Zusammenfassung: Mikromechanische Komponenten und Instrumente, die sich für die Massenproduktion eignen, zeichnen sich durch niedrige Kosten, hervorragende Leistung, geringe Größe und hohe Integration aus. Im letzten Jahrzehnt haben sie enorme Fortschritte in Forschung, Entwicklung und Marktexpansion erzielt und weisen eine vielversprechende Zukunft auf. I. Einleitung: Die Entwicklung der Mikroelektronik hat in Bereichen wie Kommunikation, Informationsverarbeitung und Automatisierung von Produktion, Alltag und Büroarbeit enorme Fortschritte ermöglicht und zu tiefgreifenden Veränderungen des menschlichen Lebensstils, der Denkweise und der industriellen Struktur der Gesellschaft geführt. Dadurch wurde die Menschheit ins Informationszeitalter geführt. Während sich die Elektroniktechnologie intensiv weiterentwickelt hat, ist still und leise eine neue Technologie entstanden – die Mikromechanik. Die Mikromechanik entwickelt sich rasant und birgt enormes Entwicklungspotenzial und vielfältige Anwendungsmöglichkeiten. Viele Wissenschaftler sind überzeugt, dass sie nach der Mikroelektronik die nächste revolutionäre Technologie sein wird, die den gesellschaftlichen Fortschritt maßgeblich vorantreibt. Mikromechanik, kurz für mikroelektromechanische Systeme, ist eine neue Technologie, die auf Mikroelektronik und Mikrofertigungstechnologien basiert. Bereits in den 1960er Jahren tauchte das Konzept der mikromechanischen Technologie auf. Visionäre Wissenschaftler begannen, die Anwendung von Silizium-Mikrofertigungsmethoden zur Herstellung von Sensoren, Aktoren und Steuerungen zu erforschen. Ihr Ziel war die Integration dieser Komponenten in kleinste geometrische Räume, um hochautomatisierte, intelligente, massenproduzierbare und kostengünstige mikroelektromechanische Systeme (MEMS) zu schaffen. Ende der 1980er-Jahre markierten die Reife und Kommerzialisierung von Technologien wie mikromechanischen Drucksensoren und die erfolgreiche Entwicklung elektrostatischer Mikromotoren in IC-Technologie den Beginn der Mikromechanik als eigenständige Disziplin. Dank des Engagements von Wissenschaftlern erfuhr die Mikromechanik in Industrieländern wie den USA, Deutschland und Japan große Aufmerksamkeit und wurde mit erheblichen Investitionen in Personal und Material gefördert. Innerhalb von nur zehn Jahren erzielte die Mikromechanik zahlreiche neue Ergebnisse, drang in viele Bereiche vor, generierte enorme wirtschaftliche und soziale Vorteile und verheißt eine vielversprechende Zukunft. II. Mikromechanische Komponenten: Mikromechanische Komponenten können als eigenständige Bauelemente in makroskopischen elektromechanischen Systemen oder als Einheiten in integrierten mikromechanischen Systemen eingesetzt werden. Sie bilden den Schwerpunkt der bisherigen mikromechanischen Forschung und Entwicklung. Die Forschung im Bereich der mikromechanischen Technologie konzentriert sich hauptsächlich auf siliziumbasierte Bauelemente, was auf die guten mechanischen Eigenschaften von Silizium und seine Kompatibilität mit IC-Prozessen zurückzuführen ist. Das erste erfolgreich entwickelte und kommerzialisierte Bauelement war ein einfacher Sensor – ein Silizium-Drucksensor. Dieser Sensor zeichnet sich durch hervorragende Leistung, niedrige Kosten und ein rasantes Marktwachstum aus. Die Produktionsmenge betrug 1995 50 Millionen Einheiten und sollte bis 2005 voraussichtlich 120 Millionen Einheiten erreichen [1]. 