Was ist MEMS (mikroelektromechanisches System)? Typen &Anwendung

Micro-Electro-Mechanical System, oder MEMS, ist ein Miniaturgerät oder eine Miniaturmaschine, die aus mechanischen und elektrischen Komponenten unter Verwendung von Mikrofabrikationstechniken besteht.

Der Begriff „MEMS“ wird häufig verwendet, um sowohl eine Kategorie von mikromechatronischen Systemen als auch die Prozesstechnologie zu ihrer Herstellung zu beschreiben. Einige MEMS haben keine mechanischen Komponenten, aber da sie bestimmte mechanische Signale in elektrische oder optische umwandeln, werden sie als MEMS klassifiziert.

In Europa sind MEMS häufiger als Mikrosystemtechnik bekannt und in Japan als Mikromaschinen.

Größe von MEMS

Die physikalischen Abmessungen von MEMS-Bauelementen können von 20 Mikrometern bis zu einem Millimeter reichen. Sie bestehen aus Komponenten zwischen 1 und 100 Mikrometern Größe.

Während einzelne Komponenten kleiner als die Breite eines menschlichen Haares sein können, können mehrere in Arrays angeordnete Module eine Fläche von mehr als 10 Quadratzentimetern einnehmen.

MEMS-Geräte enthalten normalerweise zentrale Datenverarbeitungseinheiten (wie Mikroprozessoren) und winzige Instrumente, die mit der Umgebung interagieren (wie Mikrosensoren).

MEMS-Typen

Es gibt zwei Formen der MEMS-Schaltertechnologie:ohmsche und kapazitive.

1. Ohm MEMS-Schalter werden unter Verwendung elektrostatischer Ausleger entwickelt. Da sich die Ausleger im Laufe der Zeit verformen, können diese Schalter aufgrund von Kontaktverschleiß oder Metallermüdung ausfallen.

2. kapazitiv Schalter werden durch eine bewegliche Platte oder ein Sensorelement gesteuert, das die Kapazität ändert. Durch Ausnutzung ihrer Resonanzeigenschaften können sie so konfiguriert werden, dass sie ohmsche Geräte in bestimmten Frequenzbereichen übertreffen.

Wie sind sie aufgebaut?

Während das Interesse an der Herstellung von MEMS in den 1980er Jahren wuchs, dauerte es fast zwei Jahrzehnte, um die für ihre kommerzielle Entwicklung erforderliche Design- und Fertigungsinfrastruktur aufzubauen. Eines der ersten Geräte dieser Art waren Tintenstrahldruckköpfe und Airbag-Controller.

Mit dieser Technologie konnten Forscher Ende der 1990er Jahre einen Projektor mit Mikrospiegeln (der MEMS verwendet) bauen. Im Laufe der Zeit wurden Mikrosensoren immer beliebter:Sie wurden nach und nach in verschiedene Arten von Sensoren integriert, darunter Sensoren für Strahlung, Magnetfelder, Temperatur und Druck.

Heutzutage werden MEMS in fast allen Smart Devices verwendet, und sie sind viel effizienter (in Bezug auf Leistung und Energieverbrauch) als ihre größeren Pendants. Sie bestehen aus Teilen wie Mikroprozessoren, Mikroaktoren, Mikrosensoren, mehreren Datenverarbeitungseinheiten.

Die Herstellung von MEMS umfasst dieselben Techniken, die verwendet werden, um integrierte Schaltkreise und Halbleiterbauelemente zu erzeugen. Die Grundtechniken sind

• Ablagerung :Dünne Materialschichten (zwischen 1 und 100 Mikrometer) werden auf einer speziellen Oberfläche abgeschieden.
• Muster :Ein Muster wird mithilfe eines als Lithografie bezeichneten Prozesses in ein Material übertragen.
• Radierung :Das Material wird entweder in einer chemischen Lösung gelöst oder mit reaktiven Ionen in die gewünschten Formen gebracht.
• Die Vorbereitung :Sobald MEMS-Bauelemente auf einem Siliziumwafer präpariert sind, werden einzelne Chips getrennt und dann wird das Wafer-Dicing durch eine Kühlflüssigkeit oder einen Trockenlaserprozess durchgeführt.

Silizium ist das am häufigsten verwendete Material zur Herstellung von MEMS. Es ist leicht verfügbar, kostengünstig und hat insbesondere im Bereich der Mikroelektronik erhebliche Vorteile. Silizium erleidet beispielsweise sehr wenig Ermüdung und fast keine Energiedissipation.

