.

Aktuierungstechniken

Aktuierungstechnik bezeichnet den Mechanismus, der Eingangsenergie in Mikrostruktur-Bewegung umwandelt. Es gibt verschiedene Prinzipien und Ansätze zur Aktuierung von MEMS-Geräten, die wichtigsten sind: elektrostatische Aktuierung, elektrothermische Aktuierung, elektromagnetische Aktuierung und piezoelektrische Aktuierung (Abb. 2). CMOS-MEMS-Sensoren sind für elektrostatische Aktuierung mit Plattenkondensatoren oder elektrothermische Aktuierung mit Mikroheizern ausgelegt. PolyMUMPs- und MetalMUMPs-Geräte nutzen elektrothermische Aktuierung mit eingebetteten Mikroheizern.

MEMS-Geräte können durch Anlegen einer sinusförmigen Kraft F(t) über eine der genannten Methoden actuiert werden. Gleichung (1) beschreibt die allgemeine Bewegungsgleichung: M ist die Gesamtmasse der oberen Platte, b der Dämpfungskoeffizient, k die Federkonstante des flexiblen Balkens.

M·γ̈ + b·γ̇ + k·γ = F(t)   (1)

wobei F die Amplitude der externen Antriebskraft in z-Richtung ist; γ̈, γ̇ und γ sind Beschleunigung, Geschwindigkeit und Verschiebung der Masse.

Elektrostatische Aktoren sind weit verbreitet: schnelle Ansprechzeit, geringer Energieverbrauch. Elektrothermische Aktoren bieten große Antriebskraft und Verschiebung bei niedriger Antriebsspannung. Elektromagnetische Aktoren punkten mit schneller Ansprache und großer Verschiebung. Piezoelektrische Aktoren haben hohe Empfindlichkeit, aber kleine Antriebskraft und Verschiebung pro Volteinheit. Ein gutes Verständnis der Prinzipien ist essenziell für hochperformante Geräte.

Elektrostatische Aktuierung

Die Hauptquelle ist das elektrische Feld eines Kondensators, basierend auf der Anziehungskraft zwischen zwei parallel geladenen Platten mit entgegengesetzten Ladungen (Coulombsches Gesetz). Elektrostatische Aktuierung ist einer der populärsten Mechanismen für MEMS: simples Design, schnelle Ansprechzeit, einfache Fertigung, geringer Energieverbrauch. Nachteile sind Nichtlinearität und hohe Antriebsspannung. Zwei Hauptformen: Parallelplattenkondensator und Kammstruktur (interdigitalisierte oder nicht-interdigitalisierte Finger). Beim konventionellen Parallelplatten-Aktor (Abb. 3) hat die obere bewegliche Platte eine Polarität, die untere feste die entgegengesetzte. Die Verschiebung hängt von der Spannungsdifferenz ab. Gleichartige Ladungen stoßen ab, ungleichartige ziehen an. Aktuierung erfolgt durch periodisches Ändern der Ladung auf der beweglichen Platte.

Pull-in-Instabilität ist ein Hauptproblem bei parallelplattengetriebener elektrostatischer Aktuierung, da die feste Platte direkt unter dem Mikrobalken liegt und statische Reibung zum Kollaps führt. Kammantriebe bestehen aus zwei Kammensätzen mit interdigitalisierten Fingerstrukturen (Abb. 4). Sie liegen meist parallel zum Substrat; eine Kammstruktur ist fest, die andere mit flexiblen Strukturen (Federn) verbunden. Durch Anlegen unterschiedlicher Spannungen ziehen sich die Kämme durch Randfelder an. Parallelplattenkondensatoren erzeugen pro Flächeneinheit stärkere Kräfte durch größere Überlappkapazität, aber Designer bevorzugen Kammaktoren wegen größerer Verschiebung (einige zehn Mikrometer) und verschiebungsunabhängiger Kraft. Elektrostatische Aktuierung findet breite Anwendung: mikromechanische Aktoren, Biosensoren, Feuchtesensoren, Partikel- und Massensensoren, MEMS-Nanopositionierung, RF-MEMS-Schalter, rauscharmes MEMS-Oszillatoren, Navigation (Auto-GPS), Gyroskope, Biomarker-Detektion in Atemluft, massensensitive Gassensoren. Auch ein theoretisches Modell für elektrostatisch actuierte kapazitive CMOS-MEMS-Sensoren zum nicht-invasiven Diabetes-Screening via Acetondetektion in Atemluft (Chitosan als Sensormaterial) wurde berichtet, mit optimierter Empfindlichkeit von 0,042–0,26 pm/ppm.

Um ein MEMS-Gerät in Resonanz oder Schwingungsmodus zu versetzen, muss eine Wechselspannung zwischen Stator- und Rotorplatten angelegt werden. Standard-Antriebsmodi: einfache Wechselspannung (V₁sin ωt), Wechselspannung mit DC-Bias (V₀ + V₁sin ωt) und Push-Pull-Antrieb (Abb. 5). Push-Pull gilt als beste Lösung, da strukturelle Kräfte auf beide Seiten des Rotors wirken und ideal für Kammantriebsschemata ist.

