Die MEMS-Technologie

Auf einen Blick
Im Teil 2 haben wir die Schwingungsmessungsmethode kennengelernt. Der vorliegende Abschnitt behandelt die Entstehung der MEMS-Technologie bei TrueDyne Sensors AG. Die Technologie hat den MEMS-Sensor hervorgebracht, dessen Herzstück ein schwingender Silizium-Messkanal ist. Im Vergleich zur konventionellen Schwinger-Technologie vereint er zahlreiche Vorteile. Diese reichen von seiner geringen Grösse und einem breiten Anwendungsbereich über die exakte Dichtebestimmung von Gasen, auch bei geringem Druck, bis hin zu einer überaus schnellen Reaktionszeit.

Inhalte

  • Was ist die MEMS-Technologie?
  • Wo werden MEMS-Technologien eingesetzt?
  • Wie ist der TrueDyne Sensors AG MEMS-Chip aufgebaut?
  • Welche Chancen bietet die MEMS-Technologie?

Was ist die MEMS-Technologie?

MEMS steht für Micro-Electro-Mechanical Systems. Die Technologie vereint mikroelektronische und mikromechanische Komponenten in einem komplexen Mikrosystem, das auf einer Silizium-Halbleitertechnologie basiert.

Bei der Halbleitertechnologie werden anhand verschiedener Verfahrenstechniken, z.B. mit Fotolithografie und Dünnschichttechnik, mehrere elektronische Komponenten auf einem Halbleiter-Substrat (häufig aus Silizium) strukturiert und zu einem Chip aufgebaut. Da die Einzelschritte für die Herstellung eines Chips sehr aufwendig sind, vervielfältigt man diese Arbeitsschritte und stellt mehrere Chips gleichzeitig her. Dies geschieht mit einem kreisrunden oder quadratischen, scheibenförmigen Wafer, der aus dem Material des benötigten Substrats besteht.

Mit der Halbleitertechnologie lassen sich elektronische Schaltungen, die in der klassischen Elektronik aus mechanisch angefertigten Komponenten bestehen, miniaturisieren. Ein TrueDyne Sensors AG MEMS-Chip beinhaltet nicht nur elektronische, sondern auch mechanische und fluidische Funktionen.

Aufgrund der hohen Anforderungen an die einzelnen Bauteile beschränkt sich ein TrueDyne Sensors AG MEMS-Chip meist nicht nur auf ein Silizium-Substrat. Stattdessen werden für die verschiedenen Komponenten unterschiedliche Materialien verwendet, die mithilfe diverser Aufbau- und Verbindungstechniken zusammengeführt werden.¹

Grafik - Wafer
1. Waver, 2. Chip
Kreisrunde Wafer – Quelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Wafer

Wo werden MEMS-Technologien eingesetzt?

MEMS-Technologien gewinnen immer mehr an Bedeutung. Sie werden in den unterschiedlichsten Gebieten eingesetzt und sind in unserem Alltag allgegenwärtig. MEMS-Systeme finden vermehrt in der Automobilindustrie Verwendung, z.B. zur Diebstahlsicherung, für die Airbag-Kontrolle oder in Fahrzeugüberschlag-Erkennungssystemen. Darüber hinaus kommen sie im Mobilfunkbereich bei der Navigation, zur Displayausrichtung oder beim mobilen Gaming zum Einsatz. Grosses Anwendungspotenzial von mikrofluidischen Systemen gibt es auch in der Medizintechnik, insbesondere in der biomolekularen Analytik. Stichwörter hier sind Lab-on-a-Chip oder BioMEMS.

Wie hat sich die MEMS-Technologie bei
TrueDyne Sensors AG entwickelt?

TrueDyne Sensors AG arbeitet bereits seit einigen Jahren an der Entwicklung und Umsetzung des Coriolis-Messprinzips als fluidisches Mikrosystem bzw. als MEMS-Chip. Dabei wird der für das Coriolis-Mess-prinzip notwendige fluidische Kanal aus einem Silizium-Substrat geformt und in einen MEMS-Chip integriert.

