MEMS - Micro-Electro-Mechanical Systems

MEMS sind winzige Bauelemente, die Logikelemente und mikromechanische Strukturen in einem Chip vereinen. Sie können mechanische und elektrische Informationen verarbeiten. Die meisten Elemente dürften Sensoren und Aktoren, aber auch Oszillatoren und Filter sein. Diese Mechatronik-Chips werden meist aus Silizium hergestellt. Die Strukturen können kleiner als ein Mikrometer sein. Dank der Miniaturisierung lassen sie sich wie Halbleiter billig und in Massen fertigen.

MEMS bilden eine unverzichtbare technische Grundlage für moderne, innovative Lösungsansätze in der Elektronik. Viele Anwendungen sind ohne MEMS wirtschaftlich nicht realisierbar. Durch sie gestaltet sich die Anwendung elektronischer Geräte in den Bereichen Automobil, Medizin, Sicherheits- und Messtechnik, Sport, Logistik und Unterhaltung deutlich vielseitiger, bequemer und intelligenter.
Eine typische Anwendung von MEMS ist die Messung der Beschleunigung. Oder einfach nur das Feststellen des horizontalen oder vertikalen Zustands, wie man es bei Smartphones durch drehen des Displays kennt. Hier dreht sich die Bildschirmanzeige einfach mit.
In einigen Alltagsprodukten sind Beschleunigungssensoren bereits wesentlicher Bestandteil. So erkennen die Beschleunigungssensoren in Festplatten, wenn das Notebook herunterfällt. Der Lese-Schreibkopf wird dann automatisch in die Parkposition gebracht, bevor das Gerät auf dem Boden aufschlägt. In der Parkposition wird verhindert, dass der Lese-Schreibkopf auf die Oberfläche der rotierenden Magnetscheibe kracht, sie zerkratzt und die Daten dadurch zerstört werden.
Viele Anwendungen von MEMS sind nicht wirklich neu. Sie wurden schon vorher in Mess-, Waffen- und Raumfahrtsystemen eingesetzt. Dabei wurden teure Spezialbausteine verwendet.

Robustheit, Langzeitstabilität und gleichmäßige Produktqualität sind häufig Merkmale von MEMS. Aber auch geringe Baugröße, geringerer Preis und niedriger Energiebedarf zählen zu ihren Vorzügen.
Der nächste Schritt sind Nanoelektromechanische Systeme (NEMS), die dann auch Quanteneffekte nutzen können.

Fertigung von MEMS

Generell gilt, dass sich MEMS wie Halbleiter billig und in Massen fertigen lassen. Und tatsächlich lassen sich viele MEMS mit den üblichen CMOS-Fertigungsverfahren produzieren, wie sie bei integrierten Schaltungen verwendet werden. Es gibt aber auch MEMS, die aus zwei Chips bestehen. Zum Beispiel der eine, der die Sensoraufgaben hat und der andere, der als Signalverstärker oder -verarbeiter dient.
Was man auch wissen muss: Gewöhnliche CMOS-Fertigungsanlagen sind für planare Strukturen ausgelegt. Viele MEMS haben aber dreidimensionale oder tief eingeätzte Strukturen, die zusätzliche Fertigungsschritte, besondere Materialien oder spezielle Ätzverfahren benötigen.

MEMS-Anwendungen

• Handys, die auf Bewegung reagieren.
• Konsolenspiele, die über Beschleunigung und Drehung eines Controllers gesteuert werden.
• Festplatten, deren Lesekopf bei einem Sturz automatisch in die Parkposition gebracht wird.
• Kameras, die wackelnde Bewegungen ausgleichen (Bildstabilisierung).
• Herzschrittmacher, Beatmungs- und mobile EKG-Geräte in der Medizin.
• Mikromechanische Pumpen, die Medikamente dosieren.
• Airbags, die bei extremer Verzögerung des Auto auslösen.
• Steuersignale für das elektronische Stabilitätsprogramm (ESP) in Autos.
• Tablets, die den Bildschirminhalt drehen, wenn sich das Gerät dreht.
• Kühlmittelversorgung, die in Gehäusen von Prozessoren passen.
• Mechanische Schalter mit niedriger Betätigungsleistung und langer Lebensdauer.