Elektrothermische Aktuierung

Elektrothermische Techniken werdenmostly in MEMS-Antrieben, selten in Sensoranwendungen eingesetzt. Das Prinzip eignet sich für flexible Konfigurationen zur Erzeugung gewünschter Verschiebungen. Der Antrieb erfolgt durch Wechselstrom durch die Anschlüsse des eingebetteten Mikroheizers aufgrund der thermischen Kraft als Reaktion auf den Temperaturunterschied verschiedener Schichten. Der Mikroheizer besteht aus verschiedenen Materials schichten und arbeitet bei erhöhten Temperaturen. Bei angelegtem Wechselstrom steigt die Temperatur; durch den Missmatch der thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE) dehnen sich Materialien aus, was thermische Spannungen und Biegung verursacht. Kühlung erfolgt durch Wärmeleitung zum Substrat und Konvektion an die Umgebungsluft (oder Flüssigkeit).

Temperaturänderungen beeinflussen das Gerät zweifach: (1) dimensionsänderungen oder interne Spannungen, (2) temperaturabhängige Materialeigenschaften. Der Strom muss auf den Mikroheizer konzentriert werden. Ein spezifischer Strom durch den Widerstand erzeugt die gewünschte Wärme bei geringer Leistungsaufnahme und schneller Ansprechzeit. Die elektrothermische Kraft lässt sich durch Gleichung (2) beschreiben:

F_th = α_T · A · E · (T - T₀)   (2)

wobei α_T der CTE, E der Elastizitätsmodul, A der Querschnittsfläche, T die Endtemperatur und T₀ die Anfangstemperatur ist. Für Mikroheizer werden verschiedene Materialien verwendet; Platin und Gold bieten beste Leistung, Genauigkeit, breitem Temperaturbereich und Stabilität, sind aber kostspielig. Aluminium eignet sich auch für Temperatursensoren. Abbildung 6 zeigt gängige Mechanismen: U-Balken-Aktor (heißer/kalter Arm), Bimorph-Aktor (Zweimaterial-Aktor) und Knickaktoren (V-Balken-Aktor oder Shuttle-Balken).

U-Balken-Aktoren (heißer/kalter Arm) bestehen aus schmalem Arm (heiß), breitem Arm (kalt), Anker und Kontaktpads. Sie dienen hauptsächlich zur In-Plane-Aktuierung. Das Prinzip: Differenzspannung an den Kontaktpads → Strom fließt durch Arme → heißer Arm (höherer Widerstand) erwärmt sich stärker durch höhere Stromdichte → stärkeres Ausdehnen → differentiale Dehnung → Ablenkung des Gesamtgeräts.

Bimorph-Aktoren bestehen aus zwei unterschiedlich thermisch expandierenden Materialien, die miteinander verbunden sind. Sie werden typischerweise für Out-of-Plane-Aktuierung genutzt. Stromdurchgang erhöht Temperatur → unterschiedliche Ausdehnung → thermische Spannung → Biegung.

Thermische Knickaktoren (V-Balken oder Shuttle-Balken) mit Ankern und Kontaktpads dienen primär zur In-Plane-/Lateralaktuierung. Stromfluss → Joulesche Erwärmung → thermische Ausdehnung → Vorwärtsbewegung des Shuttles oder Mittelbalkens in Richtung geringsten Widerstands.

In der Praxis werden die meisten thermisch actuierten MEMS-Geräte nahe ihrer Eigenfrequenz betrieben, daher ist deren Berechnung essenziell. Elektrothermische Aktuierung gewinnt an Popularität durch große Antriebskraft und Verschiebung bei sehr niedriger Erregerspannung, was mit anderen Strategien bei ähnlichen Abmessungen nicht erreichbar ist. Vorteile: große Verschiebung, einfache Fertigung, große Kraft, relativ niedrige Anlegespannung. Nachteile: hoher Strombedarf, Niedervoltverstärker nötig, hoher Energieverbrauch durch Joulesche Wärme, Empfindlichkeit gegenüber Umgebungs- temperatur, erhitzungsbedingte Nachteile für benachbarte Elektronik und Verpackung.

Zahlreiche electrothermische Aktuierungstypen wurden entwickelt: Heißer/kalter Arm, Bimorph/Zweimaterial, thermischer Knickaktor. Referenz [101] untersuchte Mikrohebel-Schwingungen unter thermischer Aktuierung mit Bimorph. Referenz [102] schlug ein strukturiertes Verfahren für Polysilizium-Mikroring-Thermalaktuierung (RTA) via MUMPs vor. Ein thermisch actuierter Mikrohebel wurde für Vakuum oder Fluid (Gas/Flüssigkeit) entworfen mit analytischer Lösung. Dennis et al. fertigten ein CMOS-MEMS-System mit eingebauten Mikroheizern (40–80 °C) für Feuchtemessung mittels TiO₂-Nanopartikeln als Sensormaterial. Der Sensor arbeitete im dynamischen Modus mit elektrothermischer Aktuierung und piezoresistiver (PZR) Auslesung über Wheatstone-Brücke. Die Ausgangsspannung stieg von 0,585 auf 30,580 mV bei Feuchteerhöhung von 35 % auf 95 % RH. Die Empfindlichkeit stieg linear von 0,102 auf 0,501 mV/% RH bei Temperaturerhöhung von 40 auf 80 °C; maximale Hysterese 0,87 % RH bei 80 % RH. Almur et al. modellierten ein MetalMUMPs-Acetondampf-Sensorsystem mit elektrothermischer Aktuierung und kapazitiver Sensierung. Die Ausgangsspannungsänderung stieg linear mit Acetonkonzentration (100–500 ppm) bei 0,65 mV/ppm. Durch die dicke Nickelschicht bei MetalMUMPs wies das Gerät sehr hohe Masse (4,7×10⁻⁸ kg) und geringe Massensensitivität (0,118 MHz/pg) auf.

