Wat is MEMS (Micro-Electro-Mechanical System)? Soorten en toepassingen

Micro-Electro-Mechanical System, of MEMS, is een miniatuurapparaat of machine die is gemaakt van zowel mechanische als elektrische componenten, met behulp van microfabricagetechnieken.

De term 'MEMS' wordt vaak gebruikt voor het beschrijven van zowel een categorie micro-mechatronische systemen als de procestechnologie die wordt gebruikt om ze te vervaardigen. Sommige MEMS hebben geen mechanische componenten, maar aangezien ze bepaalde mechanische signalen omzetten in elektrische of optische signalen, worden ze geclassificeerd als MEMS.

In Europa zijn MEMS beter bekend als microsysteemtechnologie en in Japan als micromachines.

Grootte van MEMS

De fysieke afmeting van MEMS-apparaten kan variëren van 20 micrometer tot één millimeter. Ze zijn gemaakt van componenten tussen 1 en 100 micrometer groot.

Hoewel individuele componenten kleiner kunnen zijn dan de breedte van een mensenhaar, kunnen meerdere modules die in arrays zijn gerangschikt een oppervlakte van meer dan 10 centimeter in het vierkant innemen.

MEMS-apparaten bevatten meestal centrale gegevensverwerkingseenheden (zoals microprocessors) en kleine instrumenten die interageren met de omgeving (zoals microsensoren).

Soorten MEMS

Er zijn twee vormen van MEMS-schakeltechnologie:ohms en capacitief.

1. Ohms MEMS-schakelaars zijn ontwikkeld met behulp van elektrostatische cantilevers. Omdat uitkragingen na verloop van tijd vervormen, kunnen deze schakelaars defect raken door slijtage van het contact of metaalmoeheid.

2. Capacitieve schakelaars worden bestuurd door een bewegende plaat of een sensorelement dat de capaciteit verandert. Door hun resonantiekenmerken te benutten, kunnen ze worden geconfigureerd om ohmse apparaten in specifieke frequentiebereiken te overtreffen.

Hoe zijn ze gemaakt?

Terwijl de belangstelling voor het produceren van MEMS in de jaren tachtig groeide, duurde het bijna twee decennia om de ontwerp- en productie-infrastructuur op te zetten die nodig was voor hun commerciële ontwikkeling. Een van de eerste geproduceerde apparaten waren inkjetprintkoppen en airbagcontrollers.

Met behulp van deze technologie konden onderzoekers eind jaren negentig een projector met microspiegels (die MEMS gebruiken) bouwen. Na verloop van tijd werden microsensoren populairder:ze werden geleidelijk geïntegreerd in verschillende soorten sensoren, waaronder sensoren voor straling, magnetische velden, temperatuur en druk.

Tegenwoordig worden MEMS in bijna alle slimme apparaten gebruikt en zijn ze veel efficiënter geworden (in termen van prestaties en energieverbruik) dan hun grotere tegenhangers. Ze zijn samengesteld uit onderdelen zoals microprocessors, microactuators, microsensoren, verschillende gegevensverwerkingseenheden.

De fabricage van MEMS omvat dezelfde technieken die worden gebruikt om geïntegreerde schakelingen en halfgeleiderapparaten te maken. De basistechnieken zijn

• Afzetting :Dunne lagen (tussen 1 en 100 micrometer) materiaal worden op een speciaal oppervlak afgezet.
• Patroon :Een patroon wordt overgebracht naar een materiaal met behulp van een proces dat lithografie wordt genoemd.
• Ets :Het materiaal wordt opgelost in een chemische oplossing of met behulp van reactieve ionen om de vereiste vormen te produceren.
• Voorbereiding voor sterfgevallen :Zodra MEMS-apparaten op een siliciumwafel zijn voorbereid, worden afzonderlijke matrijzen gescheiden en vervolgens wordt de wafel in blokjes gesneden door middel van een koelvloeistof of een droog laserproces.

Silicium is het meest gebruikte materiaal om MEMS te maken. Het is gemakkelijk verkrijgbaar, goedkoop en heeft aanzienlijke voordelen, vooral op het gebied van micro-elektronica. Silicium lijdt bijvoorbeeld zeer weinig aan vermoeidheid en bijna geen energiedissipatie.