1995 hatte der globale Sensormarkt ein Volumen von 6 Milliarden US-Dollar, wovon etwa ein Viertel auf mikromechanische Sensoren entfiel. Obwohl mikromechanische Sensoren erst seit etwas mehr als einem Jahrzehnt existieren, beweist ihre rasante Entwicklung die große Dynamik der mikromechanischen Technologie. Das Marktpotenzial für mikromechanische Sensoren ist weiterhin enorm; sie können nicht nur herkömmliche Sensoren weiter ersetzen, sondern werden aufgrund ihres niedrigen Preises zwangsläufig auch in weiteren Bereichen Anwendung finden und so einen breiteren Wachstumsmarkt erschließen. Viele international renommierte Unternehmen wie Rosemout, Analog Devices und Motorola verfolgen aktive Entwicklungspläne für den Markt mikromechanischer Sensoren. (I) Anwendungen mikromechanischer Komponenten: Der Vorteil mikromechanischer Geräte liegt in ihren geringen Kosten bei der Massenproduktion. Ihr Preis-Leistungs-Verhältnis ist deutlich besser als das herkömmlicher Geräte. Zu den Anwendungsbereichen mit einem breiten Markt zählen derzeit: 1. Multifunktionale Absolutdrucksensoren: Die Ölkrise und die Forderungen der Bevölkerung nach Umweltschutz haben Automobilhersteller gezwungen, den Kraftstoffverbrauch zu senken, die Reichweite pro Gewichtseinheit Kraftstoff zu erhöhen und die Abgasqualität zu verbessern. Die grundlegende Methode ist die präzise Steuerung des Kraftstoff-Luft-Gemisches. Schlüsselkomponente dieses Steuerungssystems ist der multifunktionale Absolutdrucksensor. 1995 wurden 25 Millionen Einheiten dieses Sensors produziert. 2. Medizinische Drucksensoren: Vor der Verwendung mikromechanischer Sensoren wurde der Blutdruck mit herkömmlichen Drucksensoren gemessen, die wenig zuverlässig waren. Diese Sensoren mussten vor der Verwendung stabilisiert und kalibriert werden, was die Kosten der Blutdruckmessung erhöhte. Die erfolgreiche Entwicklung eines multifunktionalen Silizium-Drucksensors für Automobile inspirierte die Entwicklung medizinischer Drucksensoren. Diese medizinischen Sensoren benötigen vor der Anwendung keine Kalibrierung oder Stabilisierung und sind sehr kostengünstig. Sie werden häufig in der Diagnose und Behandlung schwerer Erkrankungen, wie beispielsweise in der Herzchirurgie, eingesetzt. Die Produktionsmenge betrug 1995 18 Millionen Einheiten [2, 3]. 3. Beschleunigungsmesser Anfang der 1990er-Jahre hielten Silizium-Beschleunigungsmesser Einzug in die Praxis und wurden in Fahrzeugen zur Unfallerkennung sowie in Brems- und Airbag-Auslösesystemen verwendet. Die Jahresproduktion überstieg 1995 5 Millionen Einheiten [4]. Obwohl die Zahl der Autounfälle in den USA in den letzten zwei Jahrzehnten aufgrund der gestiegenen Fahrzeuganzahl um 75 % zunahm, sank die Zahl der Verkehrstoten um 50 %. Dies ist maßgeblich auf den Einsatz mikromechanischer Beschleunigungsmesser in Automobilen zurückzuführen. II. Marktprognose Vor zehn Jahren waren Silizium-Drucksensoren die einzigen mikromechanischen Geräte mit einer breiten Marktanwendung. Die Produktion von Beschleunigungsmessern hat sich innerhalb weniger Jahre von 200.000 auf fast 20 Millionen Einheiten erhöht. Viele weitere mikromechanische Bauelemente wurden ebenfalls schrittweise kommerzialisiert und erreichen einen Marktwert von mehreren Milliarden US-Dollar. Derzeit ist der Markt für mikromechanische Bauelemente ohne Sensorfunktion noch sehr klein, doch es gibt Anlass zu der Prognose, dass dieser Bereich in den nächsten zehn Jahren ein signifikantes Wachstum verzeichnen wird. Zu den mikromechanischen Bauelementen mit guten Marktaussichten in naher Zukunft zählen: 1. Drucksensoren: Siliziumbasierte mikromechanische Drucksensoren werden weiter an Bedeutung gewinnen und in Automobilen sowie in intelligenten Netzwerken eingesetzt werden [5]. Anwendungsbereiche für Automobilsensoren sind beispielsweise Kraftstoffverdampfung, Hochdruck-Kraftstoffeinspritzung, multifunktionale Drucksensoren für Motoren und elektronische Bremsen. 