Mikrosystem (Technik)
Ein Mikrosystem ist ein miniaturisiertes Gerät, eine Baugruppe oder ein Bauteil, dessen Komponenten kleinste Abmessungen (im Mikrometerbereich) haben und als System zusammenwirken.
Üblicherweise besteht ein Mikrosystem aus einem oder mehreren Sensoren, Aktoren und einer Steuerungselektronik auf einem Substrat bzw. Chip. Dabei bewegt sich die Größe der einzelnen Komponenten im Bereich von wenigen Mikrometern. Die Abgrenzung ist dabei zu den Nanosystemen zu sehen, welche sich eine weitere Größenordnung darunter befinden.
Die Mikrosystemtechnik ist die Lehre von der Entwicklung der Mikrosysteme und von den Techniken 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 die aus den USA stammenden Begriffe microelectromechanical systems und microoptoelectromechanical systems beziehungsweise ihre griffigen Abkürzungen MEMS und MOEMS. In asiatischen (vorrangig japanischen) 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 nichtelektrischer Funktionen). Durch die Integration und Miniaturisierung können „neue“ physikalische Effekte ausgenutzt werden, und die kurzen Informationswege führen zu kurzen Reaktionszeiten. Außerdem haben sie meist eine höhere Zuverlässigkeit als konventionelle Systeme, vor allem durch den Wegfall von Steckern und Kabeln.
Anwendungsgebiete
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.
Inertialsensoren
Eines der größten Anwendungsbereiche sind Inertialsensoren (Beschleunigungs- und Drehsensoren). Sie werden schon lange in Großserie gefertigt und werden unter anderem für die Auslösung von Airbags, für die Erkennung des freien Falles 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 gesetzt werden kann – oder als Lageerkennung in digitalen Fotokameras, Handhelds 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. Auch im Bereich ferngesteuerter Modelle werden die Sensoren in Form von Stabilisationssystemen eingesetzt.
Optische Aktoren
Optische Anwendungen für Mikrosysteme sind beispielsweise Bausteine in Videoprojektoren, die zur Darstellung von Bildern genutzt werden (siehe Mikrospiegelaktor).
Mikrofluidik
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).
Mikrofone
Es gibt Kondensatormikrofone in Mikrosystemtechnik (englisch MEMS microphone), bei denen die elektrische Kapazität ändernde Mikromembran direkt auf den Silizium-Wafer geätzt wird. Wenn die Ausleseelektronik mit einem Vorverstärker und einem Analog-Digital-Wandler direkt neben der Membran auf dem Wafer in einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC) integriert wird (meist als Bauteile in CMOS-Technik) und das Mikrofon somit einen digitalen Ausgang besitzt, werden solche Geräte auch als digitale Mikrofone bezeichnet. Solche Mikrofone werden von Anbietern wie zum Beispiel von InvenSense (Sparte von Analog Devices gekauft[1]), Infineon, NXP Semiconductors, Omron oder STMicroelectronics angeboten. Wegen der geringen Abmessungen, der geringen Leistungsaufnahme, der guten Abschirmung von Störsignalen und der kostengünstigen Produktion werden diese Mikrofone zunehmend in kleinen mobilen Geräten eingebaut, wie beispielsweise Smartphones, Headsets, Hörgeräten oder Kameras.[2][3]
Oszillatoren
Ein weiteres Anwendungsgebiet sind MEMS-Oszillatoren als kostengünstiger Ersatz für Quarzoszillatoren. Solche MEMS-Oszillatoren werden von den Herstellern wie zum Beispiel SiTime oder SiliconLabs angeboten.
Marktübersicht
Laut dem 8. Bericht Status of the MEMS Industry von Yole Développement existieren zurzeit (2012) ca. 350 MEMS entwickelnde oder produzierende Unternehmen für ca. 200 verschiedene Anwendungen, wobei Obige das nennenswerte Volumen repräsentieren. Der MEMS-Markt wird laut Yole in den nächsten 6 Jahren bis 2017 dabei durchschnittlich im Volumen um 20 % und im Umsatz um 13 % pro Jahr von 11 Mrd. US-Dollar auf 21 Mrd. US-Dollar wachsen. Erwähnenswert sind hier vor allem bei den sogenannten integrierten Herstellern Texas Instruments, Hewlett-Packard, Analog Devices, Robert Bosch GmbH, als auch Auftragsfertiger (Foundry) wie u. a. STMicroelectronics, Dalsa und X-FAB.[4]
Siehe auch
Literatur
- Lars Voßkämper: Automatisierung im MEMS Entwurf: Kohärente Layoutsynthese und Modellbildung von skalierbaren mikroelektromechanischen Strukturen. VDM Verlag Dr. Müller, Saarbrücken 2008, ISBN 978-3-639-04923-7.
- James B. Angell, Stephen C. Terry Phillip W. Barth: Silicon Micromechanical Devices. In: Scientific American. 248. Jahrgang, Nr. 4, April 1983, S. 44–55.
Weblinks
- MEMS-Anwendungen-Videos.
- Crystec Technology Trading GmbH: Produktionsanlagen für die Fertigung von MEMS-Bauteilen.
- Aufbau und Funktionsweise eines MEMS Beschleunigungssensors
- John Widder und Alessandro Morcelli: Konstruktionsprinzipien von MEMS-Mikrofonen: – Klein und trotzdem gut. 11. Juni 2015
Einzelnachweise
- ↑ Invensense Buys ADI's MEMS Mic Unit vom 15. Oktober 2013
- ↑ MEMS microphone, ITWissen.info, online abgerufen am 14. August 2012
- ↑ St. John Dixon-Warren: Overview of MEMS microphone technologies for consumer applications, MEMS Journal, abgerufen am 14. August 2012.
- ↑ Status of the MEMS Industry, abgerufen am 17. November 2012.