Mikro-elektromechanische Systeme präzise ansteuern

Bild 1: Dieser Muldenkipper zählt zweifellos zu den größeren Kraftfahrzeugen. Maxim

Die Vielfalt der MEMS-Anwendungen wird nur durch die menschliche Vorstellungskraft begrenzt. Inertialsensoren, trägheitslose Sensoren, Beschleunigungsaufnehmer, Aktoren, Schalter und Relais, Flüssigkeits- und Gassensoren und biologische Sensoren gibt es ebenso wie HF-Wellenleiter, Antennen, Resonatoren, Oszillatoren, Filter, Schalter, optische Mikrofone, Gitter und Gyroskope. Die Ausmaße des MEMS-Universums nehmen geradezu explosionsartig zu, und ebenso rasant wächst der Bedarf an präzisen Ansteuer- und Treiberlösungen für diese Bauelemente.

Bild 2: Der Größenvergleich mit der etwa 0,5 mm langen Spinnmilbe macht die Winzigkeit der Zahnräder auf diesem MEMS-Bauelement deutlich. Sandia National Laboratories, Summit Technologies

Um Ordnung in die Vielzahl der MEMS-Anwendungen zu bringen, sollen diese jetzt entsprechend ihrer Anwendungsweise in zwei Gruppen eingeteilt werden. Die eine Gruppe wird als Sensoren und für Messungen verwendet. Diese MEMS-Komponenten erzeugen Eingangssignale für Systeme (in Bild 3 auf der linken Seite). Rechts sind dagegen die MEMS-Bauelemente zu sehen, die ansteuern, betätigen und bewegen und Ergebnisse produzieren.

Wie bei allen Analog-Digital-Schnittstellen kann auch hier ein Kalibrieren des Offsets, der Verstärkung und der Linearität erforderlich sein. Hilfreich für ein schnelleres automatisches Testen können digital unterstützte analoge Systeme sein wie zum Beispiel ein Digitales Potentiometer (Digipot) oder ein Digital-Analog-Wandler (DAC). Sollte das Rauschen des Sensors ein Problem sein, kann die Stromversorgung mithilfe einer besonders rauscharmen Spannungsreferenz erfolgen. Applikationsschriften, Rechen-Tools und System-Tipps zu diesem Themenbereich sind unter (http://www.maximintegrated.com/products/data_converters/dacs/calibration.cfm) zu finden.

Bild 3: Einteilung des MEMS-Markts in Eingabe- und Ausgabefunktionen. Maxim

Die Produktion von MEMS-Komponenten erfolgt in der Regel mit abgewandelten Verfahren aus der Fertigung integrierter Schaltungen. Wie bei allen technischen Vorhaben müssen auch hier Kompromisse geschlossen werden. Entscheidungen müssen unter Beachtung der physikalischen Gesetze und der technischen Möglichkeiten gefällt werden. Bestimmte Fertigungsprozesse mögen ideale MEMS-Bausteine hervorbringen, bieten aber keine perfekten Voraussetzungen für die Herstellung integrierter Schaltungen. Um MEMS-Produkte praktikabel produzieren zu können, mussten deshalb Prozesse modifiziert oder gänzlich neu entwickelt werden. Ebenso wie bei vielen neuen Technologien sind auch hier bei den verschiedenen Herstellern eine Menge proprietärer Prozeduren in Gebrauch. Im Zuge des weiteren Wachstums dieses Sektors werden immer mehr externe Treiberschaltungen gemeinsam mit dem MEMS auf einem Chip untergebracht werden. Externe Treiberschaltungen sind sinnvoll für die optimierte und beschleunigte Entwicklung von MEMS-Prototypen. Abgesehen davon ist es nicht immer optimal, praktikabel und bezahlbar, jedes IC in den MEMS-Baustein zu integrieren. Nachfolgend werden Konzepte für MEMS-Treiber angesprochen, um Designern Denkanstöße zu geben und die Möglichkeit zu bieten, den besten Architektur-Mix für die spezielle Anwendung herauszufinden.

Ansteuerung von Sensoren

Ebenso wie andere Sensoren auch, wandeln MEMS-Sensoren Änderungen einer physikalischen Größe (zum Beispiel Druck, Bewegung, Beschleunigung, Licht oder Neigung) in eine messbare Änderung meist eines Widerstands, einer Kapazität, einer Spannung, eines Stroms, einer Impedanz oder einer Resonanz um. Auch das Umgekehrte ist möglich: die Änderung eines elektrischen Ansteuersignals kann im MEMS-Bauelement (wie im Fall eines MEMS-Spiegelarrays) eine Bewegung auslösen, wie im nächsten Abschnitt erläutert wird.

