Een inleiding tot MEMS micro-elektromechanische systemen

Micro-elektromechanische systemen (MEMS) zijn apparaten met bewegende delen die gemaakt zijn van microscopische onderdelen. Ze worden ook micromechatronica en microsystemen genoemd. Op nanoschaal gaan ze op in nano-elektromechanische systemen of nanotechnologie.
Nanobuizen zijn een fundamenteel eenheidsproces voor de productie van mems micro-elektromechanische systemen

De onderzoekers van de Universiteit van Illinois hebben een belangrijke doorbraak bereikt op het gebied van micro-elektromechanische systemen en de ontdekking heeft een breed scala aan toepassingen. Nanobuizen zijn een fundamenteel eenheidsproces in de productie van mems micro-elektromechanische systemen, en hun werk heeft implicaties voor het ontwerp van veel nieuwe soorten mems. Ze hebben aangetoond dat nanobuizen kunnen worden gedefigreerd met behulp van twee gouden elektroden, en dat ze kunnen worden gedefigreerd met behulp van elektronenbundellithografie en lift-off.

Nanobuizen kunnen met verschillende technieken worden gemaakt, waaronder elektrovormen en nanomachines. Het proces maakt ook een breed scala aan toepassingen mogelijk, van diagnostica voor eenmalig gebruik tot apparaten voor meervoudig gebruik voor bloedanalyse en celgetalanalyse. Het wordt ook gebruikt in apparaten om DNA te dupliceren, zoals PCR-systemen (Polymerase Chain Reaction) die minuscuul DNA amplificeren en een exacte duplicatie produceren. Andere toepassingen voor nanobuizen zijn optische schakelnetwerken en high-definition beeldschermen.

De fabricage van nanobuizen is een geavanceerd proces waarbij talloze functionele materialen en functionele groepen worden samengevoegd. Het proces maakt de gelijktijdige productie van een groot aantal nanodevices mogelijk. Het proces is zeer complex en tijdrovend: een gemiddeld proces duurt ongeveer zes maanden voor een functie van vijf nanometer.

Silicium is een aantrekkelijk materiaal voor MEMS-apparaten

Silicium is een zeer aantrekkelijk materiaal voor MEMS-apparaten vanwege zijn hoge mechanische en elektrische eigenschappen. Bovendien is het compatibel met de meeste technologieën voor batchgeïntegreerde schakelingen, waardoor het een ideaal materiaal is voor veel soorten geminiaturiseerde systemen. Silicium heeft echter ook nadelen.

SiC is weliswaar duurder dan silicium, maar heeft een aantal voordelen. De elektrische en mechanische eigenschappen kunnen worden aangepast aan de vereisten van MEMS-apparaten. SiC is echter nog niet op grote schaal beschikbaar voor ontwerpers. Verder onderzoek is nodig om de meest efficiënte procestechnologie voor SiC MEMS-apparaten te ontwikkelen.

De belangrijkste voordelen van SiC ten opzichte van silicium zijn de hoge thermische geleidbaarheid, het hoge afbraakveld en de hoge verzadigingssnelheid. Deze eigenschappen maken het een uitstekend materiaal voor elektronische apparaten in extreme omgevingen. Daarnaast heeft het ook een hoge hardheid en slijtvastheid. Dit laatste is belangrijk voor sensoren die onder zware omstandigheden moeten presteren.

Verpakkingsproblemen in MEMS-apparaten

Verpakkingsproblemen zijn cruciaal voor de betrouwbaarheid en prestaties van MEMS-apparaten. Deze apparaten hebben kenmerken op micron-schaal en kunnen gevoelig zijn voor krassen, slijtage en verkeerde uitlijning. Ze zijn ook kwetsbaar voor betrouwbaarheidsmechanismen zoals mechanische schokken, elektrostatische ontlading en stiction. Bovendien kunnen vocht, trillingen en mechanische onderdelen de MEMS beschadigen. Om deze redenen moeten de verpakking en het proces van deze apparaten zorgvuldig overwogen worden voordat het project begint.

Vroeg in het ontwerpproces rekening houden met de verpakkingseffecten is essentieel voor een succesvol MEMS-apparaat. Anders lopen ontwikkelaars het risico op kostbare ontwerp- en fabricagecycli. De oplossing is om deze effecten op te nemen in een compact gedragsmodel, wat de simulatietijd verkort en complexere simulaties mogelijk maakt. Bovendien kan het helpen om de kostbare valkuilen te voorkomen die gepaard gaan met slechte verpakking.

Verpakkingsproblemen kunnen ook de kwaliteit en de opbrengst van MEMS-apparaten beïnvloeden. In sommige gevallen hebben de apparaten een speciale verpakking nodig die ze kan beschermen tegen de ruwe omgeving. Daarom worden er technieken ontwikkeld om deze apparaten te verwerken. Veel van deze processen zijn echter schadelijk voor het MEMS-apparaat en verlagen de opbrengst. Dit artikel wil licht werpen op deze uitdagingen en oplossingen bieden om ze te overwinnen.

Toepassingen van MEMS-apparaten

Micromechanische apparaten (MEMS) zijn piepkleine apparaatjes die vele taken kunnen uitvoeren. Ze kunnen druk meten, beweging detecteren en krachten meten. Ze kunnen ook worden gebruikt om vloeistoffen te controleren en te beheersen. Deze apparaten zijn vooral nuttig voor medische toepassingen en worden BioMEMS genoemd. Deze apparaten kunnen verschillende taken uitvoeren in het lichaam, onder andere als chemische analysers, micropompen en onderdelen van gehoorapparaten. Uiteindelijk zouden deze apparaten zelfs permanente bewoners van het menselijk lichaam kunnen worden.

Deze apparaten bestaan uit componenten die tussen de honderd micrometer groot zijn. De oppervlakte van een digitaal spiegeltoestel kan meer dan 1000 mm2 bedragen. Ze bestaan meestal uit een centrale eenheid die gegevens verwerkt en een paar componenten die interageren met hun omgeving.

Er zijn momenteel verschillende MEMS-apparaten op de markt, variërend van sensoren met één functie tot systeem-op-chipapparaten. Deze laatste combineren het gebruik van verschillende MEMS-apparaten met signaalconditioneringselektronica en ingebedde processors. Verschillende industrieën hebben MEMS-technologie geïmplementeerd voor verschillende metingen.