MEMS – Mikrosysteme

Kippst du dein Smartphone, dreht sich das Bild. Die Smartwatch zählt deine Schritte, der Drohnen-Flugregler hält das Fluggerät waagerecht, das Auto löst bei einem Aufprall die Airbags aus und das ESP erkennt, wenn es ins Schleudern gerät. Hinter all dem stecken MEMS – mikroelektromechanische Systeme: Chips, in denen sich winzige Strukturen aus Silizium tatsächlich bewegen. Sie sind kaum größer als ein Reiskorn und kosten oft weniger als einen Euro.

Was MEMS sind

MEMS verbinden Mechanik und Elektronik auf einem Stück Silizium. Mit den Verfahren der Chipfertigung – Belichten, Ätzen, Abscheiden (siehe Chemie in der Halbleiterfertigung) – entstehen Federn, Massen, Membranen und Kammstrukturen, deren Abmessungen im Bereich von Mikrometern liegen. Ein zweiter Chip oder ein Teil desselben Chips misst ihre Bewegung, verstärkt das Signal, wandelt es digital und korrigiert Temperatur und Offset.

Die wichtigsten MEMS auf Platinen sind:

• Beschleunigungssensoren (Accelerometer) für Lage, Erschütterung und Schritte,
• Drehratensensoren (Gyroskope) für Drehungen,
• Drucksensoren – die älteste MEMS-Familie, beschrieben beim piezoresistiven Sensor,
• MEMS-Mikrofone, heute in fast jedem Smartphone, Laptop und Headset (siehe Mikrofon),
• MEMS-Oszillatoren als robuster Ersatz für einen Schwingquarz.

Beschleunigungs- und Drehratensensor zusammen in einem Gehäuse heißen IMU (Inertial Measurement Unit), oft mit sechs Achsen; mit Magnetfeldsensor dazu werden es neun.

Beschleunigungssensor: Masse an Federn

Im Kern sitzt eine kleine Probemasse, die an dünnen Siliziumfedern aufgehängt ist. Wirkt eine Beschleunigung, bleibt die Masse wegen ihrer Trägheit etwas zurück und lenkt die Federn aus. An der Masse hängen Kammfinger, die zwischen festen Elektrodenfingern liegen. Jedes Fingerpaar bildet einen winzigen Kondensator. Bewegt sich die Masse, wird der Abstand zu einer Elektrode kleiner und zur anderen größer – eine Kapazität steigt, die andere sinkt. Die Elektronik wertet diesen Unterschied aus (Differentialkondensator).

Die Bewegungen sind unvorstellbar klein. Masse und Feder bilden ein Schwingsystem mit einer Eigenfrequenz f₀. Unterhalb dieser Frequenz gilt für die Auslenkung x bei der Beschleunigung a:

Weil auch die Erdbeschleunigung auf die Masse wirkt, misst ein ruhender Beschleunigungssensor 1 g nach oben – genau das macht ihn zum Neigungssensor.

Drehratensensor: der Coriolis-Trick

Ein MEMS-Gyroskop hat keinen rotierenden Kreisel. Stattdessen wird eine Masse elektrostatisch in eine schnelle Schwingung versetzt, typisch mit einigen bis einigen zehn Kilohertz. Dreht sich der Chip, wirkt auf die schwingende Masse die Corioliskraft – dieselbe Kraft, die Wirbelstürme auf der Nordhalbkugel nach rechts ablenkt. Sie drückt die Masse quer zur Schwingrichtung, und zwar umso stärker, je schneller die Drehung ist. Diese Querbewegung wird wieder kapazitiv gemessen. Das Ergebnis ist die Drehrate in Grad pro Sekunde (°/s, oft „dps“).

Schaltzeichen

MEMS-Sensoren erscheinen im Schaltplan als IC-Rechteck mit Versorgung, Masse, Schnittstelle (I²C oder SPI) und Interruptausgängen. Wichtig ist eine Zusatzinfo, die kein Schaltzeichen zeigt: die Achsenrichtung. Sie ist im Datenblatt relativ zur Pin-1-Markierung angegeben.

Kennwerte

Für Lage und Schritte genügen ±2 bis ±4 g; Erschütterungen und Stöße brauchen ±16 g oder mehr. Für Drohnen und Gimbal ist niedriges Rauschen des Gyroskops entscheidend.

Beispiel: Neigung messen

Liegt der Sensor flach, misst die z-Achse 1 g, x und y messen null. Kippst du ihn um den Winkel θ um die y-Achse, verteilt sich die Erdbeschleunigung: Die x-Achse misst g · sin(θ).

Die meisten MEMS-Sensoren sprechen I²C oder SPI. Für I²C legst du die Pull-up-Widerstände mit dem Rechner I²C-Pull-up aus; bei schnellen Ausgaberaten ist SPI die bessere Wahl.

Bauformen

• LGA-Gehäuse (Land Grid Array) mit 2 × 2 bis 3 × 3 mm und Anschlüssen nur auf der Unterseite – Standard für Beschleunigungssensoren und IMUs.
• MEMS-Mikrofone in Metalldeckel-Gehäusen mit Schallöffnung oben (Top-Port) oder unten durch die Platine (Bottom-Port).
• MEMS-Oszillatoren in denselben Gehäusen wie Quarzoszillatoren, daher direkt austauschbar.
• Module mit Sensor, Spannungsregler und Pull-ups für Steckbrett und Prototyp.

Auswahl und Praxistipps

Wähle Messbereich, Rauschen und Stromaufnahme passend zur Aufgabe, dann die Schnittstelle. Ein FIFO-Speicher und Interruptfunktionen wie Bewegungs- oder Fallerkennung im Sensor entlasten den Mikrocontroller und sparen Strom, weil er schlafen kann, bis etwas passiert. Achte auf die Lieferbarkeit: Einige verbreitete Typen der Bastlerwelt sind abgekündigt.

Häufige Fehler:

• Achsen verwechselt: Der Sensor sitzt um 90° gedreht auf der Platine, die Software rechnet mit falschen Achsen. Lege die Achsen beim Layout fest und dokumentiere sie.
• Mechanischer Stress: Lötstress und eine verbogene Platine verschieben den Nullpunkt. Platziere MEMS nicht nahe an Befestigungsbohrungen oder Steckern.
• Ultraschall und Vibration: Ein Gyroskop, dessen Arbeitsfrequenz von einem Motor oder Ultraschall getroffen wird, liefert Unsinn. Bei Drohnen werden Flugregler deshalb oft weich gelagert.
• Reflow-Profil und Feuchte: MEMS mit Hohlräumen sind feuchteempfindlich und dürfen nur nach Herstellerangabe gelötet werden. Bei Mikrofonen mit Öffnung darf kein Flussmittel in die Öffnung gelangen; nicht waschen.
• ESD und Stöße: Ein Sturz aus einem Meter auf Fliesen erzeugt Tausende g; das überleben die Sensoren, aber dein Testaufbau nicht unbedingt. Gegen elektrostatische Entladungen hilft der übliche Schutz, siehe ESD.

Selbsttest