Einige MEMS werden durch Galvanisieren, Aufdampfen und Sputtern aus Metall hergestellt. Metalle mit hoher Zuverlässigkeit sind Gold, Platin, Silber, Wolfram, Kupfer, Titan und Aluminium.

Polymere können auch zur Herstellung von MEMS-Bauelementen verwendet werden, da sie in großen Mengen mit verschiedenen Materialeigenschaften hergestellt werden können.

Wie unterscheiden sich MEMS von NEMS?

NEMS (kurz für nano-electro-mechanical systems) sind eine Klasse von Geräten mit elektrischen und mechanischen Eigenschaften auf der Nanoskala. NEMS bilden den nächsten logischen Miniaturisierungsschritt von MEMS.

Einfach ausgedrückt sind NEMS MEMS ähnlich, aber kleiner:Sie haben kritische Strukturelemente bei oder unter 100 Nanometern (atomare oder molekulare Skala).

Obwohl NEMS und MEMS als separate Technologien bezeichnet werden, sind sie voneinander abhängig. Ein Rastertunnelmikroskop zum Beispiel, das Atome erkennt, ist ein MEMS-Gerät.

In der MEMS-Technologie spielen Kräfte, die durch Fluiddynamik und Umgebungselektromagnetismus erzeugt werden, eine wichtige Rolle. Während in der NEMS-Technologie auch oberflächenbasierte Sensormechanismen und große quantenmechanische Effekte entscheidend sind.

Im Gegensatz zu MEMS verwendet die NEMS-Technologie kohlenstoffbasierte Materialien, insbesondere Diamant, Kohlenstoff-Nanoröhrchen und Graphen. Aufgrund erheblicher Fortschritte in Bezug auf Wachstum, Manipulation und Kenntnis der elektrischen und mechanischen Eigenschaften von Graphen interessieren sich Forscher zunehmend für Graphen für NEMS-Geräte wie Drucksensoren, Resonatoren, Beschleunigungsmesser und mehr.

Beispiele und Anwendungen

Da MEMS effizienter und kostengünstiger zu bauen werden, wird erwartet, dass sie eine entscheidende Rolle im IoT (Internet der Dinge) und in der Heimautomatisierung spielen. Die üblichen kommerziellen Anwendungen von MEMS sind:

Der Beschleunigungsmesser in einem Smartphone | YouTube

• Beschleunigungsmesser in Fahrzeugen für verschiedene Zwecke, z. B. elektronische Stabilitätskontrolle und Airbagauslösung
• Sensorgesteuerte Kühl- und Heizsysteme für Gebäudemanagementsysteme
• Der optische Schalter für die Schalttechnik und Ausrichtung für die Datenkommunikation
• Einweg-Blutdrucksensoren und Fahrzeugdrucksensoren aus Silikon
• Elektrostatische, elektromagnetische und piezoelektrische Mikroharvester (zum Energy Harvesting verwendet)
• Kleine Mikrofone, Barometer und Gyroskope zur Unterstützung von Smartphone-Anwendungen
• Mikrodüsen, die in Tintenstrahldruckern verwendet werden, um den Tintenfluss zu steuern.

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Globaler Markt

Viele Unternehmen arbeiten an MEMS-Projekten. Kleinere Firmen bieten Wert in innovativen Lösungen und tragen die Kosten für kundenspezifische Fertigung mit hohen Verkaufsmargen. Größere Firmen stellen meist kostengünstige Großserienteile oder verpackte Lösungen für Endmärkte wie Elektronik, Biomedizin und Automobile her. Im Allgemeinen investieren sowohl kleine als auch große Unternehmen in Forschung und Entwicklung, um neue MEMS-Technologien zu entwickeln.

Laut Grand View Research Inc. wird der weltweite MEMS-Markt bis 2024 auf 28,84 Milliarden US-Dollar geschätzt. 2015 lag er bei fast 12 Milliarden US-Dollar. Angesichts der zunehmenden Popularität vernetzter Lebensstile wird erwartet, dass Unterhaltungselektronik das dominierende Segment sein wird (mit über 40 % des weltweiten Umsatzanteils).

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Kalibrierungs- und Genauigkeitsprobleme können das Marktwachstum verlangsamen. Aber der intensive Wettbewerb wird die Akteure der Branche zwingen, die Preise in den kommenden Jahren niedrig zu halten.