Bei Sensoren ist der Signal-Rauschabstand (SNR) ein wichtiger einschränkender Faktor. Das Sensorsignal kann verstärkt, gefiltert und in Bezug auf Offset und Bias aufbereitet werden, bevor es einem Analog-Digital-Wandler (ADC) zugeführt wird. Neben der direkten Ansteuerung durch einen Strom können mithilfe von DACs auch komplexere Ansteuersignale generiert werden, und je nach Anwendung lässt sich eine komplexe Wellenform nutzen, um den SNR des jeweiligen Sensorsystems zu verbessern. Im nächsten Abschnitt wird außerdem beschrieben, wie sich mithilfe einer Dampfmaschine ein Infrarotsensor kühlen lässt, um auf diese Weise den SNR zu verbessern.

Bei Silizium-Drucksensoren handelt es sich um MEMS-Bauelemente, die es bereits seit den 1970er Jahren gibt. Auf Silizium-Dehnmessstreifen beruhende Sensoren sind mittlerweile preisgünstig zu haben. Sie liefern hohe Signalpegel und sind vergleichsweise robust. Dennoch gibt es einen Schwachpunkt, denn diese Sensoren sind sehr temperaturabhängig und ihre anfänglichen Offset- und Empfindlichkeitswerte unterliegen einer großen Toleranz. Das Tutorial 3545 (Resistive Bridge Basics: Part Two) http://www.maximintegrated.com/an3545 befasst sich schwerpunktmäßig mit Silizium-Dehnmessstreifen mit hohem Ausgangspegel. Durch Kombinieren der Eigenschaften von Delta-Sigma-ADCs und mit Strom angesteuerten Silizium-Dehnmessstreifen lassen sich einfache ratiometrische Schaltungen herstellen. Mit den angegebenen Rechenbeispielen lässt sich leichter verstehen, welche Bedeutung die ADC-Auflösung hat und welcher Dynamikbereich zur Kompensation dieser Sensoren erforderlich ist.

Die Kompensation von MEMS-Sensoren beruhte in der Vergangenheit stets auf einer analogen Architektur, doch greift man zunehmend auf digitale Lösungen zur Unterstützung der analogen Schaltungen zurück. Leistungsfähige DSSP-Recheneinheiten (Digital-Sensor Signal Processing) bieten sich mittlerweile für den Einsatz in Drucksensoren an. Einen detaillierten Einblick in die DSSP-Architektur bietet das Tutorial 743 http://www.maximintegrated.com/an743 (Approaches for Compensating Span and Offset in Pressure Sensors).

MEMS-Bauelemente als Aktoren

Bild 4: Die Milbe verdeutlicht die Abmessungen der Spiegelbaugruppe (a). Vergrößerte Ansicht des angehobenen Spiegels (b). Sandia National Laboratories, Summit Technologies

Spiegel, Getriebe und Motoren werden für die Reaktion auf Ausgangssignale genutzt. Ein motorgetriebener Spiegel wie in Bild 4 etwa wird benutzt, um einen zur Nachrichtenübertragung dienenden Laserstrahl vom Eingang an einen von mehreren Ausgängen abzulenken. Er stellt damit einen optischen Routing Switch dar. Aktoren, die Spiegel bewegen, nutzen kleine Motoren (wenn man einen Motor allgemein als eine Vorrichtung definiert, die Energie in Bewegung umwandelt). Diese Art der Umwandlung ist das Hauptthema des nächsten Abschnitts, in dem außerdem mikroskopische Dampfmaschinen vorgestellt werden.

Elektrostatische und magnetische Motoren und Dampfmaschinen

Bild 5: In dieser Ansicht eines Kamm-Antriebs sind in der Mitte die zwei Federn zu sehen, die die Rückstellkraft aufbringen, um die Zinken des Kamms wieder in die Ausgangsposition zu bringen. Sandia National Laboratories, Summit Technologies

Die in Bild 5 gezeigte Kammstruktur erhöht die Leistung eines elektrostatischen Motors. Anstatt eine Feder zur Rückführung zu verwenden, kann eine zweite Kammstruktur zum Einsatz kommen. Durch differenzielle Ansteuerung beider Kämme stellt sich eine ausgleichende Wirkung ein, in der die geringfügige Granularität eines Präzisions-DAC als Vorteil genutzt werden kann.

