Ein MEMS (mikroelektromechanisches System) ist eine Miniaturmaschine, die sowohl mechanische als auch elektronische Komponenten enthält. Die physikalische Größe eines MEMS kann von mehreren Millimetern bis zu weniger als einem Mikrometer reichen, eine Größe, die um ein Vielfaches kleiner ist als die Breite eines menschlichen Haares.
Die Bezeichnung MEMS wird verwendet, um sowohl eine Kategorie von mikromechanischen Geräten als auch die bei ihrer Herstellung verwendeten Verfahren zu beschreiben. Einige MEMS haben nicht einmal mechanische Teile, werden aber dennoch als MEMS eingestuft, weil sie die in herkömmlichen Maschinen verwendeten Strukturen wie Federn, Kanäle, Hohlräume, Löcher und Membranen miniaturisieren. Da einige MEMS-Geräte ein gemessenes mechanisches Signal in ein elektrisches oder optisches Signal umwandeln, können sie auch als Wandler bezeichnet werden. In Japan sind MEMS eher als Mikromaschinen bekannt, und in europäischen Ländern werden MEMS eher als Mikrosystemtechnik (MST) bezeichnet.
Wie MEMS aufgebaut sind
MEMS bestehen aus Teilen wie Mikrosensoren, Mikroprozessoren, Mikroaktuatoren, Einheiten zur Datenverarbeitung und Teilen, die mit äußeren Teilen interagieren können.
Im Gegensatz zu konventionellen mechatronischen Geräten werden MEMS oft mit denselben Serienfertigungstechniken hergestellt, die auch für die Herstellung integrierter Schaltungen (ICs) verwendet werden, und viele kommerzielle MEMS-Produkte werden zusammen mit ICs integriert und verpackt. Die MEMS-Fertigung ermöglicht die Integration von Mikrosensoren, die Daten erfassen, und Mikroaktuatoren, die Energie in Bewegung umwandeln, auf demselben Substrat.
Obwohl MEMS niedrige Produktionskosten pro Gerät haben, kann die Verpackung eine Herausforderung sein. Jedes MEMS muss so verpackt werden, dass die elektrischen oder optischen Schaltkreise und andere Komponenten des Geräts frei von Luft- und Wasserkontaminationen sind, aber dennoch mit der Umgebung interagieren und Bewegungen ausführen können.
Beispiele für MEMS
Das kleine System auf einem Chip (SOC), das die Ausrichtung des Bildschirms auf einem Smartphone automatisch anpasst, ist ein Beispiel für ein MEMS, mit dem viele Menschen jeden Tag zu tun haben. Da MEMS immer kleiner werden, weniger Strom verbrauchen und günstiger in der Herstellung sind, wird erwartet, dass sie eine wichtige Rolle im drahtlosen Internet der Dinge (IoT) und in der Hausautomatisierung spielen werden.
Weitere kommerzielle Anwendungen von MEMS sind:
- Sensorgesteuerte Heiz- und Kühlsysteme für Gebäudemanagementsysteme.
- Mikrospiegel-Arrays für hochauflösende Projektionssysteme.
- Intelligenter Staub zur Erkennung von Umweltveränderungen in Reinräumen für die Molekularherstellung (Nanotechnologie).
- Mikrodüsen zur Steuerung des Tintenflusses in Tintenstrahldruckern.
- Winzige Gyroskope, Barometer, Beschleunigungsmesser und Mikrofone zur Unterstützung mobiler Anwendungen.
- Einweg-Drucksensoren für den Einsatz im Gesundheitswesen.
- Optische Schaltgeräte, mit denen ein optisches Signal ein anderes optisches Signal steuern kann.
Bei dem unten abgebildeten MEMS handelt es sich um eine von Debiotech und STMicroelectronics entwickelte, tragbare Einweg-Insulinpumpe zur Behandlung von Diabetes. Nach Angaben von Debiotech besteht der Chip aus einem Stapel von drei Schichten, die miteinander verbunden sind: eine Silizium-auf-Isolator-Platte (SOI) mit mikrobearbeiteten Pumpenstrukturen und zwei Silizium-Deckplatten mit Durchgangslöchern. Ein piezoelektrischer Aktor auf dem Chip bewegt die Membran in einer hin- und hergehenden Bewegung, um die Flüssigkeit in der Pumpkammer zu komprimieren und zu dekomprimieren.
Geschichte der MEMS
Die Idee zur Entwicklung von MEMS entstand in den 1980er Jahren; die Mittel zur Herstellung von MEMS (die Infrastruktur für Design und Herstellung) waren jedoch erst in den 1990er Jahren ausreichend vorhanden. Eine der ersten MEMS-Typen, die hergestellt wurden, waren Airbag-Steuerungen und Tintenstrahldruckköpfe. In den späten 1990er Jahren wurde ein Projektor mit Mikrospiegeln (die MEMS verwenden) hergestellt. Ein Großteil der ursprünglichen Unterstützung für MEMS kam von der Defense Advanced Research Projects Agency Research and Development Electronics Technology Office.
Im Laufe der Zeit wurden Mikrosensoren für eine große Anzahl von Sensortypen verwendet, darunter Sensoren für Temperatur, Druck, Magnetfelder und Strahlung. In vielen Fällen waren Sensoren, die MEMS verwendeten, im Vergleich zu größeren Gegenstücken wesentlich leistungsfähiger.
Heute kommen die meisten Menschen täglich mit MEMS in Berührung. In jedem neuen Auto, das vom Band läuft, sind mindestens 50 MEMS verbaut; sie sind wesentliche Bestandteile verschiedener vorgeschriebener Sicherheitssysteme, darunter Airbags, elektronische Stabilitätskontrolle (ESC) und Reifendruckkontrollsysteme (TPMS).
Weitere, anschauliche Anwendungen für MEMS.
MEMS vs. NEMS
Während MEMS für mikro-elektromechanische Systeme steht, steht NEMS für nano-elektromechanische Systeme. NEMS wird in der Nanotechnologie eingesetzt, einer Technologie, die Materie im Nanomaßstab (auf atomarer oder molekularer Ebene) manipulieren kann. Bei einem Top-down-Ansatz in der Nanotechnologie werden Geräte verwendet, die viele ähnliche Techniken wie MEMS aufweisen. MEMS und NEMS werden manchmal als getrennte Technologien bezeichnet, können aber als voneinander abhängig betrachtet werden, da NEMS-Technologien für NEMS erforderlich sind. Ein Beispiel: Ein Rastertunnelspitzenmikroskop (STM), das Atome nachweisen kann, ist ein MEMS-Gerät.
