MEMS sind winzige Bauelemente, die Logikelemente und mikromechanische Strukturen in einem Chip vereinen. Sie können mechanische und elektrische Informationen verarbeiten. Die meisten Elemente dürften Sensoren und Aktoren, aber auch Oszillatoren und Filter sein. Diese Mechatronik-Chips werden meist aus Silizium hergestellt. Die Strukturen können kleiner als ein Mikrometer sein. Dank der Miniaturisierung lassen sie sich wie Halbleiter billig und in Massen fertigen.
MEMS bilden eine unverzichtbare technische Grundlage für moderne, innovative Lösungsansätze in der Elektronik. Viele Anwendungen sind ohne MEMS wirtschaftlich nicht realisierbar. Durch sie gestaltet sich die Anwendung elektronischer Geräte in den Bereichen Automobil, Medizin, Sicherheits- und Messtechnik, Sport, Logistik und Unterhaltung deutlich vielseitiger, bequemer und intelligenter.
Eine typische Anwendung von MEMS ist die Messung der Beschleunigung. Oder einfach nur das Feststellen des horizontalen oder vertikalen Zustands, wie man es bei Smartphones durch drehen des Displays kennt. Hier dreht sich die Bildschirmanzeige einfach mit.
In einigen Alltagsprodukten sind Beschleunigungssensoren bereits wesentlicher Bestandteil. So erkennen die Beschleunigungssensoren in Festplatten, wenn das Notebook herunterfällt. Der Lese-Schreibkopf wird dann automatisch in die Parkposition gebracht, bevor das Gerät auf dem Boden aufschlägt. In der Parkposition wird verhindert, dass der Lese-Schreibkopf auf die Oberfläche der rotierenden Magnetscheibe kracht, sie zerkratzt und die Daten dadurch zerstört werden.
Viele Anwendungen von MEMS sind nicht wirklich neu. Sie wurden schon vorher in Mess-, Waffen- und Raumfahrtsystemen eingesetzt. Dabei wurden teure Spezialbausteine verwendet.
Robustheit, Langzeitstabilität und gleichmäßige Produktqualität sind häufig Merkmale von MEMS. Aber auch geringe Baugröße, geringerer Preis und niedriger Energiebedarf zählen zu ihren Vorzügen. Der nächste Schritt sind Nanoelektromechanische Systeme (NEMS), die dann auch Quanteneffekte nutzen können.
Generell gilt, dass sich MEMS wie Halbleiter billig und in Massen fertigen lassen. Und tatsächlich lassen sich viele MEMS mit den üblichen CMOS-Fertigungsverfahren produzieren, wie sie bei integrierten Schaltungen verwendet werden. Es gibt aber auch MEMS, die aus zwei Chips bestehen. Zum Beispiel der eine, der die Sensoraufgaben hat und der andere, der als Signalverstärker oder -verarbeiter dient. Was man auch wissen muss: Gewöhnliche CMOS-Fertigungsanlagen sind für planare Strukturen ausgelegt. Viele MEMS haben aber dreidimensionale oder tief eingeätzte Strukturen, die zusätzliche Fertigungsschritte, besondere Materialien oder spezielle Ätzverfahren benötigen.
In der Geothermie werden MEMS vorwiegend als Alternative zu Geophonen oder Seismometern eingesetzt. Dies sind dann meist zunächst Beschleunigungssensoren, denn der Nutz-Frequenzbereich liegt unterhalb der meist hohen Eigenfrequenz des Sensors.
Im Folgenden wird der Aufbau eines Beschleunigungssensors nach dem Feder-Masse-Prinzip erläutert. Dabei ist zu berücksichtigen, dass es Beschleunigungssensoren gibt, die auch nach anderen Prinzipien arbeiten. Der Aufbau dieses MEMS-Beschleunigungssensors sieht drei gestapelte Platten vor, die über Spiralfedern miteinander verbunden sind. Die äußeren Platten sind fest und die mittlere beweglich. Ihre Beweglichkeit wird durch die Spiralfedern begrenzt. Durch diesen Aufbau entsteht eine Reihenschaltung von zwei Kondensatoren mit veränderlicher Kapazität. Veränderlich deshalb, weil sich der Plattenabstand der beiden Kondensatoren durch die mittlere Platte verändern. Bekanntlich beeinflusst der Plattenabstand die Kapazität eines Kondensators.
Wenn keine Bewegung statt findet oder die Beschleunigung Null ist, dann befinden sich die Platten in gleichem Abstand zueinander. Findet nun eine Bewegung, also eine Beschleunigung statt, dann wird die mittlere Kondensatorplatte zur Seite gedrückt. Dadurch entsteht eine Kapazitätsänderung. Diese Kapazitätsänderung ist proportional zur Beschleunigung. Wenn eine konstante Geschwindigkeit eingehalten wird, dann findet zwar immer noch eine Bewegung statt, aber keine Beschleunigung mehr. Die mittlere Kondensatorplatte geht in ihre Ursprungsposition zurück.
Aus z.B. der Schwingbeschleunigung kann durch Integration über die Zeit die Schwinggeschwindigkeit berechnet werden, aus dieser über eine weitere Integration der Schwingweg. Dadurch werde MEMS-Geophone mit herkömmlichen Geophonen vergleichbar.
MEMS-Sensoren können in der Geothermie in verschiedenen Funktionen eingesetzt werden. Beispiele sind:
https://www.elektronik-kompendium.de/sites/bau/1503041.htm
zuletzt bearbeitet März 2022, Änderungs- oder Ergänzungswünsche bitte an info@geothermie.de