Elektromagnetische Aktuierung

Elektromagnetische Antriebe werden seit langem in Sensorik und Antrieb großskaliger Anwendungen (Lautsprecher) genutzt. Die Technik nutzt Strom, um magnetische Effekte zu erzeugen. Die elektromagnetische Kraft (Lorentzkraft) wirkt auf den Resonator durch Anlegen von Wechselstrom an eine im Resonator integrierte Spule/Induktor (Abb. 7). Lorentzkraft ist die Kraft auf eine Punktladung durch kombinierte elektrische und magnetische Kräfte. Elektromagnetische Aktuierung wurde auch als Leitfaden für andere Techniken (elektrostatisch, elektrothermisch) genutzt. Fließt ein Strom I durch einen Leiter in einem externen Magnetfeld B, induziert dies eine Lorentzkraft F_L gemäß Gleichung (3):

F⃗_L = L·I⃗ × B⃗   (3)

wobei L die Leiterlänge und × das Kreuzprodukt ist. Der Strom im Leiter innerhalb des Magnetfelds erzeugt eine elektromagnetische Kraft senkrecht zu Strom und Magnetfeld, proportional zu Strom, magnetischer Flussdichte und Mikrobalkenlänge. Durch die Wechselwirkung zwischen Strom, Magnet und Magnetfeld entsteht eine mechanische Verschiebung am Mikrobalken. Beispiel: elektromagnetische Aktuierung eines Mikrobalkens in externem Magnetfeld durch Stromfluss (Abb. 7a). Wechselstrom durch das Gerät auf dem Mikrobalken kann Out-of-Plane-Resonatoren anregen (Abb. 7b). Werden Lorentzkräfte gleicher Größe und entgegengesetzter Richtung auf verschiedenen Spulenteilen erzeugt, heben sie sich auf. Abb. 7c kann jedoch eine Netto-Bewegung zur Aktuierung induzieren.

Elektromagnetische Aktuierung bietet viele Vorteile: große Verschiebung ohne nichtlineare Effekte, niedrigere Spannungen (strom- statt spannungsgetrieben), hohe Reproduzierbarkeit, schnelle Ansprache, hohe Genauigkeit, einfache Steuerung. Für MEMS-Anwendungen ist sie die beste Wahl für maximales Antriebsmoment pro Gerätegröße. Nachteile: hoher Stromverbrauch, komplexe Fertigung (induktive Teile für magnetischen Fluss, Spulenherstellung, magnetische Materialabscheidung). Diese konstruktiven Schwierigkeiten limitierten magnetische Aktuierungsanwendungen. Dennoch gibt es erfolgreiche Beispiele: MEMS-Schalter, optische Schalter, Mikroscanner, Gyroskope, Relais. Auch magnetische Mikrosensoren im kommerziellen 0,35-µm-CMOS-Prozess wurden untersucht. Barba et al. entwarfen elektromagnetisch actuierte MEMS-Hebel zur Minimierung parasitärer Phänomene mit Bor-dotiertem Silicium. Ein elektromagnetisch und piezoelektrisch actuierter, piezoresistiv gesenseter CMOS-MEMS-Sensor für Feuchtemessung mit ZnO-Nanodrähten (6 µm/Chitosan-SAMs) erreichte 83,3 ppm Empfindlichkeit.

Piezoelektrische Aktuierung

Der piezoelektrische Effekt beschreibt die Fähigkeit bestimmter Materialien, elektrische Spannung als Reaktion auf mechanische Spannung zu erzeugen. Entdeckt 1880 von den Brüdern Curie; „Piezo“ stammt vom griechischen „drücken“. Ein piezoelektrischer Aktor wandelt angelegte Spannung in mechanische Bewegung/Verformung um. Piezoelektrische Materialien wie Quarz, Zinkoxid, Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) und Polyvinylidenfluorid (PVDF) werden in Sensoren und Aktoren auf Makro- und MEMS-Skala eingesetzt, jedoch ist das Sensieren mangels DC-Ansprechens begrenzt. Piezoelektrische Materialien verhalten sich elektrisch als Isolatoren und müssen zwischen zwei leitenden Elektroden platziert werden, um Ladung zu sammeln oder ein elektrisches Feld anzulegen (interdigitalisierte Elektroden oder Sandwichstruktur).

Bei MEMS-Geräten basiert das Prinzip der piezoelektrischen Aktuierung auf einer dünnen piezoelektrischen Schicht, die als Teil des MEMS-Balkens zwischen flexiblen Strukturen abgeschieden wird (Abb. 8). Wird eine Spannung an die piezoelektrische Schicht angelegt, dehnt sich das Material gemäß der Polarisation der Spannung aus, was eine axiale Biegung über die Länge des flexiblen Balkens verursacht.

