Micro-Electro-Mechanical System

Mechanische Komponente (Zahnradgetriebe) eines Mikrosystem

Ein Mikrosystem ist ein miniaturisiertes Gerät, das für eine bestimmte Aufgabe entwickelt wurde. Die Bezeichnung Mikrosystem leitet sich daraus ab, dass die Komponenten kleinste Abmessungen (im Mikrometerbereich) haben und als System zusammenwirken. Im Allgemeinen besteht ein Mikrosystem aus einem oder mehreren Sensoren, Aktoren und einer Steuerungselektronik auf einem Substrat bzw. Chip. Die Mikrosystemtechnik ist die Lehre von der Entwicklung der Mikrosysteme und von den Technologien zu deren Realisierung.

Begriff

Hinsichtlich des Begriffs Mikrosystem gibt es in der englischsprachigen Literatur keine einheitlichen Begriffe. Die einfache Übersetzung Micro Systems wird kaum genutzt (wenn dann im europäischen Raum). Verbreiteter sind aus den USA stammenden Begriffe Micro-Electro-Mechanical Systems und Micro-Opto-Mechanical Systems beziehungsweise ihre griffigen Abkürzungen MEMS und MOEMS genutzt werden. In asiatischen (vorrangig Japan) Veröffentlichungen findet sich hingegen auch die „erweiterte“ Bezeichnung Micromachines.

Allgemeiner Aufbau

Mikrosysteme basierten früher auf der Halbleiterelektronik, damals war das Grundmaterial (Substrat) in der Regel Silizium, aber auch Galliumarsenid. Die Mikroelektronik beschränkt sich auf elektrische Komponenten wie Transistoren (CPU) und Kondensatoren (RAM). Heute können Mikrosysteme auch preiswert aus Kunststoffen hergestellt werden, und die Ergebnisse im Bereich Materialforschung werden für multifunktionale Systeme genutzt. In der Mikrosystemtechnik sind die Möglichkeiten der Halbleiter-Werkstoffe erweitert um mechanische, optische, chemische und/oder biologische Komponenten und Funktionen.

Vorteile

Mikrosysteme bieten gegenüber konventionellen „Makrosystemen“ vor allem Vorteile in der Kostenersparnis (geringer Verbrauch an Werkstoffen, Parallel-Fertigung) und in der Effizienz (geringer Energie- und Leistungsbedarf ermöglicht autonome Systeme). Zudem bieten sie ein großes Funktionsspektrum, hohe Funktionsdichten, neue Funktionalität (Integration elektrischer und nicht elektrischer Funktionen). Denn durch die Integration und Miniaturisierung können „neue“ physikalische Effekte ausgenutzt werden und die kurzen Informationswege führen zu kurzen Reaktionszeiten durch kurze Informationswege. Des Weiteren haben sie meist eine höhere Zuverlässigkeit als konventionelle Systeme, vor allem durch den Wegfall von Steckern und Kabeln.

Anwendungsgebiete

Mikromechanische Greifarme eines Nanomanipulationssystems

Der Einsatz von Mikrosystemen ist überall dort denkbar und sinnvoll, wo Sensoren / Aktoren und Elektronik zusammenarbeiten. Medizinprodukte sowie Produkte aus den Bereichen Sicherheitstechnik, Sport, Biowissenschaften und Logistik können mit Hilfe von Mikrosystemen vielseitiger, einfacher, intelligenter, kleiner und leistungsfähiger werden.

Eines der größten Anwendungsbereiche sind Inertialsensoren. Sie werden schon lange in Großserie gefertigt und werden unter anderem für die Auslösung von Airbags, für die Erkennung freien Fall von Festplatten (für mobile Anwendungen) – sie erkennen hier, ob sich ein Gerät im freien Fall befindet, so dass der Lesekopf noch während des Sturzes in Parkposition gesetzen werden kann – oder als Lageerkennung in digitalen Fotokameras und modernen Eingabegeräten für Spielkonsolen genutzt. Ebenso werden sie in Foto- und Videokameras zur Realisierung mechanischer Bildstabilisatoren eingesetzt, um ein Verwackeln von Bildern zu vermeiden.

Optische Anwendungen für Mikrosysteme sind beispielsweise Bausteine in Videoprojektoren zur Darstellung von Bildern genutzt werden (siehe Mikrospiegelaktor).

Beispiele für Mikrosysteme aus der Mikrofluidik sind Bubble-Jet-Druckköpfe moderner Drucker oder Kunststoff-Lab-on-a-Chip-Systeme mit integrierten Ventilfunktionen. Ein weiteres bekanntes Beispiel eines Mikrosystems ist auch der noch nicht kommerziell erhältliche Millipede-Speicher (Stand Januar 2009).

Literatur

• Lars Voßkämper: Automatisierung im MEMS Entwurf: Kohärente Layoutsynthese und Modellbildung von skalierbaren mikroelektromechanischen Strukturen. Vdm Verlag Dr. Müller, 2008, ISBN 978-3639049237. 

Weblinks

• Stefan Tauschek: Von Mikromaschinen und Siliziumkreiseln: Zum Stand der MEMS-Technik und Implementierungen im Bereich Bewegunssensorik. 2008, abgerufen am 20. Feb. 2009
• Universität Freiburg: Vorlesung MST Bauelemente (Wintersemester 08/09). 2008, abgerufen am 20. Feb. 2009 (Vorlesungsfolien mit diversen Anwendungen sowie Abbildungen)
• MEMS-Anwendungen-Videos

Siehe auch

• System on a Chip