MEMS, also Micro-Electro-Mechanical Systems, werden meist auf Halbleiterchips hergestellt. Die winzigen Helferlein sind in der modernen Technik unverzichtbar. Lesen Sie hier, wo, wie und warum sie eingesetzt werden. (Bild: Fontanis - stock.adobe.com)
Was sind MEMS?
Der Begriff MEMS steht für „Micro-Electro-Mechanical Systems” und bezeichnet miniaturisierte mechanische und elektromechanische Bauelemente, die sowohl mechanische als auch elektrische Funktionen auf kleinstem Raum vereinen. Diese Systeme basieren oft auf Halbleitertechnologie, obwohl sie keine traditionellen Halbleiter sind. MEMS kombiniert mechanische Komponenten wie Zahnräder und Hebel mit Mikroelektronik auf Siliziumchips. MEMS ermöglichen die Messung physikalischer Parameter wie Druck, Temperatur, Bewegung und Magnetfelder sowie deren Umwandlung in elektrische Signale.
Funktionsweise und Anwendungen von MEMS-Sensoren
Ein MEMS-Sensor erfasst physikalische Veränderungen in seiner Umgebung und wandelt diese in elektrische Signale um. Diese werden anschließend weiterverarbeitet, um die gewünschte Information zu extrahieren. MEMS-Sensoren weisen eine große Variationsbreite hinsichtlich ihrer Größe auf, wobei die typischen Abmessungen im Mikrometer- bis Millimeterbereich liegen. Ihre geringen Abmessungen ermöglichen die Integration in kompakte Geräte wie Smartphones, medizinische Geräte und Automobilkomponenten.
Welche MEMS-Sensoren gibt es?
Neigungssensoren und Beschleunigungssensoren
Neigungssensoren messen die Neigung eines Objekts relativ zur Schwerkraft. Im Inneren befindet sich eine kleine Masse, deren Bewegung entsprechend der Erdanziehungskraft erfolgt. Die erfasste Bewegung wird durch MEMS-Komponenten in elektrische Signale umgewandelt. In Mobiltelefonen erkennen Neigungssensoren die Bewegung und Ausrichtung des Geräts, wodurch Funktionen wie die automatische Bildschirmrotation ermöglicht werden. Beschleunigungssensoren messen die Beschleunigung eines Objekts entlang einer oder mehrerer Achsen. Sie sind in der Lage, Änderungen in der Geschwindigkeit und Richtung der Bewegung zu erkennen und diese in elektrische Signale umzuwandeln, die einer weiteren Verarbeitung zugeführt werden können. Die genannten Sensoren sind häufig auf der Hauptplatine des Geräts integriert.
Gyroskope und Magnetfeldsensoren
Ein MEMS-Gyroskop ist ein Sensor, der die Drehbewegungen eines Objekts misst. Die Korioliskraft, welche auf eine rotierende Masse wirkt, wird zur Erfassung und Umwandlung von Drehgeschwindigkeiten genutzt. In Mobiltelefonen werden Gyroskope für diverse Anwendungen eingesetzt, darunter Augmented Reality, Navigation und die Stabilisierung von Kamerabildern. Die Prüfung der technischen Spezifikationen eines Mobiltelefons oder die Verwendung einer entsprechenden App kann Aufschluss darüber geben, ob das Gerät über ein Gyroskop verfügt. Die Mehrheit der modernen Smartphones, einschließlich der iPhones, ist mit Gyroskopen ausgestattet. Magnetfeldsensoren sind in der Lage, Magnetfelder zu erkennen und können zur Navigation oder zur Erfassung der Position von magnetischen Objekten verwendet werden. Diese Sensoren sind in zahlreichen elektronischen Geräten integriert und dienen der Orientierung sowie der Positionsbestimmung.
MEMS-Mikrofone und Ultraschallsensoren
MEMS-Mikrofone sind winzige Mikrofone, die in einer Vielzahl moderner Geräte, darunter Smartphones und Hörgeräte, zum Einsatz kommen. Die Umwandlung von Schallwellen in elektrische Signale erfolgt durch Registrierung des Drucks der Schallwellen auf eine bewegliche Membran innerhalb des Sensors. Ein Ultraschallsensor ist ein Messgerät, welches die Entfernung zu einem Objekt mittels Aussendung von Ultraschallwellen und der anschließenden Messung der Zeit, die die Wellen benötigen, um vom Objekt zurückzukehren, bestimmt. Die Reichweite eines solchen Sensors ist von dessen Bauart und Anwendung abhängig, beträgt jedoch in der Regel einige Meter.
Induktive Sensoren und Bildsensoren
Induktive Sensoren messen Änderungen in einem Magnetfeld, das durch die Bewegung eines metallischen Objekts in der Nähe des Sensors beeinflusst wird. Die durch die Änderungen erzeugten elektrischen Signale liefern Informationen über die Position oder Bewegung des Objekts. Ein induktiver Drehzahlsensor misst die Drehzahl eines rotierenden Objekts auf ähnliche Weise. Bildsensoren wie der 1-Zoll-Bildsensor, der eine Diagonale von etwa 16 Millimetern aufweist, werden häufig in hochwertigen Digitalkameras verwendet. Ein Vollformatsensor weist die gleichen Abmessungen wie ein 35-mm-Filmrahmen auf, also etwa 36 x 24 Millimeter, und ermöglicht die Erstellung von Bildern mit exzellenter Qualität, die häufig in professionellen Kameras zum Einsatz kommen.
