Eine Einführung in MEMS Mikro-Elektro-Mechanische Systeme

Mikroelektromechanische Systeme (MEMS) sind Geräte mit beweglichen Teilen, die aus mikroskopisch kleinen Komponenten bestehen. Sie werden auch als Mikromechatronik und Mikrosysteme bezeichnet. Auf der Nanoskala gehen sie in nanoelektromechanische Systeme oder Nanotechnologie über.
Nanoröhren sind ein grundlegendes Verfahren zur Herstellung mikroelektromechanischer Systeme

Den Forschern der University of Illinois ist ein wichtiger Durchbruch bei mikroelektromechanischen Systemen gelungen, und die Entdeckung hat ein breites Spektrum von Anwendungen. Nanoröhren sind ein grundlegender Prozess bei der Herstellung von mikroelektromechanischen Systemen (Mems), und ihre Arbeit hat Auswirkungen auf die Entwicklung vieler neuer Arten von Mems. Sie haben gezeigt, dass Nanoröhren mit Hilfe von zwei Goldelektroden strukturiert werden können und dass sie mit Hilfe von Elektronenstrahllithographie und Lift-off strukturiert werden können.

Nanoröhren können mit verschiedenen Techniken hergestellt werden, darunter Galvanoformung und Nanobearbeitung. Das Verfahren ermöglicht eine breite Palette von Anwendungen, von der Einweg-Point-of-Care-Diagnostik bis hin zu Mehrzweckgeräten für die Blutanalyse und die Analyse der Zellzahl. Es wird auch in Geräten zur DNA-Vervielfältigung verwendet, wie z. B. in Polymerase-Kettenreaktionssystemen (PCR), die winzige DNA vervielfältigen und eine exakte Vervielfältigung herstellen. Weitere Anwendungen für Nanoröhren sind optische Schaltnetze und hochauflösende Displays.

Die Herstellung von Nanoröhren ist ein fortschrittlicher Prozess, bei dem zahlreiche funktionelle Materialien und funktionelle Gruppen zusammengefügt werden. Das Verfahren ermöglicht die gleichzeitige Herstellung einer großen Anzahl von Nanobauteilen. Das Verfahren ist sehr komplex und zeitaufwändig, wobei ein durchschnittlicher Prozess für ein fünf Nanometer großes Merkmal etwa sechs Monate dauert.

Silizium ist ein attraktives Material für MEMS-Geräte

Silizium ist aufgrund seiner hohen mechanischen und elektrischen Eigenschaften ein äußerst attraktives Material für MEMS-Geräte. Darüber hinaus ist es mit den meisten stapelverarbeitenden Technologien für integrierte Schaltungen kompatibel, was es zu einem idealen Material für viele Arten von miniaturisierten Systemen macht. Allerdings ist Silizium nicht frei von Nachteilen.

SiC ist zwar teurer als Silizium, hat aber auch einige Vorteile. Seine elektrischen und mechanischen Eigenschaften können auf die Anforderungen von MEMS-Geräten zugeschnitten werden. Allerdings ist SiC für Entwickler noch nicht in großem Umfang verfügbar. Weitere Forschung ist erforderlich, um die effizienteste Prozesstechnologie für SiC-MEMS-Bauteile zu entwickeln.

Die wichtigsten Vorteile von SiC gegenüber Silizium sind seine hohe Wärmeleitfähigkeit, sein hohes Durchbruchfeld und seine hohe Sättigungsgeschwindigkeit. Diese Eigenschaften machen es zu einem hervorragenden Material für elektronische Geräte in extremen Umgebungen. Darüber hinaus weist es eine hohe Härte und Verschleißfestigkeit auf. Letzteres ist wichtig für Sensoren, die unter rauen Bedingungen arbeiten müssen.

Verpackungsfragen bei MEMS-Geräten

Verpackungsfragen sind entscheidend für die Zuverlässigkeit und Leistung von MEMS-Bauteilen. Diese Bauteile sind im Mikrometerbereich angesiedelt und können anfällig für Kratzer, Abnutzung und Ausrichtungsfehler sein. Sie sind auch anfällig für Zuverlässigkeitsfehler wie mechanische Stöße, elektrostatische Entladungen und Haftreibung. Außerdem können Feuchtigkeit, Vibrationen und mechanische Teile die MEMS beschädigen. Aus diesen Gründen sollten die Verpackung und der Prozess dieser Geräte vor Beginn des Projekts sorgfältig geprüft werden.

Die frühzeitige Berücksichtigung von Gehäuseeffekten im Designprozess ist für ein erfolgreiches MEMS-Gerät unerlässlich. Andernfalls riskieren die Entwickler kostspielige Design- und Fertigungszyklen. Die Lösung besteht darin, diese Effekte in ein kompaktes Verhaltensmodell einzubeziehen, das die Simulationszeit reduziert und komplexere Simulationen ermöglicht. Darüber hinaus kann es helfen, die kostspieligen Fallstricke zu vermeiden, die mit einem schlechten Packaging verbunden sind.

Auch Verpackungsprobleme können die Qualität und den Ertrag von MEMS-Geräten beeinträchtigen. In einigen Fällen benötigen die Geräte eine spezielle Verpackung, die sie vor der rauen Umgebung schützen kann. Infolgedessen werden Techniken zur Handhabung und Verarbeitung dieser Bauteile entwickelt. Viele dieser Verfahren sind jedoch schädlich für die MEMS-Bauteile und verringern ihre Ausbeute. Dieser Beitrag soll diese Herausforderungen beleuchten und Lösungen zu ihrer Überwindung anbieten.

Anwendungen von MEMS-Geräten

Mikromechanische Bauteile (MEMS) sind winzige Geräte, die viele Aufgaben erfüllen können. Sie können Druck spüren, Bewegungen erkennen und Kräfte messen. Sie können auch zur Überwachung und Steuerung von Flüssigkeiten verwendet werden. Diese Geräte sind besonders nützlich für medizinische Anwendungen und werden als BioMEMS bezeichnet. Diese Geräte können verschiedene Aufgaben im Körper übernehmen, z. B. als chemische Analysatoren, Mikropumpen und Hörgerätekomponenten. Mit der Zeit könnten diese Geräte sogar zu ständigen Bewohnern des menschlichen Körpers werden.

Diese Geräte bestehen aus Komponenten, die zwischen hundert Mikrometern groß sind. Die Oberfläche einer digitalen Mikrospiegelvorrichtung kann mehr als 1000 mm2 betragen. Sie bestehen in der Regel aus einer zentralen Einheit, die Daten verarbeitet, und einigen Komponenten, die mit ihrer Umgebung interagieren.

Derzeit sind mehrere MEMS-Bauteile auf dem Markt erhältlich, die von Einzelfunktionssensoren bis zu System-on-Chip-Bauteilen reichen. Letztere kombinieren die Verwendung mehrerer MEMS-Bauteile mit Signalverarbeitungselektronik und eingebetteten Prozessoren. Mehrere Branchen haben die MEMS-Technologie für verschiedene Messungen eingesetzt.