Sensoren und Aktoren werden in MEMS mit einer zusätzlichen Schaltungen für die Signalaufbereitung, automatische Kalibrierung und Temperaturkompensation ausgestattet. Das ermöglicht neuartige Anwendungen, etwa Funkübertragungen mit integrierter Stromversorgung. Zum Beispiel durch Energy Harvesting.

MEMS-Bausteine

• 3-Achsen-Neigungssensor
• Pico-Projektor
• HF-MEMS-Schalter
• Kapazitätsdiode
• Beschleunigungssensor
• Gyroskop
• Mikrofon
• Hochfrequenzrelais
• elektronische Filter
• Zeitgeber
• optische Schalter
• Kühlmittelpumpen

Beispiel: MEMS-Mikrofon

Neben einem geringeren Gehäusevolumen enthalten MEMS-Mikrofone zusätzliche Funktionen. Beispielsweise einen an die Membran angepassten Vorverstärker, einen Spannungsvervielfacher zur Erzeugung einer Vorspannung (Bias) für die Membran oder einen Analog-Digital-Wandler.
Es gibt auch MEMS-Mikrofone, die nach dem Kondensatorprinzip arbeiten oder die piezoelektrischen oder piezoresistiven Effekte eines Siliziumkristalls ausnutzen. Die Membran besteht zum Beispiel aus polykristallinem Silizium, Metallschichten oder organischen Folien.

Beispiel: Mehr-Achsen-Drehratensensor

Das Vorbild für einen mikromechanischen Mehr-Achsen-Drehratensensor ist ein Kreiselinstrument, wie es in Flugzeugen oder Waffensystemen zum Einsatz kommt. Es ist in der Regel mehrere Kilo schwer, teuer und hat einen hohen Energieverbrauch. Die selbe Funktionalität findet sich in Smartphones, Tablets und Konsolen-Controllern. Sie ermitteln Daten zur Bewegungssteuerung und Beschleunigung.
Üblicherweise arbeiten MEMS-Beschleunigungssensoren bzw. Gyratoren nach dem Feder-Masse- oder Stimmgabelprinzip. Bei ersterem erfassen eingebaute Signalverstärker die Verformung oder Bewegung einer Feder über Kapazitätsveränderungen oder den Piezoeffekt. Beim Stimmgabelprinzip schwingen magnetisch angeregte Kammstrukturen, deren Auslenkung von Sensoren erfasst werden.

Aufbau eines MEMS-Beschleunigungssensors

Im Folgenden wird der Aufbau eines Beschleunigungssensors nach dem Feder-Masse-Prinzip erläutert. Dabei ist zu berücksichtigen, dass es Beschleunigungssensoren gibt, die auch nach anderen Prinzipien arbeiten.

Der Aufbau dieses MEMS-Beschleunigungssensors sieht drei gestapelte Platten vor, die über Spiralfedern miteinander verbunden sind. Die äußeren Platten sind fest und die mittlere beweglich. Ihre Beweglichkeit wird durch die Spiralfedern begrenzt. Durch diesen Aufbau entsteht eine Reihenschaltung von zwei Kondensatoren mit veränderlicher Kapazität. Veränderlich deshalb, weil sich der Plattenabstand der beiden Kondensatoren durch die mittlere Platte verändern. Bekanntlich beeinflusst der Plattenabstand die Kapazität eines Kondensators.

Funktionsweise eines MEMS-Beschleunigungssensors

Wenn keine Bewegung statt findet oder die Beschleunigung Null ist, dann befinden sich die Platten in gleichem Abstand zueinander. Findet nun eine Bewegung, also eine Beschleunigung statt, dann wird die mittlere Kondensatorplatte zur Seite gedrückt. Dadurch entsteht eine Kapazitätsänderung. Diese Kapazitätsänderung ist proportional zur Beschleunigung.
Wenn eine konstante Geschwindigkeit eingehalten wird, dann findet zwar immer noch eine Bewegung statt, aber keine Beschleunigung mehr. Die mittlere Kondensatorplatte geht in ihre Ursprungsposition zurück.
Durch die Beschleunigung kann die Geschwindigkeit berechnet werden (Integration). Und aus der Geschwindigkeit (Integral) die zurückgelegte Strecke.