Lebensdauer und Funktionsweise von Sensoren
Die Lebensdauer sowie die Funktionsweise von Sensoren werden maßgeblich durch deren Bauart sowie die vorherrschenden Betriebsbedingungen determiniert. Hochwertige Sensoren weisen in der Regel eine Lebensdauer von mehreren Jahren auf. Die Funktionsweise eines Sensors basiert auf der Erfassung physikalischer Veränderungen in der Umgebung und der Umwandlung dieser Veränderungen in elektrische Signale. Kapazitive Beschleunigungssensoren messen beispielsweise die Beschleunigung, indem sie Änderungen in der Kapazität zwischen beweglichen und festen Platten innerhalb des Sensors registrieren. Abstandssensoren messen die Entfernung zu einem Objekt, indem sie Ultraschall- oder Infrarotwellen nutzen. Die Zeit, die diese Wellen benötigen, um von einem Objekt zurückzukehren, wird gemessen.
Welche Unternehmen sind die größten MEMS-Hersteller weltweit?
Laut einer Untersuchung von Yole aus dem Jahr 2022 ist Bosch aus Deutschland der weltweit führende Hersteller von MEMS-Sensoren. Das Produktportfolio umfasst eine Vielzahl an Inertialsensoren, Umweltsensoren, intelligenten Sensoren, optischen und akustischen Sensoren, welche insbesondere für die Automobilindustrie und Unterhaltungselektronik entwickelt wurden. Der zweitgrößte MEMS-Anbieter weltweit ist Broadcom aus den USA. Das Unternehmen entwickelt optische Sensoren, Näherungssensoren und Umgebungslichtsensoren, die hauptsächlich in Kommunikations- und Industrieanwendungen zum Einsatz kommen. Qorvo aus den USA ist ein weiterer bedeutender Akteur auf dem Markt für MEMS-Filter für die 5G-Kommunikation.
Zu den weiteren bedeutenden Akteuren auf dem Markt für MEMS-Hersteller gehören STMicroelectronics aus der Schweiz und TDK aus Japan, die beide zu den fünf größten Anbietern weltweit zählen und im Jahr 2021 ein starkes Wachstum verzeichnen konnten. Zu den weiteren namhaften Anbietern von MEMS gehören Qualcomm, Texas Instruments, Infineon und Goertek aus China, die einzige chinesische Firma unter den zehn größten Anbietern.
Der globale Markt für MEMS wuchs im Jahr 2021 um 17 % auf rund 13,6 Mrd. US-Dollar. Bis zum Jahr 2027 wird ein jährliches Wachstum von etwa 9 % erwartet. Die steigende Nachfrage nach Sensoren aus den Bereichen Automobil, Unterhaltungselektronik und Medizintechnik ist ein wesentlicher Faktor für das prognostizierte Wachstum.
Was sind die Vorteile von MEMS im Vergleich zu anderen Technologien?
Einige der Vorteile von MEMS gegenüber anderen Technologien sind:
- Größe und Gewicht: MEMS sind klein, leicht und kompakt, was sie für den Einsatz in tragbaren Geräten und miniaturisierten Systemen prädestiniert.
- Integrierbarkeit: MEMS können leicht in größere Systeme integriert werden, da sie auf kleinen Chips hergestellt werden können, was die Gesamtgröße und die Kosten des Systems verringert.
- Robustheit: MEMS-Geräte sind robust und können hohen Temperaturen, Stößen und Vibrationen standhalten, was sie für den Einsatz in rauen Umgebungen prädestiniert.
- Präzision und Empfindlichkeit: MEMS-Sensoren und -Aktoren können mit hoher Präzision und Empfindlichkeit arbeiten, was eine genaue Überwachung und Steuerung von Prozessen ermöglicht.
- Kosteneffizienz: Die MEMS-Technologie hat in den letzten Jahren erhebliche Fortschritte gemacht, was zu einer Senkung der Herstellungskosten geführt hat, wodurch sie für eine Vielzahl von Anwendungen erschwinglicher geworden ist.
- Energieeffizienz: MEMS-Geräte sind energieeffizient und benötigen nur geringe Mengen an Energie, um zu funktionieren, was sie zu einer geeigneten Wahl für batteriebetriebene Geräte und Systeme macht.
Wo werden MEMS eingesetzt?
MEMS werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt:
- Unterhaltungselektronik: MEMS-Sensoren und -Aktoren werden häufig in Smartphones, Tablets und Laptops eingesetzt, um Funktionen wie Bewegungserkennung, Orientierung, Touchscreens und Stabilisierung zu ermöglichen.
- Automobilindustrie: MEMS-Geräte werden in der Automobilindustrie eingesetzt, um Funktionen wie Abstandsregelung, Airbags und Treibstoffeffizienz zu ermöglichen.
- Medizintechnik: MEMS-Geräte werden in der Medizintechnik eingesetzt, um Funktionen wie In-vitro-Diagnostik, endoskopische Bildgebung und Miniaturimplantate zu ermöglichen.
- Militär und Verteidigung: MEMS-Geräte werden in der Verteidigungsindustrie eingesetzt, um Funktionen wie Waffensysteme, Überwachungs- und Kontrolltechnologien zu ermöglichen.
- Umweltüberwachung: MEMS-Geräte werden in der Umweltüberwachung eingesetzt, um Funktionen wie die Überwachung der Luft- und Wasserqualität, die Überwachung von Öl- und Gasvorkommen sowie die Überwachung von Boden- und Klimadaten zu ermöglichen.
- Industrielle Steuerung: MEMS-Geräte werden in der industriellen Steuerung eingesetzt, um Funktionen wie Prozesssteuerung, Maschinen- und Anlagenüberwachung zu ermöglichen.