Für die Messung von Durchfluss hat sich dieses System für TrueDyne Sensors AG nicht bewährt. Jedoch hat sich gezeigt, dass der vibrierende Siliziumkanal sehr gut als Schwinger-Dichtemesser eingesetzt werden kann.

Wie ist der TrueDyne Sensors AG MEMS-Chip aufgebaut?

Ein TrueDyne Sensors AG MEMS-Chip ist heute gerade einmal 6,9 x 6,9 x 1,5 mm gross. Er beinhaltet elektronische Komponenten, einen fluidischen Messkanal sowie einen Temperatursensor.

Der TrueDyne Sensors AG MEMS-Chip wird mithilfe von insgesamt vier Wafern hergestellt:

  • Der TrueDyne Sensors AG MEMS-Chip wird mithilfe von insgesamt vier Wafern hergestellt: Zwei Siliziumwafer bilden den Messkanal. Der Messkanal wird mithilfe von Plasmaätztechnik geformt. Dazu wird je eine Hälfte des Kanals in einen Siliziumwafer geätzt. Der Kanal entsteht durch die Verbindung der beiden Hälften (Bondingverfahren).
  • Ein Glaswafer enthält metallische Elektroden, fluidische Öffnungen sowie den Temperatursensor.
  • Ein weiterer Siliziumwafer dient dazu, den Messkanal in Vakuum zu verpacken. Dadurch kann der Messkanal ohne Luftdämpfung schwingen.

Wie ist der TrueDyne Sensors AG MEMS-Chip aufgebaut?

Aufgrund der Miniaturisierung (Messkanal = 0,5 µl Volumen) und der Materialeigenschaften (Silizium) des Kanals ergeben sich zahlreiche Vorteile und neue Anwendungsbereiche.

Die Miniaturisierung gewinnt vor allem in Anwendungen, bei denen geringe Probemengen und eine kompakte Bauform wichtig sind, an grosser Bedeutung.

Durch die thermischen und mechanischen Eigenschaften von Silizium steht zudem ein leistungsfähiger Sensor zur Verfügung.

Silizium ist ein guter Wärmeleiter. Der Kanal ist daher keinen grossen Temperaturunterschieden ausgesetzt. Die für die Dichtemessung erforderliche Temperaturinformation kann somit exakt und einfach ermittelt werden.

Omega-Chip
1. Dünnschicht Temperatursensor, 2. Kamin, 3. Messkanal, 4. Vakuum, 5. Elektroden
TrueDyne Sensors AG MEMS-Chip – Quelle: TrueDyne Sensors AG
Auch die mechanischen Eigenschaften von Silizium sind bei der Dichtemessung von Vorteil. Durch die geringe Eigenmasse und die geringe Steifigkeit des Siliziumkanals wird eine sehr hohe Messempfindlichkeit erzielt. Diese Eigenschaft ist insbesondere bei leichten Fluiden bzw. bei Gasen von Bedeutung. So bleibt bei einer Gasmessung mit niedrigem Druck (der derzeit spezifizierte Druckbereich liegt zwischen 1 und 20 bar) eine hohe Messempfindlichkeit erhalten.

Der Siliziumkanal kann mit einer sehr hohen Frequenz schwingen. Dies führt zu einer kurzen Messzeit und zur Unabhängigkeit des Messsignals von äusseren, mechanischen Störvibrationen.

¹Quelle: Praxiswissen Mikrosystemtechnik, F. Völklein und T. Zetterer, 2006, Vieweg+Teubner Verlagnced settings.

Applikationen die Sie interessieren könnten

Überwachung von Treibstoffkonzentrationen
Vom Volumen (l)
zur Masse (kg)
Überwachung von Schweissgasgemischen
Überwachung von Gasgemischen für Lebensmittelverpackungen