MEMS begrijpen: Micro-Electro-Mechanische Systemen, typen en toepassingen

Micro-Electro-Mechanisch Systeem, of MEMS, is een miniatuurapparaat of machine die bestaat uit zowel mechanische als elektrische componenten, geproduceerd met microfabricatietechnieken.

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

In Europa zijn MEMS meer bekend als microsysteemtechnologie, en in Japan wordt het aangeduid als micromachines.

Grootte van MEMS

De fysieke afmetingen van MEMS-apparaten kunnen variëren van 20 micrometer tot één millimeter. Ze zijn samengesteld uit componenten tussen 1 en 100 micrometer in grootte.

Terwijl individuele componenten kleiner kunnen zijn dan de breedte van een menselijk haar, kunnen meerdere modules gerangschikt in arrays een oppervlakte van meer dan een 10-centimeter vierkant innemen.

MEMS-apparaten bevatten meestal centrale data-verwerkingseenheden (zoals microprocessors) en minuscule instrumenten die interageren met de omgeving (zoals microsensoren).

Typen MEMS

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

1. Ohmische MEMS-schakelaars zijn ontwikkeld met behulp van elektrostatische buigbalken. Omdat buigbalken na verloop van tijd vervormen, kunnen deze schakelaars falen door contactslijtage of metalmoeheid.

2. Capacitieve schakelaars worden bestuurd door een bewegende plaat of sensorelement dat de capaciteit verandert. Door hun resonantie-eigenschappen te exploiteren, kunnen ze geconfigureerd worden om ohmische apparaten in specifieke frequentiebereiken te overtreffen.

Hoe worden ze geconstrueerd?

Terwijl de interesse in het produceren van MEMS groeide in de jaren '80, duurde het bijna twee decennia om de ontwerp- en productie-infrastructuur te vestigen die nodig was voor hun commerciële ontwikkeling. Een van de eerste dergelijke geproduceerde apparaten waren inktjet-printkoppen en airbag-controllers.

Met behulp van deze technologie waren onderzoekers in staat om in de late jaren '90 een projector met micromirroren (die MEMS gebruikt) te bouwen. In de loop van de tijd werden microsensoren populairder: ze werden geleidelijk geïntegreerd in verschillende typen sensoren, waaronder sensoren voor straling, magnetische velden, temperatuur en druk.

Vandaag de dag worden MEMS in bijna alle slimme apparaten gebruikt, en ze zijn veel efficiënter geworden (in termen van prestaties en energieverbruik) dan hun grotere tegenhangers. Ze zijn samengesteld uit onderdelen zoals microprocessors, microactuators, microsensoren, diverse data-verwerkingseenheden.

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

• Depositie: Dunne lagen (tussen 1 en 100 micrometer) materiaal worden op een speciaal oppervlak gedeponeerd.
• Patronering: Een patroon wordt overgebracht in een materiaal met een proces lithografie genoemd.
• Etchen: Het materiaal wordt opgelost in een chemische oplossing of met reactieve ionen om de vereiste vormen te produceren.
• Die-voorbereiding: Zodra MEMS-apparaten op een siliciumwafer zijn voorbereid, worden individuele dies gescheiden, en wordt wafer-dicing uitgevoerd via een koelvloeistof of een droog laserproces.

Silicium is het meest voorkomende materiaal om MEMS te creëren. Het is gemakkelijk beschikbaar, goedkoop, en heeft substantiële voordelen, met name op het gebied van micro-elektronica. Bijvoorbeeld, silicium lijdt weinig moeheid en bijna geen energieverlies.

Sommige MEMS zijn gemaakt van metaal door electroplating, verdamping en sputtering processen. Metalen die hoge betrouwbaarheid vertonen zijn goud, platina, zilver, wolfram, koper, titanium en aluminium.

Polymers kunnen ook gebruikt worden om MEMS-apparaten te produceren, aangezien ze in grote volumes geproduceerd kunnen worden, met diverse materiaaleigenschappen.

Hoe verschillen MEMS van NEMS?

NEMS (kort voor nano-elektro-mechanische systemen) zijn een klasse apparaten met elektrische en mechanische kenmerken op de nanoschaal. NEMS vormen de volgende logische miniaturiseringsstap vanaf MEMS.

In eenvoudige termen zijn NEMS vergelijkbaar met MEMS maar kleiner: ze hebben kritische structurele elementen op of onder 100 nanometer (atoom- of moleculaire schaal).

Hoewel NEMS en MEMS als afzonderlijke technologieën worden aangeduid, zijn ze van elkaar afhankelijk. Bijvoorbeeld, een scanning tunneling-tip microscopie, die atomen detecteert, is een MEMS-apparaat.

In MEMS-technologie spelen krachten geproduceerd vloeistofdynamica en omgevings-elektromagnetisme een belangrijke rol. Terwijl in NEMS-technologie, oppervlakte-gebaseerde sensormechanismen en grote kwantummechanische effecten ook cruciaal zijn.

In tegenstelling tot MEMS, gebruikt NEMS-technologie koolstof-gebaseerde materialen, specifiek diamant, koolstofnanobuizen en grafeen. Vanwege substantiële vooruitgang in groei, manipulatie, kennis van elektrische en mechanische eigenschappen van grafeen, tonen onderzoekers meer interesse in grafeen voor NEMS-apparaten, zoals druksensoren, resonators, versnellingsmeters, en meer.

Voorbeelden en Toepassingen

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

De versnellingsmeter in een smartphone | YouTube

• Versnellingsmeters in voertuigen voor diverse doeleinden, zoals elektronische stabiliteitscontrole en airbag-uitklapping
• Sensorgestuurde koel- en verwarmingssystemen voor gebouwbeheersystemen
• De optische schakelaar gebruikt voor schakeltechnologie en uitlijning voor datacommunicatie
• Wegwerpbare bloeddruksensoren en voertuigdruksensoren van silicium
• Elektrostatische, elektromagnetische en piezo-elektrische micro-energie-oogsters (gebruikt voor energie-opwekking)
• Kleine microfoons, barometers en gyroscopen ter ondersteuning van smartphone-applicaties
• Micronozzles gebruikt in inktjetprinters om de inktstroom te regelen.

Lees: 5 Verschillende Typen Microscopen En Hun Toepassingen

Wereldwijde Markt

Veel bedrijven werken aan MEMS-projecten. Kleinere firma's bieden waarde in innovatieve oplossingen en hanteren de kosten van aangepaste fabricage met hoge winstmarges. Grotere firma's produceren meestal hoog-volume goedkope onderdelen of verpakte oplossingen voor eindmarkten, zoals elektronica, biomedisch en automobiel. 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 MEMS-marktomvang geschat op US$28,84 miljard in 2024. In 2015 stond deze op bijna US$12 miljard. Gezien de toenemende populariteit van verbonden leefstijlen, wordt verwacht dat consumentenelektronica het dominante segment zal zijn (met meer dan 40% van de wereldwijde omzet).

Lees: 10 Verschillende Typen Batterijen

Kalibratie- en nauwkeurigheidsproblemen kunnen de marktgroei vertragen. Maar intense concurrentie zal industriespelers dwingen de prijzen laag te houden in de komende jaren.