Was würde aber passieren, wenn es nur wenige Plattenpaare (oder sogar nur eines) mit relativ großem Abstand gäbe? Schließlich ist die elektrostatische Kraft nicht linear, sondern folgt dem Coulombschen Gesetz, und Größe, Form und Kontur der Elektroden beziehungsweise Platten entscheiden über den Verlauf der Anziehungskraft. Aus diesem Grund werden DACs zur Ansteuerung solcher nichtlinearen Bauelemente verwendet, denn durch die Wahl passender digitaler Werte lässt sich jeder beliebige Kurvenverlauf näherungsweise nachbilden.

Nehmen wir an, dass wir an einem Ende (im vorliegenden Fall am linken Ende) einen exponentiellen Kurvenverlauf brauchen. Die Änderung erfolgt hier langsam, sodass möglicherweise eine Auflösung von 6 Bit angemessen ist. Am entgegengesetzten (rechten) Ende der Kurve erfolgt die Änderung dagegen weitaus steiler, sodass 16 Bit für die Näherung erforderlich sein können. Es wird also ein 16-Bit-DAC eingesetzt und man lässt links einfach Codes aus, um eine Auflösung von 6 Bit zu erhalten. Auf dem Weg von links nach rechts wird die Zahl der übersprungenen Codes immer weiter verringert, bis schließlich ganz rechts alle 16-Bit-Codes verwendet werden. Die Kurvenanpassung lässt sich messen und im Speicher ablegen, um jeden einzelnen Baustein zu kalibrieren. Abhängig von der Anwendung kann jedoch auch eine allgemeine oder eine typische Kurve ausreichend sein.

Bild 6: Treiber für einen Zwei-Phasen-Schrittmotor. Maxim

MEMS-Magnetmotoren arbeiten genau wie ihre größeren Gegenstücke mit magnetischer Anziehung und Abstoßung. Man kann das MEMS-Bauelement entweder mit externen Drahtspulen erregen oder die Spulen direkt in die MEMS-Struktur integrieren. Mit einem Zwei-Phasen-Schrittmotor und der Schaltung aus Bild 6 ist eine Ansteuerung des Schrittmotors mit den passenden Signalpegeln möglich. Jede Phase wird durch eine eigene DAC-Verstärker-Kombination angesteuert. Bei anderen Motoren können drei, vier oder mehr Phasen erforderlich sein. Rechteckwellen mit der richtigen Phasendifferenz zwischen Phase 1 und Phase 2 lassen den Motor wahlweise im oder gegen den Uhrzeigersinn drehen. Was aber spricht dafür, die Rechteckwellen mit einem DAC-Paar, und noch dazu mit Präzisions-DACs zu erzeugen? Hierfür lassen sich zwei Gründe anführen: Bei mikroskopisch kleinen Strukturen kommen zu den normalen Reibungskräften zwischenatomare Kräfte hinzu, sodass es wünschenswert sein kann, die Amplitude des Treibersignals einige Zyklen lang anzuheben, um die Bewegung anzustoßen und die Position zu halten. Ein Herabsetzen des Treiberstroms senkt anschließend die Verlustleistung. Der zweite Grund ist die Tatsache, dass sich die Phasenwicklung eines Schrittmotors glatter und präziser ansteuern lässt, wenn man eine Sinuswelle oder einen anderen Kurvenverlauf für die Beschleunigung und Positionsregelung verwendet.

Auf den ersten Blick hat es den Anschein, als würden bei einer MEMS-Dampfmaschine wieder alte Zeiten in die integrierten Schaltungen zurückkehren. Wir freuen uns zwar, wenn wir eine Dampflokomotive vorbeifahren sehen und hören – aber was hat diese Technik in einem MEMS-Bauelement zu suchen? Dampf hat aber durchaus attraktive Eigenschaften. Die Dampfkolben einer Lokomotive etwa bringen bei einer Drehzahl von null das größte Drehmoment auf, genau wie es zum Bewegen großer Lasten nötig ist. Aus der Sicht eines MEMS-Bauelements aber ist nahezu alles auf der Welt eine große Last.

