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Was sind eigentlich - MEMS?

Sie sind einige Millionstel Millimeter klein und merken einfach alles: mikroelektromechanische Systeme – MEMS. Sie arbeiten in iPods, Herzschrittmachern, Autoreifen und Bürodruckern. Und sie breiten sich immer weiter im Alltag aus.




Was haben Technik und ungezogene Kinder gemeinsam? Sie nerven, brüllen rum, wollen immer im Mittelpunkt stehen und sind bei alledem nicht halb so gut wie auffällig.

Es gibt allerdings auch ruhige, angenehme, intelligente Kinder, die wir alle viel netter fänden - bemerkten wir ihre Existenz. Viele Techniken sind einfach verzogene Gören, aber andere sind so brav und nützlich, dass sie kaum auffallen. Schade eigentlich, denn ihr Einsatz macht vieles leichter, besser, sicherer. Ein solches braves Kind der Technik ist MEMS. Voll ausgeschrieben steht das für mikroelektromechanische Systeme.

Wie der Name andeutet, verbindet MEMS Halbleitertechnik mit Miniaturmechanik dort, wo die klassische Feinwerktechnik und die Feinmechanik in den achtziger Jahren nicht mehr weiterkamen: im Mikrometer-, also Millionstel-Meter-Bereich. MEMS sind fast immer aus dem Halbleiter Silizium gemacht. Der lässt sich gut in kleinsten Strukturen bearbeiten und ist ideal für alle elektronischen Anwendungen. Leichteste Druckveränderungen oder minimale elektrische Impulse reichen aus, um die hauchdünnen Strukturen in jede beliebige Richtung zu bringen.

Dies geschieht beispielsweise im Druckkopf eines Tintenstrahldruckers. Aus der Patrone wird die Tinte in dünnste Silizium-Kanäle geleitet. Diese Mini-Kanäle werden im richtigen Moment elektrisch oder thermisch aktiviert und die Tinten-Tröpfchen genau an der richtigen Stelle in der richtigen Dosierung auf das Blatt Papier geschossen. Ende der achtziger Jahre kamen die ersten Tintenstrahldrucker auf MEMS-Basis auf den Markt - und die elektronische Steuerung eines mechanischen " Lackiervorgangs" eröffnete plötzlich völlig neue Möglichkeiten, präzise, mehrfarbig und kostengünstig zu drucken. Die heutigen Hochglanz-Fotodrucker für wenige hundert Euro sind ein Ergebnis dieser Entwicklung.

Solch nützliche Technik bereitet stille Freude beim Betrachter. Und sie verdient auch eine Menge Geld. Um diese positiven Folgen kümmert sich Jérémie Bouchaud, MEMS-Spezialist bei der Münchener Beratungsfirma Wicht Technologie Consulting (WTC). Er sagt: "Alle vier bis fünf Jahre gibt es eine technische Neuerung, die ein MEMS-Produkt mit mehreren hundert Millionen Dollar Marktvolumen hervorbringt." Eine der Blockbuster-Erfindungen ist der so genannte DLP-Chip der Firma Texas-Instruments. Dieser elektromechanische Chip sorgt bei Videobeamern und Rückprojektionsfernsehern für deutlich sattere Farben als bei den Konkurrenz-Systemen auf Flüssigkristall-Basis (LCD).

DLP-Chips bestehen aus hunderten Minispiegeln, die blitzschnell elektronisch gesteuert aus den drei Grundfarben ein messerscharfes Bild an die Wand werfen. Bei Beamern haben MEMS-Systeme inzwischen einen Marktanteil von 55 Prozent. Nach Berechnungen von WTC wurden im Jahr 2004 mit MEMS-Bauteilen weltweit zwölf Milliarden US-Dollar umgesetzt. Bis 2009, so die Prognose aus München, soll der Umsatz auf 25 Milliarden Dollar steigen. Das entspräche einer Wachstumsrate von jährlich 16 Prozent. Auf dem großen Feld der Unterhaltungselektronik wächst der MEMS-Markt überdurchschnittlich schnell. Das liegt vor allem daran, dass MEMS-Technik eine Vielzahl vorhandener Geräte und Dinge deutlich sicherer und vielseitiger machen kann.

Die Technik rettet den iPod und korrigiert den Kameramann Schon heute ist in jedem Festplatten-iPod ein Sensor eingebaut, der die wild drehende Platte abschaltet und damit vor Beschädigungen schützt, wenn das Gerät runterfällt - und zwar bevor es aufschlägt. Der Trick dabei: In den Geräten steckt ein MEMS-Beschleunigungssensor. Das sind Miniaturpendel, die wie ihre großen Geschwister in Uhren mit der Schwerkraft arbeiten. Nur dass diese auch sofort bemerken, wenn sich die Schwerkraftverhältnisse ändern. Fällt ein iPod vom Tisch, ist nach einem freien Fall von fünf bis zehn Zentimetern dank MEMS-Sensor alles im grünen Bereich. Der Lesekopf der Festplatte wurde geparkt, also von der sensiblen Oberfläche der Datentrommel genommen. Damit kann beim Aufprall kein größerer Schaden entstehen, die aufgespielte Musik bleibt erhalten.

