Mikro-elektromechanische Systeme (MEMS) sind eine wichtige Technologie für viele Applikationen und werden seit vielen Jahren für Funktionen in verschiedenen Bereichen eingesetzt. Es handelt sich dabei zwar eine ältere Technologie, aber aufgrund von Fortschritten in der Fertigungstechnologie werden die Features immer leistungsstärker und die Bauelemente immer kleiner, so dass MEMS mit immer mehr Materialien hergestellt werden können. Die Tatsache, dass mehr Features, Strukturen und Bauelemente mit vielen verschiedenen Materialien hergestellt werden können, hat MEMS für einen großen Bereich von Applikationen geöffnet.

Was sind MEMS?

MEMS sind kleine integrierte Systeme, die sowohl mechanische als auch elektrische Bauelemente zu funktionalen Bauteilen kombinieren. Es gibt viele verschiedene Verfahren zur Herstellung der verschiedenen Elemente von MEMS sowie zur Strukturierung und Veränderung des Aufbaus der Materialien, die für die einzelnen Bauelemente verwendet werden. Sie reichen von der Verwendung integrierter Schaltkreise für die Herstellung der elektronischen Bauelemente bis hin zu einer Vielzahl fortschrittlicher Mikrobearbeitungs-, Lithographie- und Abscheidungsmethoden für die Herstellung der mechanischen Bauelemente.

MEMS-Bauelemente bestehen aus vielen Komponenten und können relativ komplex sein. Die verschiedenen Komponenten können aus vielen Materialien bestehen, beispielsweise aus Silizium, verschiedenen Metallen, Keramiken und polymeren Materialien. Die Komponenten eines MEMS-Bauelements werden im Mikrometerbereich hergestellt, aber das gesamte Bauelement kann trotzdem noch wenige Millimeter groß sein, selbst wenn es eine Vielzahl von Komponenten enthält.

Wichtige Applikationen von MEMS

MEMS-Bauteile enthalten viele verschiedene mechanische Mikrostrukturen, Mikrosensoren, Mikroaktuatoren und Mikroelektronik auf einem Silizium-Chip. Aufgrund der zahlreichen Komponenten in MEMS können alle damit erstellten Bauteile für die Erkennung, Steuerung und Aktuatorik auf Mikroebene konzipiert werden, bieten aber auch Funktionen und Vorteile auf Makroebene. So wurden beispielsweise viele verschiedene Aktuatoren mit MEMS entwickelt, darunter optische, Strahlungs-, thermische, magnetische, chemische und mechanische Aktuatoren. Angesichts dieser großen Bandbreite an MEMS-Bauteilen und der Anzahl an Komponenten und Materialien, die verwendet werden können, ergeben sich zahlreiche wichtige Applikationen für MEMS, vor allem in den Bereichen Industrie, Automotive, Photonik, Life Science und HF.

Im Bereich der Erkennungs-Anwendungen werden MEMS für Drucksensoren, Beschleunigungsmesser, Strahlungssensoren, thermische Sensoren, Magnetsensoren, Durchfluss-Sensoren, Gassensoren, chemische Sensoren und biologische Sensoren eingesetzt. In bestimmten Industrien werden Drucksensoren in industriellen Umgebungen mit hohen Temperaturen und für medizinische Applikationen eingesetzt. In bestimmten Fahrzeuganwendungen werden Beschleunigungsmesser als Airbag-Auslösesensoren eingesetzt, wohingegen Gassensoren zur Messung der Kohlenmonoxidkonzentration verwendet werden.

Im industriellen Bereich werden MEMS für spezifische Applikationen in Flüssigkeitsdüsen, Scharniermechanismen, Thermotintenstrahldruckerköpfen, mikromechanischen Ventilen, Mikropumpen und Mikropositionierern in Datenspeichern eingesetzt. MEMS sind auch in optischen und photonischen Applikationen weit verbreitet, z. B. in Displays, Infrarot-Bildgebungsapplikationen, Projektionsdisplays, Glasfaser-Kommunikationsbauteilen, abstimmbaren Lasern, optischen Schaltern, photonischen Schaltern und Wellenlängenkopplungsanwendungen.

In medizinischen und biowissenschaftlichen Applikationen werden MEMS in einem breiten Bereich eingesetzt. MEMS kommen in mikrofluidischen Bauelementen als Teil der Misch- und Pumpenkomponenten, in Mikroelektroden-Arrays, die Zellkulturen und DNA (und deren Hybridisierung) analysieren können, sowie in PCR-on-a-Chip- und Elektrophorese-on-a-Chip-Bauelementen zum Einsatz.

Eine weiterer spezifischer Bereich, in dem MEMS häufig eingesetzt werden, sind HF-Applikationen. MEMS-Bauteile werden in mikromechanischen Kondensatoren und Induktivitäten, mikroelektromechanischen Resonatoren, Kammantriebsresonatoren, Balkenresonatoren, gekoppelten Resonator-Bandpassfiltern, mikroelektromechanischen Schaltern, Membran-Shunt-Schaltern und Cantilever-Schaltern eingesetzt.

Die Bandbreite der MEMS Applikationen geht weit über das hinaus, was hier dargestellt werden kann – und sogar über die eigentliche Definition von MEMS hinaus. Es gibt zwar definierte Merkmale, die MEMS von anderen komplexen Systemen unterscheiden, aber es gibt auch einige Überschneidungen mit anderen Integrationstechnologien, bei denen Bauelemente in Mikrometergröße verwendet werden sowie mit den Bereichen, in denen sie zum Einsatz kommen. Daher werden MEMS und andere ähnliche Integrationssysteme oft unter dem Begriff Mikrosystemtechnologien (MST) zusammengefasst. Ein Beispiel hierfür sind mikro-opto-elektromechanische Systeme (MOEMS), die den MEMS ähneln. Doch neben mechanischen und elektronischen Bauelementen kommen bei MOEMS auch miniaturisierte Optiken zum Einsatz, die bestimmte Funktionen erfüllen und dem Bauteil unterschiedliche Makroeigenschaften und Funktionsumfänge verleihen.

Fazit

MEMS sind komplexe und gleichzeitig vielseitige Systeme, die zahlreiche unterschiedliche elektronische und mechanische Bauelemente enthalten und aufgrund dieser Bauelemente unterschiedliche Funktionsumfänge aufweisen. Aufgrund des breiten Spektrums an Materialien und Komponenten, die für MEMS verwendet werden können, wurden sie für zahlreiche Applikationen in vielen verschiedenen Branchen konzipiert und entwickelt, beispielsweise für die industrielle Fertigung, Automotive, Biowissenschaften, HF, Optik und Photonik. Angesichts der Fortschritte bei den Fertigungsmethoden, die zu immer kleineren Baugrößen mit immer mehr Funktionsvielfalt führen, ist es wahrscheinlich, dass der Anwendungsbereich von MEMS weiter wachsen wird, obwohl diese Technologie bereits seit vielen Jahren etabliert ist.