Mikro-Elektro-Mechanische Systeme, kurz MEMS, stellen eine Technologie dar, die in ihrer allgemeinsten Form als miniaturisierte mechanische und elektromechanische Elemente – also Vorrichtungen und Strukturen – definiert werden kann, welche unter Anwendung von Mikrobearbeitungstechniken hergestellt werden. Die kritischen physikalischen Dimensionen von MEMS-Bauteilen können dabei von weit unter einem Mikrometer am unteren Ende des Spektrums bis hin zu mehreren Millimetern variieren. Entsprechend vielfältig sind auch die Typen von MEMS-Vorrichtungen: Sie reichen von relativ einfachen Strukturen ohne bewegliche Elemente bis hin zu äußerst komplexen elektromechanischen Systemen mit mehreren beweglichen Komponenten, die von integrierter Mikroelektronik gesteuert werden. Das zentrale Kriterium für MEMS ist, dass zumindest einige Elemente eine Art mechanische Funktionalität aufweisen, unabhängig davon, ob diese Elemente sich bewegen können oder nicht. Der Begriff für MEMS variiert regional; während in den Vereinigten Staaten vorwiegend von MEMS gesprochen wird, sind in anderen Teilen der Welt Bezeichnungen wie „Mikrosystemtechnik“ oder „mikrobearbeitete Bauteile“ gebräuchlich.
Obwohl die funktionalen Elemente von MEMS miniaturisierte Strukturen, Sensoren, Aktuatoren und Mikroelektronik umfassen, sind die bemerkenswertesten (und vielleicht interessantesten) Komponenten die Mikrosensoren und Mikroaktuatoren. Mikrosensoren und Mikroaktuatoren werden passenderweise als „Wandler“ kategorisiert, also als Geräte, die Energie von einer Form in eine andere umwandeln. Im Falle von Mikrosensoren wandelt das Gerät typischerweise ein gemessenes mechanisches Signal in ein elektrisches Signal um.
Schematische Darstellung verschiedener MEMS-Komponenten und ihrer Funktionen, einschließlich Sensoren und Aktuatoren
Die Kernkomponenten von MEMS: Mikrosensoren und Mikroaktuatoren
In den vergangenen Jahrzehnten haben Forscher und Entwickler im Bereich der MEMS-Technologie eine äußerst große Anzahl von Mikrosensoren für nahezu jede erdenkliche Erfassungsmodalität demonstriert, darunter Temperatur, Druck, Trägheitskräfte, chemische Spezies, Magnetfelder und Strahlung. Bemerkenswerterweise haben viele dieser mikrobearbeiteten Sensoren Leistungen gezeigt, die jene ihrer makroskaligen Gegenstücke übertreffen. Das bedeutet, die mikrobearbeitete Version beispielsweise eines Druckwandlers übertrifft in der Regel einen Drucksensor, der mit den präzisesten makroskaligen Bearbeitungstechniken hergestellt wurde.
Mikrosensoren: Die “Augen” der Systeme
Die Leistungsfähigkeit von MEMS-Geräten ist nicht nur außergewöhnlich, sondern ihre Herstellungsmethode nutzt dieselben Batch-Fertigungstechniken, die in der integrierten Schaltkreisindustrie verwendet werden. Dies kann zu niedrigen Produktionskosten pro Gerät sowie zu vielen anderen Vorteilen führen. Folglich ist es möglich, nicht nur eine herausragende Geräteleistung zu erzielen, sondern dies auch zu vergleichsweise geringen Kosten. Es überrascht nicht, dass Silizium-basierte diskrete Mikrosensoren schnell kommerziell genutzt wurden und die Märkte für diese Geräte weiterhin rasant wachsen.
Mikroaktuatoren: Die “Arme” der Systeme
In jüngerer Zeit hat die MEMS-Forschungs- und Entwicklungsgemeinschaft eine Reihe von Mikroaktuatoren demonstriert, darunter: Mikroventile zur Steuerung von Gas- und Flüssigkeitsströmen; optische Schalter und Spiegel zur Umlenkung oder Modulation von Lichtstrahlen; unabhängig gesteuerte Mikrospiegel-Arrays für Displays; Mikroresonatoren für verschiedene Anwendungen; Mikropumpen zur Erzeugung positiver Fluiddrücke; Mikroklappen zur Modulation von Luftströmen an Tragflächen sowie viele weitere. Überraschenderweise können diese Mikroaktuatoren, obwohl sie extrem klein sind, häufig Effekte auf makroskaliger Ebene hervorrufen. Das heißt, diese winzigen Aktuatoren können mechanische Leistungen erbringen, die weit über ihre Größe hinausgehen. So haben Forscher beispielsweise kleine Mikroaktuatoren an der Vorderkante von Flugzeugtragflächen platziert und konnten das Flugzeug allein mit diesen mikrominiaturisierten Vorrichtungen steuern.