Bei teuren TV- und Videokameras helfen MEMS-Bausteine Bilder zu stabilisieren, indem sie das Zittern des Kameramanns messen, das dann mechanisch ausgeglichen werden kann. Drehratensensoren - eine Art supergenauer Minikreiselkompass, der Bewegung um die eigene Achse misst - machen mit Bewegungssensoren kombiniert Wanderer und Autofahrer bei der Standortbestimmung unabhängig von einem GPS-Signal. Höhenmesser werden mit Silizium-Luftdrucksensoren immer kleiner und genauer. Mikrofone mit ultradünner Silizium-Membran sind deutlich kleiner und schallwellenempfindlicher als traditionelle; Hersteller von Hörgeräten greifen auf sie zurück. In teuren Mobiltelefonen finden elektromechanische Mikrofone gerade ihre erste Massenanwendung, womit wir bei einem der wichtigsten MEMS-Märkte der Zukunft wären. Er liegt in Japan.

Viele Japaner nutzen ihr Telefon auf langen S-Bahnfahrten zur Arbeit als Gameboy: MEMS-Technik macht Computerspiele handy-tauglich. Ein Drehraten-Sensor bemerkt, wenn der Spieler sein Handy nach links kippt - und das Rennauto auf dem Display fährt nach links. Oder er schüttelt das Mobiltelefon, und auf dem Display rotieren Würfel, die fallen, wenn die Bewegung stoppt. Doch auch jenseits der Spielerei kann MEMS-Technik die Bedienbarkeit von Handys deutlich erleichtern. In Fernost können Mobiltelefonierer heute durch kleine Kippbewegungen bequem durch das Menü navigieren.

Dank MEMS bleiben Herzpatienten in Aufzügen und Raketen ganz ruhig In Deutschland ist die Automobilindustrie der größte Treiber von mikroelektromechanischen Systemen. Die Robert Bosch GmbH ist nach eigenen Angaben bei MEMS-Sensoren Weltmarktführer. In Zahlen bedeutet das: 100 Millionen Stück pro Jahr. "Die beiden wichtigsten Anwendungsfelder sind Motormanagement und Sicherheitssysteme", erklärt Jiri Marek, Entwicklungsleiter Sensoren bei Bosch. Gutes Motormanagement heißt: bestmöglicher Antrieb bei geringstmöglichem Verbrauch und minimalen Abgasen. Deshalb sitzen MEMS in der Einspritzanlage. Und - seit dem Elch-Test-Desaster der Mercedes-A-Klasse - als Herzstück von Antiblockiersystemen (ABS) und Elektronischen Stabilisierungs-Programmen (ESP) in immer mehr Autos. Dort registrieren die braven kleinen Helfer gefährliches Fehlverhalten des Fahrers und steuern elektronisch dagegen. Fliegt ein Cabrio aus der Kurve und setzt zum Überschlag an, melden Drehratensensoren dem Bordcomputer, dass er schnell den Überrollbügel ausfahren soll.

Auch Airbags werden heute in 95 Prozent der Neuwagen nicht mehr durch elektrische Kontakte im vorderen Motorraum ausgelöst, sondern durch Beschleunigungssensoren am Bordcomputer, die auf abrupte Entschleunigung - einen Aufprall - reagieren.

Zum Verkaufsschlager entwickeln sich mikromechanische Reifendruckmesser. Ab 2007 muss jeder Reifen in jedem Neufahrzeug in den USA einen MEMS-Sensor haben, der den Reifendruck zum Amaturenbrett funkt. Die Erfahrung lehrt; Neue, gesetzlich vorgeschriebene Verkehrstechnik zieht schnell von den USA nach Europa. Und belebt das Geschäft nachhaltig.

Desweiteren etabliert sich die MEMS-Technologie in der Medizintechnik. Mini-Insulinpumpen, die Diabetikern implantiert werden können, werden in absehbarer Zeit technisch machbar sein. Mikroelektromechanische Drucksensoren leisten schon heute in Beatmungsgeräten, bei Blutdruckmessern und mobilen EKG-Einheiten zuverlässige Dienste.

Auch intelligente Herzschrittmacher haben bereits MEMS-Sensoren integriert. Das System erkennt, ob der Herzpatient schläft - dann wird die Pulsfrequenz heruntergesetzt. Beim Gehen wird eine normale Rate gewählt, beim Treppensteigen wird die Frequenz leicht erhöht. Was nahezu perfekt funktioniert. Die erste Generation der MEMS-Sensoren im Herzschrittmacher hatte dagegen einige Tücken. In Aufzügen bekamen Menschen mit Schrittmachern Herzrasen. Neue MEMS-Sensoren wissen daher zu unterscheiden: Bewegt sich ein Mensch gerade und schnell nach oben - im Aufzug oder etwa einer Rakete - braucht er keinen schnellen Puls. Geht es langsam und schräg nach oben, dann steigt der Puls.

Und den Unterschied zwischen einem startenden Propellerflugzeug und Bergsteigen kriegen die MEMS sicher auch noch mit.