Ein MEMS (mikro-elektromechanisches System) ist eine Miniaturmaschine, die sowohl mechanische als auch elektronische Komponenten hat. Die physikalische Dimension eines MEMS kann von mehreren Millimetern bis zu weniger als einem Mikrometer reichen, eine Dimension, die um ein Vielfaches kleiner ist als die Breite eines menschlichen Haares.
Die Bezeichnung MEMS wird verwendet, um sowohl eine Kategorie von mikromechatronischen Geräten als auch die Prozesse zu beschreiben, die bei deren Herstellung verwendet werden. Einige MEMS haben nicht einmal mechanische Teile, dennoch werden sie als MEMS klassifiziert, weil sie Strukturen miniaturisieren, die in konventionellen Maschinen verwendet werden, wie Federn, Kanäle, Hohlräume, Löcher und Membranen. 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 den gleichen Batch-Fertigungstechniken hergestellt, die für die Herstellung von integrierten 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 bleiben, aber dennoch in der Lage sind, mit der Umgebung zu interagieren und Bewegungen zu ermöglichen.
Beispiele für MEMS
Das kleine System auf einem Chip (SOC), das automatisch die Ausrichtung des Bildschirms auf einem Smartphone anpasst, ist ein Beispiel für ein MEMS, mit dem viele Menschen jeden Tag zu tun haben. Da MEMS immer kleiner werden, weniger Strom benötigen 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.
Andere kommerzielle Anwendungen von MEMS sind:
- Sensorgesteuerte Heiz- und Kühlsysteme für Gebäudemanagementsysteme.
- Mikrospiegel-Arrays für hochauflösende Projektionssysteme.
- Smart-Staub zur Erkennung von Umweltveränderungen in Reinräumen der Molekularfertigung (Nanotechnologie).
- Mikronozzles zur Steuerung des Tintenflusses in Tintenstrahldruckern.
- Winzige Gyroskope, Barometer, Beschleunigungsmesser und Mikrofone zur Unterstützung von Mobile Apps.
- Einweg-Drucksensoren für den Einsatz im Gesundheitswesen.
- Optische Schaltgeräte, die es ermöglichen, dass ein optisches Signal ein anderes optisches Signal steuert.
Das folgende MEMS ist eine Einweg-Insulinpumpe zum Tragen für die Verwaltung von Diabetes, die von Debiotech und STMicroelectronics entwickelt wurde. Laut Debiotech ist der Chip ein Stapel aus drei Schichten, die miteinander verbunden sind: eine Silizium-auf-Isolator (SOI)-Platte mit mikromechanischen Pumpenstrukturen und zwei Silizium-Deckplatten mit Durchgangslöchern. Ein piezoelektrischer Aktor auf dem Chip bewegt die Membran in einer hin- und hergehenden Bewegung, um Flüssigkeit in der Pumpkammer zu komprimieren und zu dekomprimieren.
Geschichte der MEMS
Die Idee, MEMS zu schaffen, begann in den 1980er Jahren; jedoch waren die Mittel zur Herstellung von MEMS (die Design- und Fertigungsinfrastruktur) bis in die 1990er Jahre nicht ausreichend vorhanden. Eine der ersten wenigen Arten von MEMS, die produziert wurden, waren für Airbag-Steuerungen und Tintenstrahl-Druckköpfe. In den späten 1990er Jahren wurde ein Projektor mit Mikrospiegeln (die MEMS nutzen) hergestellt. Ein Großteil der ursprünglichen Unterstützung für MEMS kam vom Defense Advanced Research Projects Agency Research and Development Electronics Technology Office.
Im Laufe der Zeit wurden Mikrosensoren für eine große Anzahl von Sensortypen verwendet, einschließlich Sensoren für Temperatur, Druck, Magnetfelder und Strahlung. In vielen Fällen waren Sensoren, die MEMS verwendeten, im Vergleich zu größeren Gegenstücken viel effizienter in der Leistung.
Heute haben die meisten Menschen täglich mit MEMS zu tun. Jedes neue Auto, das vom Fließband rollt, hat mindestens 50 MEMS; sie sind wesentliche Komponenten in verschiedenen vorgeschriebenen Sicherheitssystemen, einschließlich Airbags, elektronischer Stabilitätskontrolle (ESC) und Reifendruckkontrollsystemen (TPMS).
MEMS vs. NEMS
Während MEMS für mikro-elektromechanisches System steht, steht NEMS für nano-elektromechanisches System. NEMS würde in der Nanotechnologie verwendet werden, die eine Technologie ist, die Materie auf einer Nanoskala (etwa auf atomarer oder molekularer Ebene) manipulieren kann. Ein Top-Down-Ansatz in der Nanotechnologie verwendet Geräte, die viele ähnliche Techniken wie MEMS verwenden. MEMS und NEMS werden manchmal als separate Technologien bezeichnet, können aber als voneinander abhängig betrachtet werden, da NEMS-Technologien für NEMS erforderlich sind. Ein Beispiel: Ein Rastertunnelspitzenmikroskop (STM), das Atome detektieren kann, ist ein MEMS-Gerät.
Dieses Video der MEMS & Sensors Industry Group bietet eine Einführung in die MEMS-Technologie.