Mikro-elektromechanisches System (MEMS)

Ein MEMS ist ein Bauteil, das mechanische und elektrische Funktionen auf demselben Chip vereint und mit den Verfahren der Halbleiterfertigung hergestellt wird. Die Abmessungen reichen von weit unter einem Mikrometer bis in den Millimeterbereich. Das Kennzeichen ist die Kombination: Auf einem Stück Silizium sitzt etwas, das sich bewegt oder verformt, zusammen mit der Elektronik, die es ansteuert oder ausliest.

Ausführliche Erklärung

Der Fertigungsweg ist der eigentliche Punkt. Mechanische Bauteile dieser Größe entstehen nicht durch Zerspanen oder Montieren, sondern durch Beschichten und Ätzen — Schicht für Schicht, wie eine integrierte Schaltung, und wie diese in einem Durchgang zu Tausenden auf einer Siliziumscheibe. Daraus folgen zwei Eigenschaften, die sich sonst ausschließen: Präzision im Bereich von Bruchteilen eines Mikrometers und niedrige Kosten je Stück, sobald die Stückzahl stimmt.

Im Heimkino begegnet der Begriff dem Leser an einer Stelle deutlich häufiger als an allen anderen: beim Bildwandler des DLP-Verfahrens. Der Hersteller ordnet ihn ausdrücklich so ein — ein Bauteil mit elektrischem Eingang und optischem Ausgang, aufgebaut als Feld hochreflektiver Aluminiumspiegel über einer Schicht CMOS-Speicherzellen. Jeder Spiegel kippt zwischen zwei festen Endlagen, bei den verbreiteten Bausteinen ±12 Grad, bei einem Spiegelabstand von wenigen Mikrometern.

Zurück geht diese Bauform auf Larry J. Hornbeck, der bei Texas Instruments in Dallas an beweglichen Spiegelanordnungen arbeitete; das Patent US 5 061 049 nennt ihn als alleinigen Erfinder, mit einer Prioritätskette, die bis zum 31. August 1984 zurückreicht. Die Schrift grenzt die Bauweise gegen ältere Versuche ab, bei denen Kragarme oder eckseitig aufgehängte Klappen bewegt wurden — die Aufhängung an einem Torsionssteg war der Schritt, der das Bauteil dauerhaft schaltbar machte.

Was aus der Bauart folgt

Geschwindigkeit. Bewegte Masse und Weg sind winzig, deshalb sind die Schaltzeiten kurz: Der Hersteller nennt über 20.000 Schaltvorgänge je Sekunde. Erst diese Geschwindigkeit macht das Verfahren möglich, denn Helligkeit entsteht bei diesem Bildwandler über die Zeit und nicht über die Stellung — siehe Pulsweitenmodulation.

Lebensdauer. Die naheliegende Sorge bei bewegten Teilen ist Verschleiß. Der Hersteller gibt als geprüfte Größenordnung eine Trillion Schaltzyklen an. Das ist eine Herstellerangabe aus einer Prüfung, keine Feldstatistik über Geräte in Wohnräumen — für die Einordnung reicht sie trotzdem: Die Mechanik ist nicht das Bauteil, an dem ein Projektor als erstes altert.

Empfindlichkeit gegen Umgebung. Ein MEMS sitzt hinter einem Fenster in einem gekapselten Gehäuse, und dieses Fenster gehört zum optischen Weg. Was sich darauf ablagert, steht im Bild. Wer den Aufstellort plant, achtet deshalb auf saubere Zuluft; Sorge um die Mechanik selbst ist dagegen nicht nötig.

Häufiges Missverständnis

„Digital heißt, dass sich nichts bewegt." Der Name des Verfahrens legt genau das nahe, und viele Kunden sind überrascht, dass in einem modernen Projektor tatsächlich Millionen kleiner Spiegel klappen. Digital bezieht sich hier auf die Ansteuerung — jeder Spiegel kennt nur zwei Zustände, an und aus, und die Zwischenwerte entstehen aus deren zeitlichem Verhältnis. Die Bewegung selbst ist echte Mechanik.

Nicht zu verwechseln mit

• DMD: der Name des konkreten Bauteils im DLP-Projektor. Es ist ein MEMS, aber MEMS ist der Oberbegriff für eine ganze Bauteilfamilie.
• DLP: das Projektionsverfahren um dieses Bauteil herum, samt Lichtquelle, Farberzeugung und Ansteuerung. Siehe DLP und DMD.
• Integrierte Schaltung: gleiche Fertigung, aber ohne mechanisch bewegliches oder verformbares Element — und genau dieses Element ist das Kennzeichen des MEMS.

Aus der Praxis

Für eine Kaufentscheidung ist der Begriff selten unmittelbar nützlich; kein Kunde wählt ein Gerät, weil ein MEMS darin steckt. Nützlich ist er, wenn Eigenschaften erklärt werden sollen, die aus der Bauart folgen und nicht aus der Güte des Geräts: warum dieser Bildwandler mit jeder Lichtquelle arbeitet, warum er die Schwingungsrichtung des Lichts nicht braucht, warum seine Graustufen über die Zeit entstehen — und warum daraus wiederum der Regenbogeneffekt folgen kann.

Über die Projektion hinaus ist die Bauform in der Gebäude- und Audiotechnik verbreitet: Beschleunigungs- und Drucksensoren arbeiten nach demselben Prinzip, und auch Mikrofone werden so gebaut. Das ist für die Begriffsbestimmung wichtiger, als es klingt — es zeigt, dass MEMS eine Fertigungsfamilie ist, die in der Projektion nur eine ihrer sichtbarsten Anwendungen hat.

Verknüpfte Inhalte

Wie aus zwei Schaltzuständen Zwischenhelligkeiten werden, erklärt die Pulsweitenmodulation; warum die Spiegelfläche nicht die ganze Bildpunktfläche ist, der Füllfaktor. Das Verfahren, in dem dieses Bauteil arbeitet, steht bei DLP und DMD.

Quellen

Die Einordnung des Bildwandlers als MEMS, sein Aufbau, Kippwinkel und Spiegelabstand stammen aus Datenblatt und Einführungsdokument des Herstellers. Schaltrate und geprüfte Zyklenzahl sind Herstellerangaben aus der Technologiebroschüre. Erfinder und Datenkette der Bauform sind über die Patentschrift belegt, samt der Abgrenzung gegen ältere Bauformen. Die allgemeine Begriffsbestimmung stammt von einer undatierten Übersichtsseite zur Mikrosystemtechnik und ist als solche gekennzeichnet.

1. Texas Instruments, DLP5500-Datenblatt DLPS013H — Einordnung als MEMS, Aufbau, ±12 Grad, 10,8 µm.
2. Texas Instruments, DLPA008B — Definition des DMD als optisches MEMS.
3. Texas Instruments, DLPB010E — über 20.000 Schaltvorgänge je Sekunde, geprüfte Zyklenzahl.
4. US 5 061 049 A (Hornbeck, Texas Instruments, 1991) — Erfinder, Priorität 1984, Abgrenzung gegen ältere Spiegelbauformen.
5. MEMS Exchange, What is MEMS Technology? — allgemeine Begriffsbestimmung, Größenbereich, Stapelfertigung.