Piezoelektrische Aktoren bieten viele Vorteile: hohe Ausgangskraft, gutes Betriebsbandbreite, sehr kompakte Größe, geringes Gewicht, niedriger Energieverbrauch, schnelle Ansprache. Ihre Eigenschaften sind seit Jahrzehnten bekannt; erste Sensoren nutzten piezoelektrische Aktuierung und sind heute noch im Einsatz. Hauptnachteile: kleine Verschiebungen, hohe Temperaturempfindlichkeit, nichtlinearer Arbeitsbereich und Hysteres begrenzen den breiten Anwendungsbereich. Piezoelektrische Materialien sind spröde, werden selten allein genutzt, sondern oft mit flexiblen Strukturen für Aktuierungs- und Sensoranwendungen kombiniert. Es gibt zahlreiche Arbeiten zur piezoelektrischen Aktuierung, z. B. piezoresistive Mikrohebel für Umgebungsanwendungen (Feuchtesensorik). Mahdavi et al. schlugen präzise Taupunktsmessungen mit Thin-Film Piezoelectric-on-Silicon (TPoS) Resonatoren und ZnO-Nanodrähten vor (Empfindlichkeit 16,9–83,3 ppm bei Ansprechzeiten 46 s/167 s). Massensensitivität basierend auf piezoelektrischer Anregung für Chemosensorik und piezoelektrische Transduktion von Flexuralmodus-Siliziumresonatoren für effiziente Temperaturkompensation wurden berichtet. Resonanzgassensoren mit piezoelektrischen MEMS für Verteidigungsanwendungen wurden vorgestellt.

Diskussion der Aktuierungstechniken

Verschiedene MEMS-Aktoren erfordern unterschiedliche Antriebselektronik. Wie erwähnt, gibt es verschiedene Prinzipien: elektrostatisch, elektrothermisch, elektromagnetisch, piezoelektrisch. Elektrostatische Aktoren sind traditionell und sehr populär: simples Design, schnelle Ansprechzeit, einfache Fertigung, geringer Energieverbrauch. Hauptproblem: Nichtlinearität und hohe Antriebsspannung. Elektrothermische Aktoren benötigen niedrigen Widerstand für ihre Antriebsquellen und hohe Ströme statt hoher Spannungen. Hochspannungsverstärker sind für elektrothermische MEMS-Aktoren nicht besonders geeignet; stattdessen werden Niedervolt-Hochstromquellen benötigt. Natürlich funktioniert es auch, wenn der Ausgangsstrom des Hochspannungsverstärkers groß genug ist, aber es ist nicht energieeffizient oder kosteneffektiv. Für MEMS-Anwendungen ist elektromagnetische Technologie die beste Wahl für maximales Antriebsmoment pro Gerätegröße. Nachteile: hoher Stromverbrauch, komplexe Fertigung (induktive Teile, Spulen, magnetische Materialabscheidung). Piezoelektrische Aktoren benötigen ebenfalls Hochspannungsverstärker, aber da sie typischerweise für Resonanz genutzt werden, sind die Anfahrspannungen oft niedriger als bei anderen Aktoren. Aktuelle Forschung zu MEMS-Sensoren, die mit den vier grundlegenden Aktuierungstechniken in den letzten Jahren für viele Anwendungen realisiert wurden, zeigt einen aufsteigenden Trend im Bereich Mikroassembly und Mikromanipulation. Heutzutage wurde eine breite Palette von Anwendungen für MEMS-Sensoren mit hoher Empfindlichkeit und Auflösung identifiziert. Sensorsysteme werden durch Integration robuster und zuverlässiger.

Sensormechanismen für das Ausgangssignal

Der Sensormechanismus detektiert die Ausgabe des MEMS-Geräts. Die Grundlage basiert auf einem Polymer auf der Sensorschicht, das einen bestimmten Chemikalien absorbiert und dadurch Änderungen in Spannung, Masse, elektrischen oder mechanischen Eigenschaften des Balkens erzeugt. Um die Massenänderung zu schätzen, kann die Resonanzfrequenz des Geräts basierend auf dem detektierten Massenzuwachs gemessen werden. Alternativ kann ein Piezowiderstand auf der Oberfläche des Sensorelements die Massenänderung des Balkens schätzen. Eine weitere Methode nutzt Thermoelemente zur Messung von Temperaturänderungen durch Wärmeentwicklung bei Analytenabsorption im Polymer.

Zur Sensierung des Ausgangssignals werden piezoresistive, kapazitive oder optische Mechanismen eingesetzt (Abb. 9). Unterschiedliche Sensormechanismen haben jeweils Vor- und Nachteile.

Optische Sensierung hat gute Machbarkeit, ist aber im Vergleich zu kapazitiven und piezoresistiven Techniken sehr teuer in der Umsetzung. Kapazitive und piezoresistive Techniken sind die gängigsten Methoden zur Ausgangssignalsensierung. CMOS-MEMS-Geräte wurden für beide Techniken ausgelegt aufgrund der 0,35-µm-CMOS-Technologie. PolyMUMPs- und MetalMUMPs-Geräte nutzen nur kapazitive Sensierung.

