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.

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?

MEMS steht für „Micro-Electro-Mechanical Systems“ und bezieht sich auf winzige Geräte, die elektronische und mechanische Komponenten kombinieren. Sie sind in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, darunter Sensoren, Aktuatoren, Display-Technologien und Mikrofluidik. MEMS-Geräte werden oft auf Halbleiterchips hergestellt und haben Abmessungen im Bereich von Mikrometern oder weniger.

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Woraus bestehen MEMS?

MEMS bestehen aus einer Kombination elektronischer und mechanischer Komponenten, die auf einem Halbleiterchip integriert sind. Die elektronischen Komponenten umfassen häufig dünne Schichten aus Metall oder anderen leitfähigen Materialien, die zur Übertragung und Verarbeitung elektrischer Signale verwendet werden. Die mechanischen Komponenten bestehen oft aus mikroskopisch kleinen Strukturen wie Federn, Klappen oder Schwingscheiben, die Bewegungen oder Positionsänderungen messen oder steuern können. Alle Komponenten werden durch eine Schicht aus Isoliermaterial vor elektrischen Störungen geschützt.

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Wie werden MEMS hergestellt?

MEMS werden häufig mit Hilfe von Mikrofertigungsverfahren hergestellt, die auf den Prinzipien der Halbleiterfertigung basieren. Die folgenden Schritte können in einem typischen Herstellungsprozess durchgeführt werden:

  1. Wafer-Vorbereitung: Ein Silizium- oder anderer Halbleiter-Wafer wird bereitgestellt und gereinigt.
  2. Schichtdeposition: Eine Schicht aus Isolationsmaterial wie SiO2 wird auf den Wafer aufgebracht, um elektrische Störungen zu vermeiden.
  3. Lithographie: Eine Schablone wird verwendet, um das Design für die mechanischen Strukturen auf die Isolationsschicht zu übertragen.
  4. Materialentfernung: Die überflüssigen Teile der Isolationsschicht werden entfernt, um die mechanischen Strukturen freizulegen.
  5. Schichtdeposition (Fortführung): Elektrisch leitende Schichten werden auf die Strukturen und den Wafer aufgebracht, um die elektronischen Komponenten zu bilden.
  6. Abtrennung: Die MEMS-Geräte werden aus dem Wafer ausgestanzt und getestet.
  7. Packaging: Die MEMS-Geräte werden in einem Gehäuse geschützt und mit elektrischen Anschlüssen versehen, um sie für ihre endgültige Anwendung bereitzustellen.

Dies ist ein allgemeiner Prozess, der je nach Anforderungen und Designbedingungen variieren kann.

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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.

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Stefan Weinzierl, Chefredakteur bei mi-connect / verlag moderne industrie gmbh
(Bild: mi-connect)

Der Autor Stefan Weinzierl ist Chefredakteur bei mi-connect und hat sich auf Aerospace, Rüstung und Spezialmaschinen sowie alles Neue in der Industrie spezialisiert. Ursprünglich hatte er den Rat seines Opas befolgt und "was gscheids" gelernt, doch sein Talent, Storys spannend, hintergründig und verständlich zu erzählen, trieb ihn in den Journalismus. Stefan hat den Journalismus von der Pike auf gelernt: Praktikum, Volontariat, Redakteur, Chef vom Dienst und schließlich Chefredaktion im besten Fachverlag der Welt. Privat findet man ihn eher im Wald mit einem Bogen in der Hand oder am Grill – dann aber mit einem Steak.

 

Wie funktionieren MEMS-Sensoren und Aktuatoren?

MEMS-Sensoren arbeiten, indem sie Veränderungen in ihrer Umgebung wie Druck, Beschleunigung, Position, Temperatur usw. messen und diese Messwerte in elektrische Signale umwandeln. Diese Signale können dann von elektronischen Geräten verarbeitet und analysiert werden.

MEMS-Aktoren arbeiten auf ähnliche Weise, indem sie elektrische Signale in mechanische Bewegungen umwandeln. Beispielsweise kann ein MEMS-Aktor ein kleines Ventil steuern, um den Fluss einer Flüssigkeit oder eines Gases zu regulieren, oder eine Linse in einer Kamera bewegen, um den Fokus einzustellen.