Oberflächenmikrobearbeiteter, elektrostatisch angetriebener Mikromotor als Beispiel für einen MEMS-Mikroaktuator
Die Integration von MEMS und Mikroelektronik
Das wahre Potenzial von MEMS beginnt sich zu entfalten, wenn diese miniaturisierten Sensoren, Aktuatoren und Strukturen zusammen mit integrierten Schaltkreisen (d.h. Mikroelektronik) auf einem gemeinsamen Siliziumsubstrat verschmolzen werden können. Während die Elektronik unter Verwendung von IC-Prozesssequenzen (z.B. CMOS-, Bipolar- oder BICMOS-Prozessen) hergestellt wird, werden die mikromechanischen Komponenten unter Verwendung kompatibler “Mikrobearbeitungs”-Prozesse gefertigt. Diese Prozesse ätzen selektiv Teile des Siliziumwafers weg oder fügen neue Strukturschichten hinzu, um die mechanischen und elektromechanischen Bauteile zu bilden. Noch interessanter wird es, wenn MEMS nicht nur mit Mikroelektronik, sondern auch mit anderen Technologien wie Photonik, Nanotechnologie usw. verschmelzen können. Dies wird manchmal als „heterogene Integration“ bezeichnet. Es ist offensichtlich, dass diese Technologien zahlreiche kommerzielle Marktchancen bieten.
Obwohl komplexere Integrationsstufen den zukünftigen Trend der MEMS-Technologie darstellen, ist der gegenwärtige Stand der Technik bescheidener und umfasst in der Regel einen einzelnen diskreten Mikrosensor, einen einzelnen diskreten Mikroaktuator, einen einzelnen Mikrosensor, der mit Elektronik integriert ist, eine Vielzahl im Wesentlichen identischer Mikrosensoren, die mit Elektronik integriert sind, einen einzelnen Mikroaktuator, der mit Elektronik integriert ist, oder eine Vielzahl im Wesentlichen identischer Mikroaktuatoren, die mit Elektronik integriert sind. Nichtsdestotrotz, mit dem Fortschreiten der MEMS-Fertigungsmethoden, verspricht sich eine enorme Designfreiheit, bei der jeder Typ von Mikrosensor und jeder Typ von Mikroaktuator mit Mikroelektronik sowie Photonik, Nanotechnologie usw. auf einem einzigen Substrat verschmolzen werden kann.
Oberflächenmikrobearbeiteter Resonator, der sowohl als Mikrosensor als auch als Mikroaktuator eingesetzt werden kann
Diese Vision von MEMS, bei der Mikrosensoren, Mikroaktuatoren, Mikroelektronik und andere Technologien auf einem einzigen Mikrochip integriert werden können, wird voraussichtlich einer der wichtigsten technologischen Durchbrüche der Zukunft sein. Dies wird die Entwicklung intelligenter Produkte ermöglichen, indem die Rechenfähigkeit der Mikroelektronik mit den Wahrnehmungs- und Steuerungsfähigkeiten von Mikrosensoren und Mikroaktuatoren erweitert wird. Mikroelektronische integrierte Schaltkreise können als das „Gehirn“ eines Systems betrachtet werden, und MEMS erweitert diese Entscheidungsfähigkeit um „Augen“ und „Arme“, um Mikrosystemen die Möglichkeit zu geben, die Umgebung wahrzunehmen und zu steuern. Sensoren sammeln Informationen aus der Umgebung, indem sie mechanische, thermische, biologische, chemische, optische und magnetische Phänomene messen. Die Elektronik verarbeitet dann die von den Sensoren abgeleiteten Informationen und leitet über eine Entscheidungsfähigkeit die Aktuatoren an, zu reagieren, indem sie sich bewegen, positionieren, regulieren, pumpen und filtern und so die Umgebung für ein gewünschtes Ergebnis oder einen Zweck steuern. Darüber hinaus können MEMS-Geräte, da sie mit Batch-Fertigungstechniken ähnlich wie ICs hergestellt werden, ein beispielloses Maß an Funktionalität, Zuverlässigkeit und Raffinesse auf einem kleinen Siliziumchip zu relativ geringen Kosten unterbringen. Die MEMS-Technologie ist sowohl in ihren erwarteten Anwendungsbereichen als auch in der Art und Weise, wie die Geräte entwickelt und hergestellt werden, äußerst vielfältig und fruchtbar. Bereits heute revolutioniert MEMS viele Produktkategorien, indem es die Realisierung kompletter Systeme-auf-einem-Chip ermöglicht.
MEMS und Nanotechnologie: Eine untrennbare Verbindung
Nanotechnologie ist die Fähigkeit, Materie auf atomarer oder molekularer Ebene zu manipulieren, um etwas Nützliches im Nanometerbereich herzustellen. Im Wesentlichen gibt es zwei Ansätze bei der Umsetzung: den Top-Down- und den Bottom-Up-Ansatz.