Piezoresistive Sensierung

Piezoresistive Sensierung ist ein gängiges Prinzip in MEMS. Das Prinzip basiert auf Widerstandsänderung bei Dehnungsänderung als Reaktion auf angelegte Spannung. Diese Änderung zeigt sich im elektrischen Widerstand des Materials als Folge einer Oberflächenspannungsänderung durch Biegung. Der Widerstandswert eines Piezowiderstands mit Widerstandsfähigkeit ρ, Länge l und Querschnittsfläche A ist:

R = ρ·l/A   (4)

Die Widerstandsänderung ΔR ist proportional zur angelegten Dehnung:

ΔR = G·ε·R   (5)

wobei G der K-Faktor (Proportionalitätskonstante), ε die Dehnung und R der Piezowiderstand ist. Ein piezoresistives Element verhält sich unterschiedlich zu longitudinaler und transversaler Dehnungskomponente. Laut (5) kann der Widerstand durch Geometrieänderungen (Länge, Querschnitt) oder Materialeigenschaftsänderungen (Widerstandsfähigkeit) variieren. Piezoresistive Detektion beruht auf Widerstandsfähigkeitsänderung bei Spannung. In piezoresistiven Materialien hat die Widerstandsfähigkeitsänderung durch Spannung einen viel größeren Einfluss auf den Widerstand als Geometrieänderungen (Sensoren, die auf Geometrieänderungen beruhen, heißen Dehnungsmessstreifen). Abbildung 10 zeigt verschiedene Widerstandsorientierungen und externe Kraftbelastungsrichtungen.

Hauptnachteil: starke Temperaturabhängigkeit der Widerstandsfähigkeit. Um dies zu begrenzen, werden meist vier piezoresistive Elemente zu einer Wheatstone-Brücke verschaltet, die die Temperaturabhängigkeit kompensiert. Kleine elektrische Signaländerungen werden über die Wheatstone-Brücke in Spannungen übersetzt und gemessen. Die Wheatstone-Brücke nutzt vier Widerstände in den vier Armen (Abb. 11). Je nach Anzahl aktiver Widerstände (als Wandler fungierend) unterscheidet man Viertelbrücke (ein aktiver), Halbbrücke (zwei aktive) und Vollbrücke (vier aktive). Die Viertelbrücke nutzt ein einzelnes aktives Element, das sich durch physikalische Umgebungsänderungen (Druck, Kraft, Temperatur) ändert, während die übrigen passiv sind. MEMS-Systeme wurden als Temperatur-, Kalorimeter-Sensoren in Kombination mit Wheatstone-Brücken eingesetzt, um Basisfluktuationen zu erlauben. Thermische Brückensysteme sind eine der bekanntesten Sensierplattformen in MEMS. In der AC-getriebenen Wheatstone-Brückenkonfiguration (Abb. 11b) wurde widerstandsbasierte Thermometrie zur Analyse von Temperaturänderungen mit Mikro-Kelvin-Auflösung genutzt. Die rechte Brückenhälfte besteht aus einem Sensowiderstand im unteren Zweig mit zugehörigem Widerstand oben, die linke Seite ist das Gegenstück. Festwiderstände mit niedrigem Temperaturkoeffizienten werden mit Widerstandswerten gewählt, die Stabilität und Auflösung basierend auf Vorstudien optimieren.

Silizium-Piezowiderstände und Polysilizium-Flicken werden allgemein in MEMS-Sensoren verwendet. Die Widerstandsfähigkeit von Silicium hängt von der Dotierart ab. n-Typ ist weniger empfindlich als p-Typ, was Fertigungsbeschränkungen mit sich bringt. In diesem Fall sind in-plane transversal und in-plane longitudinal die bedeutendsten Elemente. Für Halbleitermaterialien wie Silicium sind die longitudinalen und transversalen K-Faktoren aufgrund von Geometrieänderungen im Vergleich zu denen durch Widerstandsfähigkeitsänderungen sehr klein, weshalb Geometrieänderungen vernachlässigt werden können. Die longitudinalen und transversalen K-Faktoren allein durch Widerstandsfähigkeitsänderungen ergeben sich aus Gleichungen (6) und (7):

G_L = π_L·E   (6)    G_T = π_T·E   (7)

wobei E der Elastizitätsmodul des piezoresistiven Materials ist. π_L und π_T sind die longitudinalen und transversalen Piezowiderstandskoeffizienten für willkürlich orientierte Polysiliziumkörner (Werte in Tabelle 3).

Aktuell wird der piezoresistive Effekt für bio- oder chemische Detektion, Feuchtesensorik, Schalteranwendungen, Biomarker-Detektion in Atemluft, Mikroscanner, Drucksensorik und massensensitive Gassensoren genutzt. Zope et al. entwickelten einen resistiv gesenseten, thermisch getriebenen Piezo-Resonator aus vorwiegend CMOS-Material für Massensensorik (Massensensitivität 24,96 kHz/ng, extrahierte Massenauflösung 16,3 fg – großes Potenzial als Aerosolsensor).

Kapazitive Sensierung

Kapazitive Sensierung basiert auf der Messung von Kapazitätsänderungen zwischen Stator- und Rotorfingern oder zwischen festem und beweglichem Platten. Sie ist die dominierende Methode für mikrobearbeitete Anwendungen aufgrund Kompatibilität mit allen Fertigungsansätzen und Steifigkeit. Vorteile: hohe Empfindlichkeit, geringer Energieverbrauch, simples Design, geringer Drift, geringe Temperaturabhängigkeit. Die Ausgangssignalmessung kann einfach auf dem PolyMUMPs-Chip mittels kapazitiver Sensierung gefertigt werden. Ein einzelner Parallelplattenkondensator kann kapazitiv Änderungen der Eigenfrequenz oder Amplitude von MEMS-Geräten (CMOS-MEMS, PolyMUMPs) erfassen, oder durch Kammfinger (MetalMUMPs).

