MEMS verstehen: Mikroelektromechanische Systeme, Typen und Anwendungen

Ein Mikroelektromechanisches System (MEMS) ist ein miniaturisiertes Gerät oder eine Maschine, die aus mechanischen und elektrischen Komponenten besteht und mittels Mikrofertigungstechniken hergestellt wird.

Der Begriff „MEMS“ wird oft sowohl für eine Kategorie mikro-mechatronischer Systeme als auch für die Prozesstechnologie zu ihrer Herstellung verwendet. Manche MEMS besitzen keine mechanischen Komponenten, werden aber dennoch als MEMS klassifiziert, da sie mechanische Signale in elektrische oder optische umwandeln.

In Europa sind MEMS als Mikrosystemtechnik geläufig, in Japan als Mikromaschinen.

Größe von MEMS

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

Während einzelne Komponenten dünner sein können als ein menschliches Haar, können in Arrays angeordnete Module eine Fläche von über 10 Quadratzentimetern einnehmen.

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

Typen von MEMS

Es gibt zwei Formen der MEMS-Schaltertechnologie: ohmsch und kapazitiv.

1. Ohmsche MEMS-Schalter nutzen elektrostatische Kragarme. Da sich Kragarme im Laufe der Zeit verformen, können diese Schalter durch Kontaktverschleiß oder Metallermüdung ausfallen.

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

Wie werden sie hergestellt?

Während das Interesse an MEMS-Produktion in den 1980ern wuchs, dauerte es fast zwei Jahrzehnte, bis die Design- und Fertigungsinfrastruktur für ihre kommerzielle Entwicklung etabliert war. Zu den ersten derartigen Geräten gehörten Tintenstrahldruckköpfe und Airbag-Controller.

Mithilfe dieser Technologie gelang es Forschern Ende der 1990er, einen Projektor mit Mikrospiegeln (der MEMS nutzt) zu bauen. Im Laufe der Zeit wurden Mikrosensoren populärer: Sie wurden schrittweise in diverse Sensortypen integriert – Strahlung, Magnetfelder, Temperatur und Druck.

Heute finden MEMS in fast allen Smart-Geräten Verwendung und sind in puncto Leistung und Energieverbrauch weit effizienter als ihre größeren Pendants. Sie bestehen aus Teilen wie Mikroprozessoren, Mikroaktoren, Mikrosensoren und mehreren Datenverarbeitungseinheiten.

Die Fertigung von MEMS nutzt dieselben Techniken wie die Herstellung integrierter Schaltkreise und Halbleiterbauelemente. Die grundlegenden Techniken sind:

• Abscheidung (Deposition): Dünne Schichten (1–100 µm) werden auf eine spezielle Oberfläche aufgebracht.
• Strukturierung (Patterning): Ein Muster wird mittels Lithografie in ein Material übertragen.
• Ätzen (Etching): Das Material wird entweder in einer chemischen Lösung oder durch reaktive Ionen gelöst, um die gewünschten Formen zu erzeugen.
• Die-Vorbereitung (Die preparation): Sind MEMS auf einem Siliziumwafer gefertigt, werden einzelne Dies getrennt und das Wafer-Dicing mittels Kühlflüssigkeit oder Trockenlaser durchgeführt.

Silizium ist das gängigste Material für MEMS. Es ist leicht verfügbar, kostengünstig und bietet erhebliche Vorteile, besonders in der Mikroelektronik. Zum Beispiel erleidet Silizium kaum Ermüdung und nahezu keine Energieverluste.

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

Auch Polymere können zur MEMS-Fertigung dienen, da sie in großen Volumen mit vielfältigen Materialeigenschaften herstellbar sind.

Unterschied zwischen MEMS und NEMS

NEMS (Nanoelektromechanische Systeme) sind eine Geräteklasse mit elektrischen und mechanischen Eigenschaften auf der Nanoskala. NEMS bilden den logischen nächsten Miniaturisierungsschritt nach MEMS.

Vereinfacht: NEMS sind MEMS, nur kleiner – sie besitzen kritische Strukturelemente bei oder unter 100 Nanometern (atomarer/molekularer Maßstab).

Obwohl NEMS und MEMS als separate Technologien bezeichnet werden, hängen sie voneinander ab. Ein Rastertunnelmikroskop, das Atome detektiert, ist beispielsweise ein MEMS-Gerät.

In der MEMS-Technologie spielen Kräfte durch Fluiddynamik und Umgebungs-Elektromagnetismus eine wichtige Rolle. In der NEMS-Technologie sind oberflächenbasierte Sensormechanismen und große Quantenmechanische Effekte ebenfalls entscheidend.

Im Gegensatz zu MEMS nutzt NEMS-Technologie kohlenstoffbasierte Materialien – speziell Diamant, Kohlenstoffnanoröhren und Graphen. Aufgrund erheblicher Fortschritte bei Wachstum, Manipulation und Kenntnis der elektrischen und mechanischen Eigenschaften von Graphen wächst das Interesse der Forscher an Graphen für NEMS-Geräte wie Drucksensoren, Resonatoren, Beschleunigungsmesser und mehr.

Beispiele und Anwendungen

Da MEMS effizienter und günstiger herstellbar werden, werden sie eine entscheidende Rolle im IoT (Internet der Dinge) und in der Heimautomatisierung spielen. Gängige kommerzielle Anwendungen:

Beschleunigungssensor im Smartphone | YouTube

• Beschleunigungssensoren in Fahrzeugen für elektronische Stabilitätskontrolle und Airbag-Auslösung
• Sensorgesteuerte Kühl- und Heizsysteme für Gebäudemanagement
• Optische Schalter für Schalttechnik und Ausrichtung in der Datenkommunikation
• Einweg-Blutdrucksensoren und Fahrzeugdrucksensoren aus Silizium
• Elektrostatische, elektromagnetische und piezoelektrische Mikro-Energieernter (Energy Harvesting)
• Kleine Mikrofone, Barometer und Gyroskope für Smartphone-Anwendungen
• Mikrodüsen in Tintenstrahldruckern zur Tintenflusssteuerung

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Globaler Markt

Viele Unternehmen arbeiten an MEMS-Projekten. Kleinere Firmen bieten Wert durch innovative Lösungen und bewältigen die Kosten maßgeschneiderter Fertigung mit hohen Verkaufsspannen. Größere Firmen fertigen vorwiegend hohe Volumina günstiger Teile oder Komplettlösungen für Endmärkte wie Elektronik, Biomedizin und Automobil. Generell investieren sowohl kleine als auch große Unternehmen in F&E für neue MEMS-Technologien.

Laut Grand View Research Inc. wird der globale MEMS-Markt bis 2024 auf 28,84 Milliarden US-Dollar geschätzt. 2015 lag er bei knapp 12 Milliarden US-Dollar. Angesichts der wachsenden Beliebtheit vernetzter Lebensstile wird Consumer Electronics voraussichtlich das dominierende Segment sein (mit über 40 % des globalen Umsatzanteils).

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Kalibrierungs- und Genauigkeitsprobleme könnten das Marktwachstum bremsen. Doch intensiver Wettbewerb wird die Branchenteilnehmer zwingen, die Preise in den kommenden Jahren niedrig zu halten.