Top-Down vs. Bottom-Up in der Nanotechnologie
Beim Top-Down-Ansatz werden Geräte und Strukturen unter Verwendung vieler derselben Techniken hergestellt wie bei MEMS, jedoch in kleinerer Größe, in der Regel durch den Einsatz fortschrittlicherer Photolithographie- und Ätzmethoden. Der Bottom-Up-Ansatz beinhaltet typischerweise Abscheidungs-, Wachstums- oder Selbstassemblierungstechnologien. Die Vorteile nanodimensionaler Geräte gegenüber MEMS ergeben sich hauptsächlich aus Skalierungsgesetzen, die jedoch auch einige Herausforderungen mit sich bringen können.
Einige Experten sind der Meinung, dass die Nanotechnologie Folgendes verspricht: a) uns zu ermöglichen, im Wesentlichen jedes Atom oder Molekül an den gewünschten Ort und in die gewünschte Position zu bringen – d.h. eine exakte Positionskontrolle für die Montage; b) uns zu ermöglichen, fast jede Struktur oder jedes Material herzustellen, das mit den Gesetzen der Physik vereinbar ist und auf atomarer oder molekularer Ebene spezifiziert werden kann; und c) uns zu ermöglichen, Herstellungskosten zu haben, die die Kosten der benötigten Rohmaterialien und der bei der Herstellung verwendeten Energie nicht wesentlich übersteigen (d.h. massive Parallelität).
Die gegenseitige Abhängigkeit von MEMS und Nanotechnologie
Obwohl MEMS und Nanotechnologie manchmal als getrennte und unterschiedliche Technologien angeführt werden, ist die Unterscheidung zwischen den beiden in Wirklichkeit nicht so eindeutig. Tatsächlich sind diese beiden Technologien stark voneinander abhängig. Das bekannte Rastertunnelmikroskop (STM), das zur Detektion einzelner Atome und Moleküle im Nanometerbereich verwendet wird, ist ein MEMS-Gerät. Ähnlich ist das Rasterkraftmikroskop (AFM), das zur Manipulation der Platzierung und Position einzelner Atome und Moleküle auf der Oberfläche eines Substrats dient, ebenfalls ein MEMS-Gerät. Tatsächlich sind eine Vielzahl von MEMS-Technologien erforderlich, um mit dem Nanometerbereich zu interagieren.
Gleichzeitig werden viele MEMS-Technologien für erfolgreiche neue Produkte von Nanotechnologien abhängig. Zum Beispiel kann die Langzeitstabilität von Beschleunigungssensoren für Airbags, die mittels MEMS-Technologie hergestellt werden, durch dynamische In-Use-Stiction-Effekte zwischen der Prüfmasse und dem Substrat beeinträchtigt werden. Eine Nanotechnologie namens selbstorganisierende Monoschicht-Beschichtungen (SAM) wird heute routinemäßig eingesetzt, um die Oberflächen der beweglichen MEMS-Elemente zu behandeln und so Stiction-Effekte über die Lebensdauer des Produkts zu verhindern.
Viele Experten sind zu dem Schluss gekommen, dass MEMS und Nanotechnologie zwei verschiedene Bezeichnungen für im Wesentlichen eine Technologie sind, die hochminiaturisierte Dinge umfasst, die mit dem menschlichen Auge nicht sichtbar sind. Eine ähnliche breite Definition existiert im Bereich der integrierten Schaltkreise, die häufig als Mikroelektroniktechnologie bezeichnet wird, obwohl modernste IC-Technologien typischerweise Bauteile mit Abmessungen von zehn Nanometern aufweisen. Ob MEMS und Nanotechnologie ein und dasselbe sind oder nicht, es ist unbestreitbar, dass es überwältigende gegenseitige Abhängigkeiten zwischen diesen beiden Technologien gibt, die mit der Zeit nur noch zunehmen werden. Vielleicht am wichtigsten sind die gemeinsamen Vorteile, die diese Technologien bieten, darunter: erhöhte Informationsfähigkeiten; Miniaturisierung von Systemen; neue Materialien, die aus neuer Wissenschaft auf miniaturisierten Dimensionen resultieren; und erhöhte Funktionalität und Autonomie für Systeme.
Fazit: Die vielversprechende Zukunft der MEMS-Technologie
Die MEMS-Technologie steht an der Schwelle zu einer neuen Ära, in der die Integration von Mikrosensoren, Mikroaktuatoren und Mikroelektronik auf einem einzigen Chip die Entwicklung intelligenter Systeme revolutionieren wird. Diese Systeme werden nicht nur die Rechenleistung der Mikroelektronik nutzen, sondern auch durch die Fähigkeit, ihre Umgebung präzise wahrzunehmen und aktiv zu steuern, eine bisher unerreichte Funktionalität bieten. Von intelligenten Produkten bis hin zu autonomen Systemen – die Potenziale der MEMS-Technologie sind enorm und werden unsere technologische Landschaft nachhaltig prägen. Die enge Verzahnung mit der Nanotechnologie verstärkt diesen Trend und verspricht eine Zukunft, in der Miniaturisierung und Effizienz neue Maßstäbe setzen.