Für CMOS-MEMS und PolyMUMPs: ohne Aktuierung (Abb. 12a) beträgt die initiale statische Sensorkapazität C_s0 zwischen unterer fester Platte und oberer beweglicher Platte:

C_s0 = ε·A_s / z₀   (8)

wobei ε die relative Permittivität des Dielektrikums, A_s die Fläche der Sensoplatten und z₀ der Abstand zwischen fester und beweglicher Platte ist. Bei Verschiebung der beweglichen Platte um z (Abb. 12b) ändert sich der Abstand und die Kapazität:

C_s(z) = ε·A_s / (z₀ - z) = C_s0 · z₀/(z₀ - z)   (9)

Für MetalMUMPs wird die Ausgabe kapazitiv über differentielles Kammfinger-Design detektiert. Abb. 13 zeigt zwei Sätze fester Kammfinger für differentielle Kapazität. Im Initialzustand (Abb. 13a) beträgt die statische detektierte Kapazität C₀ für jeden Satz vibrierend-fester Finger:

C₀ = n·ε·l_f·w_f / d   (10)

wobei l_f und w_f Länge und Breite der Überlappungsfläche, d der Abstand und n die Anzahl der vibrierenden Kammfinger sind. Bei Verschiebung um y (Abb. 13b) ändern sich die Kapazitäten C₁ und C₂:

C₁(x) = n·ε·l_f·w / (d - y)   (11)    C₂(x) = n·ε·l_f·w / (d + y)   (12)

Das Ausgangssignal wird als Spannung durch Änderung der Sensorkapazität bei Aktuierung gemessen, mittels MS3110 kapazitivem Auslesekreis, der Kapazitätsänderung in Ausgangsspannungsänderung umsetzt. Heutzutage finden kapazitive Effekte Anwendung in MEMS-Resonatoren, Biosensoren, Feuchtesensoren, Diabetes-Screening, Navigation (Auto-GPS), rauscharmen Beschleunigungsmessern, RF-MEMS-kapazitiven Schaltern.

Optische Detektion

Optische Sensierung basiert auf Detektion von Änderungen im transmittierten Licht im Vergleich zum empfangenen Licht. Die Detektion von Verbindungen durch spektrale Transmissionsstrategien ist breit anerkannt. Optische Sensoren zeichnen sich durch Selektivität aus, da sie nicht auf chemische Reaktionen oder Katalysatoren angewiesen sind. Luftschadstoffidentifikation erfolgt durch optische Arteigenschaften (Absorption, Brechungsindex, Raman-Streuung, Fluoreszenz, Reflexion). Optische Sensoren nutzen Emissions- und Absorptionsmessungen primär durch Technologien wie FTIR, SPR, DOAS, LDAS, CRDS, NDIR, LIDAR, UV-Fluoreszenz und Chemilumineszenz für Luftschadstoffsensorik. Normalerweise durchläuft Licht einen relevanten Mediumsraum, wird modifiziert oder reflektiert (Abb. 14). Das Beer-Lambert-Gesetz regelt die optische Detektion von Luftschadstoffen:

I = I₀·e^(-α·l)   (13)

wobei I das transmittierte Licht, I₀ das empfangene Licht, α die Absorptivität und l die Weglänge ist.

Die meisten Anwendungen optischer MEMS liegen in der Kommunikation, es gibt aber diverse Nutzungen in anderen Bereichen. Die Literatur deckt zahlreiche Versuche zur optischen Detektion von Luftschadstoffen ab. Einige Sensoren erkennen Chemikalien, was die multifunktionale Rolle zeigt. Infrarotspektrometrie ist ein Beispiel für optische Sensierung. Huang et al. demonstrierten die Simulation eines integrierten optischen MEMS-Beschleunigungssensors mit Resonanzfrequenz 562,85 Hz, mechanischer Empfindlichkeit 781,64 nm/g, optischer Systemempfindlichkeit 1,23, Auflösung 1,037 µg und geringer Querempfindlichkeit – geeignet für MEMS-Trägheitsnavigationsgeräte. Ein weiteres Modell ist der Fabry-Pérot-optische Sensor: Gas in eine Kammer bringen, Licht hindurchleiten; durch Zusammensetzungsänderungen ändert sich das transmittierte Licht, die Analyse ermöglicht Rückschlüsse auf die Gasart. Erfolgreiche Tests eines optischen MEMS-Sensors zum Nachweis von Catechol wurden berichtet: Absorptionsmessung der Catechol-Oxidation durch blaues Licht (472 nm) über MEMS-Gerät, Licht von Freiraum-Blau-Laser im Continuous-Wave-Modus, fokussiert auf Multimode-Faser, Empfang über optische Faser an USB-Spektrophotometer mit computergestützter Datenerfassung.