2. Inertialsensoren: Inertialsensoren, darunter Beschleunigungsmesser, Drehzahlmesser und Gyroskope, haben sich rasant entwickelt. Sie werden hauptsächlich in der Fahrzeugstabilitätskontrolle und Fahrsteuerung sowie in Virtual-Reality-Controllern eingesetzt. Beschleunigungsmesser für die Auslösung von Airbags in Kraftfahrzeugen wurden erfolgreich entwickelt. Sie sind nur 3 mm × 3 mm groß, haben einen Messbereich von 5 g und werden voraussichtlich 15 US-Dollar pro Stück kosten [6]. Inertialsensoren können als Kernkomponenten für intelligente Inertialnavigationssysteme eingesetzt und in der Steuerung von Automobilen, Flugzeugen und Raumfahrtgeräten verwendet werden. 3. Fluidregler und -geräte, wie z. B. Druckventile, werden zunehmend kommerzialisiert und ein rasantes Wachstum erfahren. Derzeit weisen mikromechanische Fluidgeräte jedoch einen engen Betriebstemperaturbereich, einen kleinen Druck- und Durchflussregelbereich sowie eine begrenzte Fluidkompatibilität auf und können die Anforderungen traditioneller Anwendungsgebiete noch nicht vollständig erfüllen [7]. 4. Datenspeicherung: Der Bedarf an Speicherkapazität für große Datenmengen, der durch komplexe Software und Bildgebungstechnologien entsteht, hat die Forschung an Speichertechnologien mit hoher Dichte vorangetrieben. Zahlreiche solcher Technologien befinden sich in der Entwicklung. Im Bereich der mikromechanischen Technologie zählen folgende Speichertechnologien zu den vielversprechendsten: (1) Durch den Einsatz eines Servomotors auf dem Chip zur Ansteuerung des Festplattenkopfes lässt sich eine Positionierungsgenauigkeit von 0,1 μm und eine Speicherdichte von bis zu 100 GB/in² erreichen [7]. (2) IBM hat eine Lese-/Schreibtechnologie für Kunststoff-Speicherplatten entwickelt, die mithilfe mikromechanischer Technologie eine Art „Stiftspitze“ erzeugt. Beim „Schreiben“ entsteht eine Vertiefung in der Kunststoffplatte, beim Lesen entspricht der Vorgang dem Leseverfahren früher Plattenspieler. Mit dieser Methode wurde eine Speicherdichte von 20 GB/in² erzielt [8]. 5. Display-Chips: Texas Instruments entwickelt seit über fünfzehn Jahren Mikrospiegel-Display-Chip-Technologie und hat nun mit der Kleinserienfertigung solcher Chips begonnen [9]. Auch andere Unternehmen im Silicon Valley arbeiten an dieser Technologie. Mikromechanische Display-Chips werden voraussichtlich kommerzialisiert und einen bedeutenden Anteil am riesigen Display-Markt einnehmen. 6. Mikromechanische Kommunikationsgeräte: Faseroptische mikromechanische Reflexionsmodulatoren, die sich in der Entwicklung befinden, sollen Echtzeit-Videokommunikation für Anwohner ermöglichen und sich voraussichtlich rasant weiterentwickeln [10]. 7. CMOS-Thermopile-Sensoren: Mit CMOS-IC-Technologie lassen sich oxid-/nitridgestützte Infrarot- und Leistungssensorelemente aus n- und p-leitendem Polysilizium herstellen. Die Wärmedämmung wird durch Ätzen des Siliziumvolumens unter den thermischen Oxidschichten des CMOS erreicht. Siliziumoxide und -nitride sind empfindlich für Wellenlängen von 8 bis 14 Mikrometern und können zur Überwachung von unbefugtem Eindringen in Räume eingesetzt werden. Temperaturerhöhungen (einige mK) werden mittels Thermosäule detektiert [11]. Dieses Element bietet voraussichtlich breite Anwendungsmöglichkeiten im zivilen, industriellen und militärischen Bereich. 8. CMOS-Thermodrucksensor: Durch Ausnutzung des Einflusses von Druck auf die Wärmeleitfähigkeit von Luft kann ein CMOS-Drucksensor zur Messung des Gasdrucks realisiert werden. Aktuell entwickelte Geräte können Luftdrücke von 10² bis 10⁶ Pa messen [12]. 