Sommige MEMS zijn gemaakt van metaal door middel van galvaniseer-, verdampings- en sputterprocessen. Metalen die een hoge mate van betrouwbaarheid vertonen, zijn onder meer goud, platina, zilver, wolfraam, koper, titanium en aluminium.

Polymeren kunnen ook worden gebruikt om MEMS-apparaten te vervaardigen, omdat ze in grote volumes kunnen worden geproduceerd, met verschillende materiaalkenmerken.

Hoe verschillen MEMS van NEMS?

NEMS (afkorting van nano-elektromechanische systemen) is een klasse van apparaten met elektrische en mechanische eigenschappen op nanoschaal. NEMS vormen de volgende logische miniaturisatiestap van MEMS.

In eenvoudige bewoordingen zijn NEMS vergelijkbaar met MEMS, maar kleiner:ze hebben kritische structurele elementen op of onder 100 nanometer (atomaire of moleculaire schalen).

Hoewel NEMS en MEMS afzonderlijke technologieën worden genoemd, zijn ze van elkaar afhankelijk. Een scanning tunneling-tip microscoop, die atomen detecteert, is bijvoorbeeld een MEMS-apparaat.

In MEMS-technologie spelen krachten die worden geproduceerd door vloeistofdynamica en omgevingselektromagnetisme een belangrijke rol. Terwijl in NEMS-technologie ook oppervlaktegebaseerd detectiemechanisme en grote kwantummechanische effecten cruciaal zijn.

In tegenstelling tot MEMS maakt de NEMS-technologie gebruik van op koolstof gebaseerde materialen, met name diamant, koolstofnanobuisjes en grafeen. Vanwege substantiële vooruitgang in groei, manipulatie, kennis van elektrische en mechanische eigenschappen van grafeen, nemen onderzoekers meer interesse in grafeen voor NEMS-apparaten, zoals druksensoren, resonatoren, versnellingsmeters en meer.

Voorbeelden en toepassingen

Naarmate MEMS efficiënter en goedkoper te bouwen worden, wordt verwacht dat ze een cruciale rol gaan spelen in het IoT (internet of things) en domotica. De gebruikelijke commerciële toepassingen van MEMS zijn:

De versnellingsmeter in een smartphone | YouTube

• Versnellingsmeters in voertuigen voor verschillende doeleinden, zoals elektronische stabiliteitscontrole en het activeren van airbags
• Sensorgestuurde koel- en verwarmingssystemen voor gebouwbeheersystemen
• De optische schakelaar die wordt gebruikt voor schakeltechnologie en uitlijning voor datacommunicatie
• Wegwerp bloeddruksensoren en voertuigdruksensoren gemaakt van silicium
• Elektrostatische, elektromagnetische en piëzo-elektrische micro-oogstmachines (gebruikt voor het oogsten van energie)
• Kleine microfoons, barometers en gyroscopen ter ondersteuning van smartphone-applicaties
• Micronozzles gebruikt in inkjetprinters om de inktstroom te regelen.

Lezen:5 verschillende soorten microscopen en hun toepassingen

Wereldwijde markt

Veel bedrijven werken aan MEMS-projecten. Kleinere bedrijven bieden waarde in innovatieve oplossingen en dragen de kosten van fabricage op maat met hoge verkoopmarges. Grotere bedrijven produceren meestal goedkope onderdelen of verpakte oplossingen in grote hoeveelheden voor eindmarkten, zoals elektronica, biomedische producten en auto's. Over het algemeen investeren zowel kleine als grote bedrijven in onderzoek en ontwikkeling om nieuwe MEMS-technologie te bouwen.

Volgens Grand View Research Inc wordt de wereldwijde markt voor MEMS geschat op US $ 28,84 miljard in 2024. In 2015 bedroeg deze bijna US $ 12 miljard. Gezien de toenemende populariteit van verbonden levensstijlen, wordt verwacht dat consumentenelektronica het dominante segment zal zijn (met meer dan 40% van het wereldwijde omzetaandeel).

Lezen:10 verschillende soorten batterijen

Kalibratie- en nauwkeurigheidsproblemen kunnen de marktgroei vertragen. Maar hevige concurrentie zal spelers in de industrie dwingen om de prijzen de komende jaren laag te houden.