Diskussion der Sensormechanismen

Basierend auf unterschiedlichen Funktionsprinzipien lassen sich die Sensormechanismen in drei Typen unterteilen: piezoresistiv, kapazitiv, optisch. Jeder hat Vor- und Nachteile. Optische Sensierung hat gute Machbarkeit, ist aber teurer in der Umsetzung als kapazitive und piezoresistive Techniken. Daher sind piezoresistive und kapazitive Techniken die gängigsten Methoden. Jede kleine Spannungsänderung kann piezoresistiv detektiert werden. Hauptnachteil piezoresistiver Sensierung: hohe Temperaturabhängigkeit der Widerstandsfähigkeit. Tabelle 3 zeigt aktuelle Arbeiten und Fortschritte (letzte 5 Jahre) inkl. Aktuierungs- und Sensormechanismen, Sensormaterialien, Fertigungstechnologie und Anwendung. Der miniaturisierte Mikrochip (Tabelle 4) eignet sich für Gas- und Feuchtesensorik, menschliches Gesundheitsscreening, Trägheitsnavigation mit guter Wiederholbarkeit, hoher Auflösung, hoher Empfindlichkeit und schneller Ansprache. MEMS-Sensoren haben sich als effektives Medium für Sensoren mit On-Chip-Elektronik bewährt; sie können nicht nur als tragbarer Sensorchip dienen, sondern auch als Teil eines IoT-Netzwerks für Echtzeit-Fernüberwachung mit hoher Feuchteempfindlichkeit fungieren.

Diskussion

Neueste Entwicklungen betreffen Technologien zur Energieernte aus der Umwelt, da nachhaltige, autarke Mikro-/Nano-Energiequellen ein aufstrebendes Feld der Nanoenergie sind, das Nanomaterialien und Nanotechnologie bei der Energieernte für Mikro-/Nanosysteme umfasst. Triboelektrische Ladung entsteht nur an der Oberfläche durch physikalische Reibung zwischen zwei Materialien. Der triboelektrische Nanogenerator (TENG) wandelt mechanische Energie in elektrische Energie durch Kontakttrennung oder relatives Gleiten zweier Materialien mit entgegengesetzter Polarität um. TENG basiert auf dem Kopplungseffekt zwischen Triboelektrizität und elektrostatischer Induktion; sein Fortschritt und potenzielle Anwendungen als neue Energietechnologie und selbstversorgende aktive Sensoren. Der vorgeschlagene Ansatz nutzt biomechanische Energieübertragung in Elektrizität aus menschlicher Aktivität. Darunter fällt eine erfolgreiche Studie zur Umwandlung in tragbare Energie von tragbaren biometrischen Geräten und selbstversorgenden Sensoren basierend auf Triboelektrizität (Ladung auf Berührungsfläche).

• Zur Verringerung des Energieverbrauchs während des Betriebs müssen Sensoren mit Aufweckfunktion oder fast Null-Leistungsaufnahme vorgeschlagen und untersucht werden, d. h. diese Sensoren verbrauchen keine Energie. Mit diesen MEMS-Komponenten können MEMS-Sensoren lange betrieben oder selbstversorgend arbeiten.
• Zukunftsorientierte Sensoren: Flexible Sensoren sind in den letzten Jahren heiße Forschungsthemen aufgrund ihrer Vielseitigkeit und großen Potenzials in Gesundheits-/Humananwendungen. Flexible Sensoren werden oft mit tragbaren Sensoren kombiniert für deren einzigartige Vorteile. Mehr als nur als Wearable zur Beobachtung können sie als Mensch-Maschine-Schnittstelle für höhere Anforderungen dienen. Mit steigender Lebensqualität werden Wearables und Mensch-Maschine-Schnittstellen als wichtige Richtungen für zukünftige Sensoren mit ausreichender Flexibilität und vielseitigen Sensorkapazitäten erkannt. Wearables lassen sich einfach in den menschlichen Körper integrieren, um unsere Wahrnehmungsfähigkeiten zu erweitern. Sensorfunktionen umfassen Kraft, Dehnung, Elektrophysiologie, Herzfrequenz, Temperatur, Fitness-Tracking etc. Durch den Einsatz verschiedener Geräte an unterschiedlichen anatomischen Positionen können viele Anwendungen des Körpersensors von Krankenhauspflege bis Fitness, Wellness-Tracking, Mensch-Maschine-Schnittstellen und Erkennung/Bewertung kognitiver Zustände gefördert werden.
• Durch Kombination von MEMS-Sensoren mit künstlicher Intelligenz (KI) wird die nächste Sensorgeneration klare evolutionäre Auswirkungen haben und Menschen helfen, in verschiedenen Anwendungsszenarien mit anderen Dingen zu interagieren. Die rasante Entwicklung der modernen Gesellschaft zeigt die wachsende Vernetzung zwischen Mensch und Maschine, was enorme intelligente Mensch-Maschine-Geräte erfordert. Im Zeitalter von Big Data und hochempfindlicher Detektion stimuliert MEMS-Sensorik mit Machine-Learning-Strategien dramatisch die Erweiterung kommender intelligenter Sensorsysteme. Dieses interaktive System mit Sensoren der nächsten Generation bietet Verbrauchern ein umfassenderes Erlebnis. Anwendbar für Simulation von Sporttraining, Unterhaltung, medizinische Rehabilitation etc.