9. Multifunktionaler CMOS-Sensor für Thermik, Lüftung und Klimatisierung (HLK). Die Regulierung von Heizung, Lüftung und Luft erfordert die Messung von Temperatur, Luftstrom und Luftfeuchtigkeit. Durch die Integration einer Thermosäule, eines thermischen Drucksensors und eines Fingerkondensators zur Feuchtigkeitsmessung mittels CMOS-Technologie entsteht ein HLK-Sensor [13]. Dieser Sensor spielt eine wichtige Rolle bei der Schaffung hochwertiger Wohnumgebungen. IV. Mikromechanische Instrumente. Da die Mikromechanik die kostengünstige Herstellung kleiner mechanischer Strukturen sowie die Integration von Sensoren, Aktoren und Steuerungen ermöglicht, bietet sie große Vorteile bei der Prüfung von Instrumenten und in anderen Bereichen. 1. Mikromechanische Elektrophoreseapparatur: An beide Enden eines dünnen Kapillarröhrchens wird eine Gleichspannung angelegt. Eine ionenleitende Flüssigkeit wird in das Röhrchen injiziert und löst eine elektrophoretische Bewegung aus. Die zu analysierende Probe wird in ein Ende des Kapillarröhrchens injiziert. Molekülgruppen unterschiedlicher Molekulargewichte bewegen sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten und bilden so eine Verteilung nach ihrer Molekularmasse. Die Zusammensetzung der Probe kann durch Strahlung oder Fluoreszenz an der Kapillarwand bestimmt werden. Beispielsweise lässt sich die Zusammensetzung einer bestimmten DNA-Gruppe analysieren. Elektrophoreseapparaturen, die mittels mikromechanischer Verfahren hergestellt werden, bieten gegenüber herkömmlichen Elektrophoreseapparaturen große Vorteile. Sie sind nicht nur kostengünstiger, sondern auch deutlich kleiner – nur ein Zehntel so groß wie herkömmliche Geräte. Zudem ist die Geschwindigkeit um das Zehnfache erhöht, und die Testergebnisse sind präziser [14]. 2. Mikromechanisches Massenspektrometer: Elektrophoreseapparaturen dienen der Analyse der molekularen Zusammensetzung von Proben, während Massenspektrometer die atomare Zusammensetzung analysieren. Im Massenspektrometer wird die Probe zunächst verdampft und anschließend im Vakuum ionisiert. Ein elektrisches Feld versetzt die Ionen in schnelle Bewegung, und Ionen unterschiedlicher Masse werden in einem Magnetfeld auf verschiedene Bahnen getrennt. Die atomare Zusammensetzung kann anschließend mit einem Detektor erfasst werden. Die Herstellung dieses Massenspektrometers mittels mikromechanischer Verfahren befindet sich in der Entwicklung und soll auf Handflächengröße miniaturisiert werden [15]. 3. Mikromechanische Zellzähler suspendieren Zellen in einer Flüssigkeit und injizieren sie in ein Reagenzglas mit einer transparenten Flüssigkeit. Nach der Injektion bildet die Zellsuspension eine sehr dünne Säule in der transparenten Flüssigkeit des Reagenzglases. Die Säule ist so dünn, dass Form, Größe und optische Eigenschaften einzelner Zellen von der Wand des Reagenzglases aus für statistische Untersuchungen gemessen werden können. Dies ist sehr vorteilhaft für die medizinische Forschung. Derzeit sind solche Instrumente sehr teuer, aber die Mikrostrukturen in den mittels mikromechanischer Verfahren hergestellten Zellzählern sind sehr praktisch. Mikromechanische Zellzähler werden in der Lage sein, Blutzellen mit einem Anteil von nur 0,1 % zu identifizieren [16]. 4. Mikromechanische Chromosomenkettenreaktionsapparatur: Die aktuelle Technologie kann die Struktur sehr geringer DNA-Mengen nicht messen. Sie kann erst nach der Vermehrung der DNA-Chromosomen durch Replikation der DNA gemessen werden. Die DNA-Doppelhelix-Proteinmoleküle werden durch Erhitzen geschmolzen und in zwei Einzelstränge aufgespalten. Nach dem Abkühlen verbinden sich die Reagenzmoleküle in einem geeigneten Reaktionsreagenz mit jedem Einzelstrang zu zwei doppelsträngigen DNA-Molekülen. Durch Wiederholung dieses Prozesses vervielfältigt sich die DNA in großen Mengen [17]. Kettenreaktionsapparaturen, die mithilfe mikromechanischer Methoden hergestellt werden, können die DNA-Probenreplikation innerhalb weniger Minuten durchführen und sind damit 5- bis 10-mal schneller als herkömmliche Geräte. Zudem lassen sich teure Reaktionsreagenzien einsparen. Angesichts der steigenden Nachfrage nach DNA-Tests im medizinischen Bereich werden kostengünstige und leistungsstarke mikromechanische Kettenreaktionsapparaturen einen großen Markt finden. 