In diesem Artikel werden die grundlegenden Eigenschaften und allgemeinen Anwendungen einer Technologie untersucht, die in einer Vielzahl von elektronischen Hochleistungsgeräten eingesetzt wird.

Ich schätze immer einen Namen, der wirklich informativ ist, und in dieser Hinsicht enttäuscht der Begriff „mikroelektromechanische Systeme“ (MEMS) nicht – er ist ebenso eine prägnante Definition wie ein Name.

Was bedeutet MEMS?

MEMS bezieht sich auf eine Technologie, die es ermöglicht, mechanische Strukturen zu miniaturisieren und gründlich mit elektrischen Schaltkreisen zu integrieren, was zu einem einzigen physischen Gerät führt, das eigentlich eher ein System ist, wobei „System“ bedeutet, dass mechanische Komponenten und elektrische Komponenten zusammenarbeiten, um die gewünschte Funktionalität zu implementieren. Es handelt sich also um ein elektrisches und mechanisches Mikrosystem.

Mechanisch zu elektrisch zu (mikro)mechanisch

Mechanische Komponenten und Systeme gelten im Allgemeinen als technologisch weniger fortschrittlich als vergleichbare Lösungen, die in erster Linie auf elektrischen Phänomenen basieren, aber das bedeutet nicht, dass der mechanische Ansatz generell minderwertig ist. Das mechanische Relais ist zum Beispiel viel älter als transistorbasierte Geräte, die eine ähnliche Funktionalität bieten, aber mechanische Relais sind immer noch weit verbreitet.

Noch haben typische mechanische Geräte immer den Nachteil, dass sie hoffnungslos sperrig sind im Vergleich zu den elektronischen Komponenten, die in integrierten Schaltungen zu finden sind. Die Platzbeschränkungen einer gegebenen Anwendung können dazu führen, dass elektrische Komponenten bevorzugt werden oder erforderlich sind, selbst wenn eine mechanische Implementierung zu einem einfacheren oder leistungsfähigeren Design geführt hätte.

Die MEMS-Technologie stellt eine konzeptionell einfache Lösung für dieses Dilemma dar: Wenn wir die mechanischen Bauteile so modifizieren, dass sie nicht nur sehr klein, sondern auch voll kompatibel mit den Herstellungsprozessen für integrierte Schaltkreise sind, können wir bis zu einem gewissen Grad das „Beste aus beiden Welten“ haben.“

Dies ist ein physikalisches Getriebe und eine Kette. Diese Maschinerie bewegt sich und funktioniert so, wie man es von einem Zahnrad und einer Kette erwarten würde, dass sie sich bewegen und funktionieren. Die Glieder der Kette sind jedoch nur etwa 50 µm lang, d.h. weniger als der Durchmesser eines menschlichen Haares. Bild mit freundlicher Genehmigung der Sandia National Laboratories.

Was macht ein MEMS aus?

Im vorherigen Abschnitt habe ich erklärt, dass die MEMS-Technologie eine konzeptionell einfache Lösung ist. Wie Sie vielleicht erwarten, ist die Idee eines mikroskopisch kleinen mechanischen Geräts viel einfacher, als es tatsächlich zu bauen.

Wir verwenden das Verb „bearbeiten“, um die Arbeit zu beschreiben, ein Stück Metall in eine mechanische Komponente wie ein Zahnrad oder eine Riemenscheibe zu verwandeln. In der MEMS-Welt lautet der äquivalente Begriff „to micromachine“. Die winzigen mechanischen Strukturen in einem MEMS-Gerät werden hergestellt, indem Silizium (oder ein anderes Substratmaterial) mit speziellen Techniken, über die ich fast nichts weiß, physikalisch modifiziert wird. Diese mechanischen Strukturen aus Silizium werden dann mit integrierten Schaltkreisen aus Silizium kombiniert, und das resultierende elektromechanische System wird in ein Gehäuse eingeschlossen und als einzelnes Gerät verkauft.

Wie in einem von der Loughborough University in England veröffentlichten Papier über MEMS erklärt wird, nutzen MEMS-Geräte mikrobearbeitete Strukturen, Sensoren und Aktoren. Sensoren ermöglichen es einem MEMS, thermische, mechanische, magnetische, elektromagnetische oder chemische Veränderungen zu erkennen, die von elektronischen Schaltungen in verwertbare Daten umgewandelt werden können, und Aktuatoren erzeugen physikalische Veränderungen, anstatt sie nur zu messen.

