Mikroelektromehanički sustavi (MEMS komponente) i senzori temeljeni na njima

MEMS komponente (rus. MEMS) — označava mikroelektromehaničke sustave. Njihova glavna karakteristika je da sadrže pokretnu 3D strukturu. Pomiče se zbog vanjskih utjecaja. Stoga se elektroni ne kreću samo u komponentama MEMS-a, već iu sastavnim dijelovima.

MEMS komponente su jedan od elemenata mikroelektronike i mikromehanike, često izrađene na silicijskoj podlozi. Po strukturi nalikuju integriranim krugovima s jednim čipom. Tipično, ti MEMS mehanički dijelovi imaju raspon veličine od jedinica do stotina mikrometara, a sam kristal je od 20 μm do 1 mm.

Slika 1 je primjer MEMS strukture

Primjeri upotrebe:

1. Proizvodnja raznih mikro krugova.

2. MEMS oscilatori se ponekad zamjenjuju kvarcni rezonatori.

3. Proizvodnja senzora, uključujući:

• brzinomjer;

• žiroskop

• senzor kutne brzine;

• magnetometrijski senzor;

• barometri;

• analitičari okoliša;

• pretvarači za mjerenje radio signala.

Materijali korišteni u MEMS strukturama

Glavni materijali od kojih su izrađene MEMS komponente uključuju:

1. Silicij. Trenutno je većina elektroničkih komponenti izrađena od ovog materijala. Ima niz prednosti, uključujući: širenje, čvrstoću, praktički ne mijenja svojstva tijekom deformacije. Fotolitografija nakon koje slijedi jetkanje je primarna metoda izrade silicijevih MEMS-a.

2. Polimeri. Budući da je silicij, iako uobičajeni materijal, relativno skup, u nekim slučajevima polimeri se mogu koristiti kao zamjena. Industrijski se proizvode u velikim količinama i s različitim karakteristikama. Glavne metode proizvodnje polimernih MEMS-a su injekcijsko prešanje, utiskivanje i stereolitografija.

Obim proizvodnje na temelju primjera velikog proizvođača

Kao primjer potražnje za ovim komponentama, uzmimo ST Microelectronics. Mnogo ulaže u MEMS tehnologiju, njegove tvornice i pogoni proizvode do 3.000.000 elemenata dnevno.

Slika 2 — Proizvodni pogoni tvrtke koja razvija MEMS komponente

Proizvodni ciklus je podijeljen u 5 glavnih faza:

1. Proizvodnja čipsa.

2. Ispitivanje.

3. Pakiranje u kutije.

4. Završno testiranje.

5. Dostava trgovcima.

Slika 3 — proizvodni ciklus

Primjeri MEMS senzora različitih tipova

Pogledajmo neke od popularnih MEMS senzora.

Brzinomjer Ovo je uređaj koji mjeri linearno ubrzanje. Koristi se za određivanje položaja ili kretanja objekta. Koristi se u mobilnoj tehnologiji, automobilima i još mnogo toga.

Slika 4 — Tri osi koje prepoznaje akcelerometar

Slika 5 — Unutarnja struktura MEMS akcelerometra

Slika 6 — Objašnjenje strukture akcelerometra

Značajke akcelerometra koristeći primjer komponente LIS3DH:

1.3-osni akcelerometar.

2. Radi sa SPI i I2C sučeljima.

3. Mjerenje na 4 skale: ± 2, 4, 8 i 16g.

4. Visoka razlučivost (do 12 bita).

5. Niska potrošnja: 2 µA u načinu rada male snage (1Hz), 11 µA u normalnom načinu rada (50Hz) i 5 µA u načinu rada isključivanja.

6. Fleksibilnost rada:

• 8 ODR: 1/10/25/50/100/400/1600/5000 Hz;

• Širina pojasa do 2,5 kHz;

• 32-razinski FIFO (16-bitni);

• 3 ADC ulaza;

• Senzor temperature;

• 1,71 do 3,6 V napajanje;

• Funkcija samodijagnostike;

• Kućište 3 x 3 x 1 mm. 2.

Žiroskop To je uređaj koji mjeri kutni pomak. Može se koristiti za mjerenje kuta rotacije oko osi. Takvi uređaji mogu se koristiti kao sustav za navigaciju i kontrolu letenja zrakoplova: zrakoplova i raznih UAV-ova ili za određivanje položaja mobilnih uređaja.

Slika 7 — Podaci izmjereni žiroskopom

Slika 8 — Unutarnja struktura

Na primjer, razmotrite karakteristike L3G3250A MEMS žiroskopa:

• 3-osni analogni žiroskop;

• Otpornost na analognu buku i vibracije;

• 2 mjerne skale: ± 625 ° / s i ± 2500 ° / s;

• Načini isključivanja i mirovanja;

• Funkcija samodijagnostike;

• tvornička kalibracija;

• Visoka osjetljivost: 2 mV/°/s pri 625°/s

• Ugrađeni niskopropusni filter

• Stabilnost na visokoj temperaturi (0,08 ° / s / ° C)

• Visoko stanje udarca: 10000 g u 0,1 ms

• Raspon temperature -40 do 85 °C

• Napon napajanja: 2,4 — 3,6V

• Potrošnja: 6,3 mA u normalnom načinu rada, 2 mA u stanju mirovanja i 5 μA u načinima isključivanja

• Kućište 3,5 x 3 x 1 LGA

zaključke

Na tržištu MEMS senzora, osim primjera o kojima se govori u izvješću, postoje i drugi elementi uključujući:

• Višeosni (npr. 9-osni) senzori

• kompasi;

• Senzori za mjerenje okoline (tlak i temperatura);

• Digitalni mikrofoni i više.

Suvremeni industrijski mikroelektromehanički sustavi visoke preciznosti koji se aktivno koriste u vozilima i prijenosnim nosivim računalima.