Schlussfolgerungen und zukünftige Trends

Es ist allgemein anerkannt, dass MEMS-basierte Sensoren eine Schlüsselrolle in Miniaturisierung und elektronischen Mikroschaltkreisen spielen. Das Verständnis und der Vergleich dieser Mechanismen ist notwendig, da sie die Basis des Betriebs und der Ausgangssignaldetektion MEMS-basierter Geräte bilden. Dieser Artikel gibt einen Überblick über mehrere populäre Aktuierungs- und Sensormechanismen von MEMS-Geräten, die in den letzten Jahrzehnten entstanden sind. Er bietet einen deskriptiven Überblick über die Fortschritte bei Aktuierungs- und Sensormechanismen MEMS-basierter Sensoren. Aktuelle Trends und Einschränkungen werden beleuchtet, um wertvolle Einblicke in das Feld aufstrebender Aktuierungs- und Sensortechnologien zu geben. Eine umfassende Diskussion unterstreicht die Bedeutung der Aktuierungs- und Sensormechanismen, ihrer Struktur, Funktionsprinzipien, Klassifizierung, Fertigung und Anwendungen. Ein fundiertes Verständnis der Aktuierungs- und Sensormechanismen für MEMS-basierte Sensoren spielt eine entscheidende Rolle bei ihrer Auswahl und effektiven Anwendung in verschiedenen innovativen Technologien. Zudem führt die richtige Auswahl von Aktuierungs- und Sensiertechniken in MEMS-Sensoren basierend auf der gewünschten Anwendung (Empfindlichkeit, Resonanzfrequenz, Ein-/Ausgangsspannung, Temperatur etc.) zu schneller Kommerzialisierung und besserer Produktstabilität.

Um verschiedene Aufgaben für unterschiedliche Anwendungen (Industrie, Elektronik) auszuführen, werden unterschiedliche MEMS-Geräte mit verschiedenen Strukturen in Kombination mit diversen Aktuierungs- und Sensormechanismen in der Realität entstehen. MEMS-Geräte werden nicht nur für einfache Aufgaben, sondern auch für komplexere Jobs genutzt. Gleichzeitig werden sie größere Freiheit haben und vielfältige Anwendungsbedürfnisse erfüllen. Allerdings wird zur Erreichung höherer Genauigkeit und Miniaturisierung die Komplexität des MEMS-Designs weiter zunehmen. MEMS-Produkte stehen in engem Zusammenhang mit dem Markt. Es ist vorhersehbar, dass MEMS-Geräte mehr Funktionen, Miniaturisierung und niedrige Kosten realisieren – eine enorme Herausforderung für andere Produkte. Daher werden MEMS-Fertigungsansätze in den nächsten Jahren ein höheres Niveau erreichen, um Marktanforderungen zu erfüllen. Mit fortschreitenden MEMS-Fertigungsprozessen werden einzigartige Hardwarehersteller kürzere Fertigungszyklen und höhere Fertigungsgeschwindigkeiten anstreben.

Ein zentraler Bereich zukünftiger Trends ist Zuverlässigkeitsforschung und -verbesserungsmethoden. Neue Materialien und kosteneffektive Fertigungstechniken bieten wichtige Entwicklungsmöglichkeiten. Es wurde gezeigt, dass die Designfähigkeit nicht auf Standardprinzipien beschränkt ist und qualitative Leistung verbessern kann. Trotz MEMS-Vorteilen bestehen noch Herausforderungen:

• Herkömmliche MOS-Dünnschichten durch MEMS-Techniken zeigen oft schlechte Empfindlichkeit gegenüber Zielgasen aufgrund kompakter Oberflächenstruktur und geringer Kristallinität.
• Neuere Studien versuchten, hochperformante MOS-Nanomaterialien auf Mikroheizern zu integrieren. Dennoch ist es schwierig, die Aufschlämmung-basierten MOS-Nanomaterialien auf den schwebenden Heizbereich der Mikroheizer zu kontrollieren und aufzubringen. Geringe Ausbeute und große Gerät-zu-Gerät-Abweichungen behindern die großskalige Sensorfertigung.
• Es ist auch kompliziert, die Haftung zwischen Mikroheizern und Sensormaterialien zu verbessern, um stabile Parameter zu erhalten, besonders bei hohen Temperaturen > 350 °C, was zu verminderter Sensorleistung und geringer Stabilität führt.
• Die Fertigung von Sensorschichten mit hoher Empfindlichkeit mittels MEMS-kompatibler Methoden ist ein dringendes Ziel.
• In einer neuen Ära können MEMS-basierte Sensoren Herausforderungen bezüglich Energieversorgung und Intelligenz im Betrieb gegenüberstehen: Flexibilität tragbarer Anwendungen, freundliche Interaktionsfähigkeiten von Mensch-Maschine-Schnittstellen, Analyse riesiger Datenmengen.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Nicht anwendbar.

Abkürzungen

MEMS:

Mikroelektromechanisches System

pH:

Potenzial Wasserstoff

ICs:

Integrierte Schaltkreise

LOD:

Nachweisgrenze

MUMPs:

Multi-User MEMS

MST:

Mikrosystemtechnik

RF:

Hochfrequenz

CMOS:

Komplementärer Metalloxid-Halbleiter

CTE:

Thermischer Ausdehnungskoeffizient

AC:

Wechselstrom

DC:

Gleichstrom

RTA:

Ring-Thermalaktuierung

PVDF:

Polyvinylidenfluorid

GPS:

Globales Positionierungssystem

FTIR:

Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie

SPR:

Oberflächenplasmonenresonanz

DOAS:

Differenzielle optische Absorptionsspektroskopie

LDAS:

Laserdioden-Absorptionsspektroskopie

CRDS:

Hohlraum-Ringdown-Spektroskopie

NDIR:

Nicht-dispersives Infrarot

LIDAR:

Lichtdetektion und Entfernungsmessung

IDE:

Interdigitalisierte Elektroden

PZR:

Piezoresistiv

EFS:

Elektrostatischer Feldsensor

AI:

Künstliche Intelligenz