In beiden Fällen werden MEMS-Sensoren und -Aktoren durch elektromechanische Effekte angetrieben, die durch elektrische Felder oder Ströme erzeugt werden. Diese Effekte sind so schwach, dass sie nur im Mikrometer- oder Nanometerbereich auftreten, aber stark genug, um Messungen oder Bewegungen in einer Vielzahl von Anwendungen zu ermöglichen.

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Was sind die Herausforderungen bei der Herstellung von MEMS-Geräten und wie werden sie überwunden?

Die Herstellung von MEMS-Geräten birgt eine Reihe von Herausforderungen, die auf die sehr kleine Größe und die komplexe Struktur der Geräte zurückzuführen sind. Einige der wichtigsten Herausforderungen sind:

  • Prozessstabilität: Da MEMS-Geräte sehr klein sind, ist es schwierig sicherzustellen, dass alle Prozesse während der Herstellung einheitlich und präzise durchgeführt werden.
  • Materialauswahl: Die Auswahl des richtigen Materials für MEMS-Geräte ist wichtig, um deren Leistungsfähigkeit und Lebensdauer zu gewährleisten.
  • Integrationsprobleme: Da MEMS-Geräte Teil eines größeren Systems sind, müssen sie oft mit anderen Komponenten integriert werden, was zu technischen Herausforderungen führen kann.
  • Qualitätssicherung: Die Überprüfung der Funktionsfähigkeit von MEMS-Geräten ist aufgrund ihrer geringen Größe schwierig und kann eine Herausforderung darstellen.

Um diese Schwierigkeiten zu überwinden, werden MEMS-Geräte in einer Reihe von Schritten hergestellt, die häufig spezielle Ausrüstungen und Fertigungstechnologien erfordern. Dazu gehören Schritte wie Fotolithografie, Ätzverfahren, Materialabscheidung, Mikromontage und Prüfung. Darüber hinaus werden fortgeschrittene Simulations- und Modellierungstechniken eingesetzt, um die Leistung von MEMS-Geräten vor der Fertigung vorherzusagen und zu optimieren.

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Wo werden MEMS eingesetzt?

MEMS werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt:

  1. Unterhaltungselektronik: MEMS-Sensoren und -Aktoren werden häufig in Smartphones, Tablets und Laptops eingesetzt, um Funktionen wie Bewegungserkennung, Orientierung, Touchscreens und Stabilisierung zu ermöglichen.
  2. Automobilindustrie: MEMS-Geräte werden in der Automobilindustrie eingesetzt, um Funktionen wie Abstandsregelung, Airbags und Treibstoffeffizienz zu ermöglichen.
  3. Medizintechnik: MEMS-Geräte werden in der Medizintechnik eingesetzt, um Funktionen wie In-vitro-Diagnostik, endoskopische Bildgebung und Miniaturimplantate zu ermöglichen.
  4. Militär und Verteidigung: MEMS-Geräte werden in der Verteidigungsindustrie eingesetzt, um Funktionen wie Waffensysteme, Überwachungs- und Kontrolltechnologien zu ermöglichen.
  5. 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.
  6. Industrielle Steuerung: MEMS-Geräte werden in der industriellen Steuerung eingesetzt, um Funktionen wie Prozesssteuerung, Maschinen- und Anlagenüberwachung zu ermöglichen.

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Wo werden MEMS in Zukunft eingesetzt?

Künftig werden Micro Electro Mechanical Systems in einer Vielzahl von Anwendungen zum Einsatz kommen:

  • Internet der Dinge (IoT): MEMS-Sensoren und -Aktoren werden vermehrt in IoT-Geräten wie Smart Home-Systemen, Wearables und Industrieanlagen eingesetzt, um Daten zu sammeln, zu übertragen und zu verarbeiten.
  • Automatisierte Systeme: MEMS-Geräte werden häufiger in automatisierten Systemen wie Drohnen, autonomen Fahrzeugen und Fabrikrobotern eingesetzt, um eine höhere Präzision und Reaktionsfähigkeit zu ermöglichen.
  • Biomedizin: MEMS-Geräte werden weiter verbessert und in der Biomedizin eingesetzt, um Funktionen wie In-vivo-Diagnose, Therapie und Überwachung von Krankheiten zu ermöglichen.
  • Umweltüberwachung: MEMS-Geräte werden weiter verbessert und in der Umweltüberwachung eingesetzt, um eine bessere Überwachung der Luft- und Wasserqualität, des Klimawandels und von Naturkatastrophen zu ermöglichen.
  • Energie- und Ressourcenmanagement: MEMS-Geräte werden öfter in der Energie- und Ressourcenüberwachung eingesetzt, um eine bessere Überwachung und Verwaltung des Energie- und Ressourcenbedarfs zu ermöglichen.

