MEMS, Micro-Electro-Mechanical-Systems

MEMS – Micro-Electro-Mechanical-Systems – sind winzige Wunderwerke. Im Handy registrieren sie Lageveränderungen, im Reifen Druckveränderungen, in Maschinen Vibrationsänderungen. Sie bestehen aus einem mechanischen Element (im Bild oben) und aus einem Elektronik-Baustein (im Bild unten). - Bild: ccd systems

MEMS – aus Elektronik und Mechanik kombinierte Systeme im Chip-Format – erleben turnusmäßig immer wieder neuen Aufschwung. Den derzeitigen lösten die Entwicklungsaktivitäten in Richtung autonomes Fahren aus. „Seitdem gibt es viele MEMS-Entwicklungen für die Fahrzeug-Außenraumüberwachung“, berichtet der Wissenschaftler Ralf Dudde vom Fraunhofer ISIT.

MEMS fürs Auto gibt es erst, seitdem der weltweit größte MEMS-Sensor-Hersteller, nämlich Bosch, den Trockenätzprozess für Silizium – den sogenannten Bosch-Prozess – entwickelte. Davor sorgten die Winzlinge in Inkjet-Druckern für den Ausstoß der Tinte oder als Mikrospiegel in optischen Schaltern für mehr Bandbreite.

MEMS auf Siliziumbasis von Bosch

Bosch betreibt in Reutlingen eine Halbleiter-Fab – Silizium war als kostengünstiges Material also reichlich vorhanden. „Silizium zeigt im Gegensatz zu Metall keine plastische Deformation. Unser Ziel war es, daraus ein schwingungsfähiges Gebilde herzustellen“, sagt Bosch-Marketingmanager Joachim Kornmayer.

MEMS-Sensoren auf Siliziumbasis, wie sie heute in Massen verwendet werden, waren, so Kornmayer, nicht unbedingt naheliegend: „Silizium ist als Material, das sensibel auf Bewegung reagieren soll, recht ungewöhnlich, da es ein sprödes Material ist.“ Bis dato waren Sensoren, die die Beschleunigung oder Drehrate eines Fahrzeugs gemessen haben, aus Metallen oder speziellen Werkstoffen. „Sensoren zur Messung feinster Bewegungen waren feinmechanische Wunderwerke – zu teuer und zu aufwändig für die Großserie“, bestätigt Kornmayer.

Beschleunigungssensor, MEMS, Bosch
Ein dreiachsiger Beschleunigungssensor und ein menschliches Haar. Der SMA130 von Bosch ist nach eigenen Angaben der weltweit kleinste Beschleunigungssensor für Anwendungen im Kraftfahrzeug. Er verbraucht nur 130 Mikroampere. - Bild: Bosch

Durch das Präzisionsätzen werden feinste Kammstrukturen auf der Wafer-Oberfläche freigelegt. Die Finger dieser winzigen, miteinander verzahnten Kammstrukturen sind nicht mal ein Viertel so dick wie ein menschliches Haar. Bei einer plötzlichen Veränderung, etwa wenn das Auto scharf bremst, werden die Kämme gegeneinander verschoben. Die elektrische Ladung zwischen den Kämmen verändert sich.

Ein spezieller ASIC liest diesen Messwert aus, wandelt ihn in einen digitalen Wert um und gibt diesen über eine Schnittstelle zur Weiterarbeitung durch einen Mikrocontroller oder ein verbundenes Steuergerät aus.

Barometrischer Drucksensor

Das Neueste aus dem Hause Bosch ist ein barometrischer Drucksensor. Er misst in Motormanagementsystemen Luftdruck und Temperatur, um kontinuierlich das Luft-Kraftstoff-Gemisch optimal auf die sich ständig ändernden Umgebungsbedingungen abzustimmen. Er braucht kaum Energie und ist äußerst präzise.

Eine Wheatstone-Brücke im Verbund mit piezoresistiven Widerständen wandelt die durch den Luftdruck verursachte Durchbiegung einer flexiblen Membran im MEMS-Sensor in ein elektrisches Signal um. Das ganze System findet in einem Gehäuse von nur 4,9 x 3,9 x  1,5 mm Ausmaße Platz.

Herausforderungen in der Fertigung von MEMS

Obwohl die Maschinen und Anlagen der MEMS- und der Chip-Hersteller identisch sind, lassen sich diese nicht für beides nutzen. „Bei der Fertigung von MEMS gibt es keine Standardprozesse wie in der Elektronikfertigung“, berichtet Dudde. Jedes Bauelement erfordert einen spezifisch angepassten Prozess. „Das erschwert die Übertragbarkeit und führt dazu, dass das Wachstum weniger dynamisch ist als in der Mikroelektronik“, so Dudde.

Die 3D-Strukturen im Mikrometer-Bereich sind fertigungstechnisch weniger problematisch als der Umgang mit den unterschiedlichen Materialeigenschaften. „Für MEMS-Schaltungen benötigt man verschiedenste und völlig andere Materialien als in der Elektronikfertigung“, sagt Dudde, der sich am Fraunhofer ISIT mit der Übertragung der Methoden der Elektronikfertigung auf neue Materialien beschäftigt.

Was sind MEMS?

Laut Elektronik-Kompendium sind MEMS „winzige Bauelemente, die Logikelemente und mikromechanische Strukturen in einem Chip vereinen. Sie können mechanische und elektrische Informationen verarbeiten.“ Die Mikro-Elektronisch-Mechanischen-Systeme sind maximal wenige Millimeter klein, arbeiten in Smartphones, Druckern, Herzschrittmachern oder im Fahrzeug. Sie messen Drücke, Bewegungen, aber auch Licht und Gas.

Das Marktforschungsinstitut IHS Markit zählt drei verschiedene MEMS Typen auf, die 95 % der weltweiten MEMS-Umsätze ausmachen – den Drucksensor, den Beschleunigungssensor und das Gyroscop. Neben den messenden MEMS gibt es auch Aktuatoren, so zum Beispiel die winzigen Düsen in Inkjetdruckern, Mikrospiegel, Pumpen und Mikrofone.

MEMS bestehen immer aus zwei Elementen, einem mechanischen und einem elektronischen, verbunden sind diese über eine Drahtbrücke. Das mechanische Element besteht häufig aus Silizium, in das bewegliche 3D-Strukturen geätzt werden. Es können aber auch Glas-, Metall- oder Kunststoffelemente sein, oder aber es werden mehrere mechanische Elemente kombiniert – je nach Aufgabe. Der Elektronik-Baustein nimmt Bewegungsänderungen in der Umgebung auf und wandelt sie in ein weiterverwertbares Signal um. Oft werden weitere Funktionen wie Funk oder Security integriert.

Hergestellt werden sie wie Halbleiter-Chips. Da MEMS üblicherweise dreidimensionale Strukturen besitzen und zusätzliche Materialien beinhalten, können sie nicht als eine Produktvariante auf derselben Anlage wie beispielsweise ein IC gefertigt werden. ASIC und Sensor oder Aktuator werden getrennt gefertigt und an einem dritten Ort eingehaust.