Bild 7: Mikro-Dampfmaschine mit drei Kolben. Sandia National Laboratories, Summit Technologies

Eine Dampfmaschine benötigt eine Wärmequelle und eine Flüssigkeit, die verdampft und bei einer geeigneten Temperatur wieder kondensiert. Während wir bei den meisten Schaltungen darauf aus sind, die Temperatur zu senken, wird die Wärme hier zu unserem Verbündeten. Wir kennen das Prinzip der Heatpipe, in der eine Flüssigkeit Wärme von einem Ort zum anderen transportiert. Wir können die Heatpipe jedoch auch als eine Maschine sehen, auch wenn diese im Gegensatz zu einer Dampfmaschine keine externe Arbeit verrichtet. So bizarr es auch klingen mag, stellt Bild 7 doch eine MEMS-Dampfmaschine dar.

In den drei Zylindern wird Wasser oder eine andere Flüssigkeit durch elektrischen Strom erhitzt, bis es verdampft und den jeweiligen Kolben herausdrückt. Wird der Strom unterbrochen, sorgen Kapillarkräfte dafür, dass der Kolben wieder zurückgezogen wird. Es gibt ein Video http://mems.sandia.gov/gallery/movies_steam_engines.html einer arbeitenden Einkolben-Dampfmaschine. Eine praxisgerechte Anwendung für eine solche Dampfmaschine ist ein Sterlingmotor, der als Kühlaggregat für Infrarotsensoren und LNAs (Low-Noise Amplifiers) dienen kann.

Elektrostatisch angetriebene Spiegel für höhere Geschwindigkeiten

Bild 8: Treiberschaltung für einen elektrostatisch angetriebenen Spiegel in Zwei-Quadranten-Ausführung. Maxim

Elektrostatische MEMS-Bauelemente erfordern häufig hohe Gleichspannungen von 40 bis 100 V im Verbund mit niedrigen Stromstärken (< 1 mA). Häufig aber steht nur eine Versorgungsspannung von 12 V zur Verfügung. Die Applikationsschrift 1751 http://www.maximintegrated.com/an1751 (High-V DC-DC Converter Is Ideal for MEMS) beschreibt einen Gleichspannungswandler, der diese hohen Spannungen mithilfe induktiver und kapazitiver Hochsetzsteller-Schaltungen und ohne teuren Übertrager erzeugen kann. In Bild 8 ist eine Treiberschaltung für einen elektrostatisch angetriebenen Spiegel in Zwei-Quadranten-Ausführung dargestellt.

Beispiele für MEMS-basierte Produkte

Bild 9: Blockschaltbild von Maxims ±5ppm/I2C Real-Time-Clock-(RTC) Baustein DS3231M mit internem MEMS-Resonator. Maxim

Eine Anwendung für einen MEMS-Baustein ist die kostengünstige und extrem präzise Echtzeituhr (Real-Time Clock – RTC) vom Typ DS3231M von Maxim (Bild 9). Ein MEMS-Resonator, der die nötige Schwingfrequenz erzeugt, ist hier auf einen digitalen Logikchip aufgesetzt, der die PLL-Schaltung und die zusätzliche Steuerungslogik enthält. Der Baustein besitzt einen Batterieanschluss und kann die präzise Zeitinformation somit auch dann aufrechterhalten, wenn die Haupt-Stromversorgung unterbrochen wird. Die Integration des MEMS-Resonators kommt der Langzeit-Genauigkeit des Bausteins zugute, reduziert die Abmessungen des Echtzeituhr-Chips und verringert überdies den Bauteileaufwand bei der Herstellung des endgültigen Produkts.

Die Anwendungen für MEMS-Bauelemente werden immer zahlreicher, und sie ermöglichen uns Dinge, die früher als unmöglich erachtet worden wären. Biologische Anwendungen können Chemikalien in unseren Körpern erzeugen und überwachen, und es besteht die Chance zur Diagnose, Behandlung und Heilung vieler Krankheiten, die die Menschheit heute noch plagen. Maschinen mit integrierten MEMS-Elementen sind in vielen Bereichen im Kommen. Einhergehend mit der Erfindung neuer MEMS-Bausteine werden Elektronik-Ingenieure die nötigen analogen und digitalen Schaltungen erfinden und anpassen, die für eine optimierte Ansteuerung der MEMS-Komponenten erforderlich sind.

(ah)