5. Mithilfe mikromechanischer Methoden lassen sich Schwermetalldetektoren zur anodischen Auflösung herstellen. Diese Detektoren können den Schwermetallgehalt in Proben anhand des charakteristischen Potenzials und der Ionisationsladung von Schwermetallen bestimmen. Mikromechanische Methoden eignen sich auch zur Herstellung kleiner, tragbarer Schwermetalldetektoren, die die Überwachung von Schwermetallbelastungen vor Ort ermöglichen [18]. 6. Ein mikromechanischer Blutanalysator auf Basis mikromechanischer biochemischer Sensoren ermöglicht die schnelle Messung mehrerer Blutparameter wie CO₂, K⁺, Na⁺, Cl⁻, Glukose, Harnstoff und pH-Wert [19]. Die erfolgreiche Entwicklung dieses Blutanalysators markiert den Beginn einer neuen Ära für chemische Analysegeräte. V. Fazit: In nur etwas mehr als einem Jahrzehnt hat die Mikromechanik von ihren Anfängen bis heute zahlreiche Errungenschaften erzielt – von der Grundlagenforschung über die Geräteentwicklung bis hin zur Instrumentenfertigung. Sie hat sich zu einer vielseitigen Disziplin entwickelt, die zahlreiche Bereiche der Gesellschaft maßgeblich beeinflussen wird. Mikromechanische Sensoren erfreuen sich aktuell großer Beliebtheit, halten über ein Viertel des Sensormarktanteils und haben die Entwicklung neuer Produkte mit hohem wirtschaftlichem und gesellschaftlichem Nutzen vorangetrieben, beispielsweise Airbag-Auslösesysteme für Kraftfahrzeuge. Forschungsergebnisse im Bereich mikromechanischer Gyroskope, biologischer und chemischer Sensoren etc. deuten darauf hin, dass die Mikromechanik in vielen Bereichen eine bedeutende Rolle spielen, enormen wirtschaftlichen Nutzen generieren und der Gesellschaft großen Fortschritt bringen wird. Die Entwicklung und Forschung mikromechanischer Instrumente zeigen, dass die Menschheit heute in der Lage ist, eine breite Palette kostengünstiger, tragbarer oder handlicher Geräte mit schnellen Messzeiten und präziseren Ergebnissen zu entwickeln. Dies wird immer mehr Menschen den Zugang zu hochwertiger medizinischer Versorgung ermöglichen und ihnen die Teilnahme an hochrangiger wissenschaftlicher Forschung erlauben. Ähnlich wie bei Mikrocomputern liegt der Vorteil mikromechanischer Geräte im Preisvorteil durch Massenproduktion. Daher sind die bisher kommerziell erfolgreichen Projekte hauptsächlich solche mit großen Märkten, wie beispielsweise mechanische Sensoren. Mit der Entwicklung verschiedener modularer Geräte ist jedoch zu erwarten, dass diese zu einer Vielzahl von Instrumenten und Systemen kombiniert werden können, wodurch die Diversifizierung mikromechanischer Produkte ermöglicht wird. Referenzen: J. Bryzek, Impact of MEMS technology on society, Sensors and Actuators A 56 (1996), 1–9; J. Bryzek, New generation of disposable blood pressure sensors, Proc. Sensors Expro, Detroit, MI, USA. 1987 J. Bryzek u. a., Siliziumsensoren und Mikrostrukturen im Gesundheitswesen, Proc. Sensors, Expro. W. Kuchuel, Ein oberflächenbearbeiteter Silizium-Beschleunigungsmesser mit integrierter Detektionsschaltung, Sensory and Actuators, A, 45 (1994), 7–16. 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Zusammenfassung: MEMS-Komponenten und -Instrumente eignen sich für die Serienfertigung und zeichnen sich durch niedrige Kosten, hohe Zuverlässigkeit, geringes Volumen und hohe Integrationsfähigkeit aus. In diesem Jahrzehnt wurden große Fortschritte in Forschung, Entwicklung und Vermarktung erzielt, was vielversprechende Zukunftsaussichten verspricht.