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MEMS für Medizintechnik: Die unsichtbaren Ärzte

Mikroelektromechanische Winzlinge (MEMS) stecken in unzähligen elektronischen Geräten. Für wirklich spektakuläre Anwendungen sorgen sie allerdings mittlerweile in der Medizintechnik.

Kontaktlinse mit MEMS-Sensor zum Messen des Augeninnendruckes. Bildquelle: © STMicroelectronics

Kontaktlinse mit MEMS-Sensor zum Messen des Augeninnendruckes.

Elektronik interagiert nicht nur mit uns oder untereinander, auch die Umwelt will sie„erkennen“. Und letzteres schaffen Geräte mit „MEMS inside“ erstaunlich gut. Diese mikroelektromechanischen Systeme lassen sich mit den herkömmlichen Verfahren aus der Halbleitertechnik in großen Stückzahlen zu geringen Kosten herstellen und sind dadurch längst in unserem Alltag angekommen. Die Beschleunigungssensoren in Smartphones sind nur ein Beispiel.

So glänzte denn auch der MEMS-Markt lange Jahre mit zweistelligem Wachstum. Diese Zeiten sind aber erst einmal vorbei. IHS Markit erwartet für 2017 nur noch ein Plus von fünf Prozent gegenüber dem Vorjahr. Gyroskope, Magnetometer und Co. haben die besten Jahre hinter sich. Zwischen 2007 und 2013 sorgten sie für den größten Boost in der knapp vierzigjährigen MEMS-Geschichte. Aber Smartphone-Verkäufe gehen längst nicht mehr zweistellig durch die Decke. Und Bewegungssensoren sind nicht mehr nur billig, sondern spottbillig. Das sorgt für sinkenden Umsatz trotzt steigender Stückzahlen.

Andere Bereiche dagegen wie etwa Healthcare – eine der größten und am schnellst wachsenden Industrien der Welt – springen dafür nun in die Bresche. Die Zunahme an chronischen Krankheiten, alternde Gesellschaften, aber auch ein steigendes Gesundheitsbewusstsein macht die Medizin zu einem lukrativen Betätigungsfeld. Und erst MEMS macht sie persönlich, weil es hilft komplette medizinische Apparate auf Handheld-Größe zu schrumpfen. Die Analysten von Stratistics MRC erwarten, dass der Umsatz mit MEMS in medizinischen Geräten ausgehend von 3,12 Milliarden US-Dollar im Jahr 2015 bis 2022 bei einem durchschnittlichen jährlichen Wachstum (CAGR) von 18,7 Prozent auf 10,41 Milliarden US-Dollar steigt.

An Einsatzmöglichkeiten fehlt es jedenfalls nicht. Die sind so vielfältig wie der Bereich Healthcare selbst:

Schrittzähler: Die wohl einfachste MEMS-Anwendung auch im medizinischen Bereich ist der Schrittzähler. Aus den Daten lassen sich Schrittanzahl, Entfernung, Geschwindigkeit und Kalorien ableiten.

Hörgeräte: Immer mehr Hersteller setzen auf die MEMS-Mikrofone. Sie sind temperaturbeständig, nehmen hohe Schallpegel in guter Tonqualität auf und unterdrücken Echos. Kombiniert man mehrere MEMS-Mikrofone in einem Hörgerät, lassen sich Geräuschquellen lokalisieren und die räumliche Orientierung für den Träger verbessern. Während MEMS-Mikrofone sich schon vor Jahren erfolgreich am Markt durchgesetzt haben, funktionieren Lautsprecher meist immer noch nach dem von Werner von Siemens 1877 patentierten Prinzip. Der dieses Jahr vorgestellte MEMS-Lautsprecher vom österreichischen Startup Usound und dem Fraunhofer-Institut für Digitale Medientechnologie IDMT kommt dagegen mit der Hälfte des Platzbedarfs und einem Fünftel der Energie ihrer »traditionellen« Pendants aus.

BioMEMS: Noch kommen Diabetes-Patienten nicht ohne Lanzette und Streifentest aus, um ihren Blutzucker zu bestimmen. Künftig sollen das implantierbare Biosensoren übernehmen. Forscher vom Leibniz-Institut für innovative Mikroelektronik (IHP) entwickelten dafür zum Beispiel ein biomikroelektromechanisches System (BioMEMS) aus einer gegen Körperflüssigkeiten resistenten leitfähigen Titannitrid-Keramik.

Glaukom-Diagnose: Ein MEMS-Kontaktlinsen-Sensor misst bei Glaukom-Patienten kontinuierlich den Augeninnendruck über die Krümmung des Augapfels und überträgt die Messwerte drahtlos. Das System »Sensimed Triggerfish« von STMicroelectronics beispielsweise basiert auf einer Kontaktlinse mit einem eingebauten Dehnmessstreifen.

Body Gateway: Medizinische Plattformen mit MEMS-Sensoren und -Aktoren als Schlüsselelemente erfassen neben Bewegungsdaten auch biologische Signale wie ECG, EKG oder Atemrate und übertragen sie per Bluetooth etwa an ein Smartphone, das sie an einen Healthcare-Server übermittelt. Integriert in ein Pflaster auf der Brust des Patienten, können solche Sensor-Plattformen die Verweildauer in Krankenhäusern verringern.

Lab-on-Chip: Kürzere Analysezeiten bei geringerem Probenmaterial- und Chemikalienverbrauch: Lab-on-a-Chip-Systeme werden die Laborarbeit verändern. Das Leibniz-Institut für innovative Mikroelektronik (IHP) entwickelt aktuell im Rahmen des EU-Projekts »Sumcastec« den weltweit ersten Lab-on-Chip, der Krebsstammzellen schneller erkennen und neutralisieren soll. Auf dem Silizium-Germanium-Chip sind Mikrokanäle, Flüssigkeitsspeicher, RF-MEMS-Breitband-Hochfrequenzquellen und Detektoren integriert. Der Blick ins Zellinnere gelingt dabei erst durch die hochfrequenten elektromagnetischen Strahlen ohne Kollateralschaden.

Anmerkung: Der Artikel erschien zuerst auf dem Blog der electronica. Wir durften ihn mit freundlicher Untersützung ebenfalls veröffentlichen. Hier geht’s zum Original