Beispiele für MEMS-Bauteile

Lassen Sie uns ein Beispiel für die Funktionalität und den inneren Aufbau eines MEMS-Bauteils betrachten.

Micromachined cantilever switch beams. Bild mit freundlicher Genehmigung von Analog Devices.

Diese Grafik vermittelt die physikalische Struktur von mikrobearbeiteten Cantilever-Schaltbalken. Es gibt vier Schaltbalken und jeder hat fünf Kontakte (die Verwendung von mehreren Kontakten ist eine Technik zur Reduzierung des Durchlasswiderstands). Die Schaltbalken werden durch eine angelegte Spannung betätigt.

Bild mit freundlicher Genehmigung von Analog Devices.

Hier sehen wir den MEMS-Schalter (rechts) und die zugehörige Treiberschaltung (links), zusammengeschaltet und in einem QFN-Gehäuse untergebracht. Die Treiberschaltung ermöglicht es einem typischen digitalen Gerät, wie z.B. einem Mikrocontroller, den Schalter effektiv zu steuern, da sie alles Notwendige tut, um ein rampenförmiges Hochspannungs-Betätigungssignal zu erzeugen, das einen effektiven und zuverlässigen Schalterbetrieb fördert.

MEMS-Anwendungen: Wann werden MEMS-Bauteile eingesetzt?

Die MEMS-Technologie kann in einer Vielzahl von elektronischen Komponenten eingesetzt werden. Die Firmen, die diese Komponenten herstellen, würden vermutlich behaupten, dass eine MEMS-Implementierung dem überlegen ist, was vor der MEMS-Version verwendet wurde. Es wäre schwierig, genug von diesen Behauptungen zu verifizieren, um eine verallgemeinerte Aussage nach dem Motto „MEMS-Bauteile bieten eine signifikant bessere Leistung als Nicht-MEMS-Bauteile“ zu rechtfertigen. Mein allgemeiner Eindruck ist jedoch, dass MEMS in vielen Situationen in der Tat einen bedeutenden Schritt nach vorne bedeutet, und wenn Leistung oder einfache Implementierung eine Priorität in Ihrem Design ist, würde ich mir MEMS-Bauteile zuerst ansehen.

Im Kontext der Elektrotechnik hat die MEMS-Technologie in vier Produktkategorien Eingang gefunden:

• Audio
• Sensoren
• Schalter
• Oszillatoren

Es könnte einige weniger verbreitete Produkte geben, die nicht in eine dieser Kategorien passen; wenn Sie etwas wissen, das ich übersehen habe, können Sie es uns gerne in den Kommentaren mitteilen.

Audio

Im Audiobereich haben wir MEMS-Mikrofone und MEMS-Lautsprecher. Die grundlegenden Eigenschaften eines MEMS-Mikrofons vermittelt das folgende Diagramm.

Sensoren

Sensoren sind die dominierende Anwendung der MEMS-Technik; es gibt MEMS-Gyroskope, Neigungssensoren, Beschleunigungssensoren, Strömungssensoren, Gassensoren, Drucksensoren und Magnetfeldsensoren.

Schalter

Elektrisch gesteuerte Schalter sind meiner Meinung nach eine besonders interessante Anwendung der MEMS-Technik. Der ADGM1004, über den ich in diesem Artikel geschrieben habe, ist einfach anzusteuern, arbeitet mit Signalfrequenzen von 0 Hz bis über 10 GHz, hat weniger als 1 nA Leckstrom im ausgeschalteten Zustand und bietet eine Betätigungslebensdauer von mindestens einer Milliarde Zyklen.

Oszillatoren

Die Kombination eines mikromechanischen Resonators mit einer Anregungsschaltung und einer Erhaltungsschaltung ergibt einen MEMS-Oszillator. Wenn Sie ein tatsächliches MEMS-Bauteil untersuchen möchten, können Sie sich einen News-Artikel aus dem Jahr 2017 ansehen, in dem ich den MEMS-Oszillator SiT2024B von SiTime besprochen habe.

Diagramm mit freundlicher Genehmigung von SiTime.

Ich habe nicht viel Erfahrung mit MEMS-Oszillatoren, aber ich denke, dass sie in anspruchsvollen Anwendungen eine ausgezeichnete Wahl sein könnten; in dem oben genannten Artikel über den SiT2024B weise ich darauf hin, dass ein MEMS-Oszillator nach Angaben von SiTime Quarz-basierte Oszillatoren ernsthaft übertreffen kann.