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Welche möglichen Gesundheits- und Umweltauswirkungen haben MEMS-Geräte?

Es gibt einige mögliche Gesundheits- und Umweltauswirkungen, die mit der Verwendung von MEMS-Geräten in Verbindung gebracht werden können:

  1. Elektromagnetische Störungen: MEMS-Geräte können elektromagnetische Störungen verursachen, die andere elektronische Geräte beeinflussen und stören können.
  2. Schädliche Materialien: Einige Materialien, die bei der Herstellung von MEMS-Geräten verwendet werden, können gesundheits- oder umweltschädlich sein, wenn sie nicht sicher entsorgt werden.
  3. Datenschutz- und Sicherheitsbedenken: MEMS-Geräte, insbesondere solche, die mit dem Internet verbunden sind, können Datenschutz- und Sicherheitsbedenken aufwerfen, da sie sensible Daten erfassen und übertragen können.
  4. Auswirkungen auf natürliche Ressourcen: Die Herstellung von MEMS-Geräten kann Auswirkungen auf natürliche Ressourcen haben, vornehmlich wenn große Mengen an Energie und Ressourcen für die Herstellung benötigt werden.

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Im Bereich MEMS gibt es eine Reihe von Technologietrends, die die Zukunft beeinflussen werden. Hier einige der wichtigsten:

  • Integrierte Systeme: Die Integration von MEMS-Sensoren und -Aktoren in größere Systeme wie Smartphones, Wearables und IoT-Geräte (Internet of Things) wird weiter zunehmen.
  • Mikrofluidik: Der Einsatz von MEMS-Technologie in der Mikrofluidik wird weiter zunehmen und neue Anwendungen ermöglichen, z. B. die Entwicklung kompakter, tragbarer Diagnosegeräte.
  • Künstliche Intelligenz: Die Kombination von MEMS-Sensoren mit künstlicher Intelligenz (KI) und maschinellem Lernen wird neue Anwendungen wie vorausschauende Wartung und verbesserte Prozesseffizienz ermöglichen.
  • Biomedizinische Anwendungen: Der Einsatz von MEMS-Technologien in der Biomedizin wird weiter zunehmen, einschließlich der Entwicklung von Implantaten, tragbaren Geräten und Geräten für die Heimüberwachung.
  • Automatisierte Fahrzeuge: Der Einsatz von MEMS-Sensoren und -Aktoren in automatisierten und selbstfahrenden Fahrzeugen wird weiter zunehmen.
  • Augmented und Virtual Reality: Der Einsatz von MEMS-Sensoren in Augmented und Virtual Reality (AR/VR)-Geräten wird weiter zunehmen und neue Anwendungen ermöglichen.

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Wer sind die wichtigsten Hersteller von MEMS?

Es gibt eine Reihe von Unternehmen, die MEMS-Geräte herstellen, darunter:

  1. STMicroelectronics: Eines der größten Unternehmen im Bereich MEMS, mit einem breiten Portfolio an MEMS-Sensoren und -Aktuatoren.
  2. Bosch Sensortec: Ein führender Hersteller von MEMS-Sensoren für eine Vielzahl von Anwendungen, einschließlich Smartphones, Automobil und Internet of Things (IoT).
  3. InvenSense (jetzt Teil von TDK): Ein führender Hersteller von MEMS-Sensoren für Anwendungen wie Smartphones, Spielekonsolen und Virtual Reality (VR).
  4. Kionix (jetzt Teil von ROHM): Ein führender Hersteller von MEMS-Beschleunigungssensoren und Gyroskopen.
  5. AKM Semiconductor: Ein führender Hersteller von MEMS-Sensoren für Anwendungen wie Smartphones, Automobil und Virtual Reality (VR).
  6. NXP Semiconductors: Ein weiterer großer Hersteller von MEMS-Sensoren und -Aktuatoren, der ein breites Portfolio an Produkten anbietet.

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