Обзор различных устройств mems и их приложений

MEMS расшифровывается как Micro-Electro-Mechanical Systems и относится к устройствам микрометрового размера, которые имеют как электронные компоненты, так и механические движущиеся части. Устройства MEMS можно определить как устройства, которые имеют:

• Размер в микрометрах (от 1 мкм до 100 мкм)
• Протекание тока в системе (электрическое)
• И в нем есть движущиеся части (механические)

Ниже приведено изображение механической части устройства MEMS под микроскопом. Это может выглядеть не удивительно, но знаете ли вы, что размер шестеренки составляет 10 микрометров, что вдвое меньше человеческого волоса. Так что довольно интересно узнать, как такие сложные структуры встроены в чип размером всего несколько миллиметров.

МЭМС-устройства и приложения

Эта технология была впервые представлена ​​в 1965 году, но массовое производство началось только в 1980 году. В настоящее время в различных приложениях задействовано более 100 миллиардов устройств MEMS, и их можно увидеть в мобильных телефонах, ноутбуках, системах GPS, автомобилях и т. Д.

Технология MEMS встроена во многие электронные компоненты, и их количество растет с каждым днем. Благодаря прогрессу в разработке более дешевых устройств MEMS, мы можем видеть, что они возьмут на себя гораздо больше приложений в будущем.

Поскольку устройства МЭМС работают лучше, чем обычные устройства, если не будет задействована более эффективная технология, МЭМС останутся на троне. В технологии MEMS наиболее заметными элементами являются микродатчики и микроприводы, которые соответствующим образом классифицируются как преобразователи. Эти преобразователи преобразуют энергию из одной формы в другую. В случае микродатчиков устройство обычно преобразует измеренный механический сигнал в электрический сигнал, а микроактюатор преобразует электрический сигнал в механический выходной сигнал.

Ниже описаны несколько типичных датчиков, основанных на технологии MEMS.

• Акселерометры
• Датчики давления
• Микрофон
• Магнитометр
• Гироскоп

Акселерометры MEMS

Прежде чем приступить к проектированию, давайте обсудим принцип работы, использованный при разработке акселерометра MEMS, и для этого рассмотрим схему массы-пружины, показанную ниже.

Здесь груз подвешен на двух пружинах в замкнутом пространстве, и установка считается неподвижной. Теперь, если тело внезапно начинает двигаться вперед, тогда масса, подвешенная в теле, испытывает обратную силу, которая вызывает смещение в ее положении. И из-за этого пружины смещения деформируются, как показано ниже.

Мы также должны испытать это явление, сидя в любом движущемся транспортном средстве, таком как автомобиль, автобус, поезд и т. Д., Поэтому то же явление используется при разработке акселерометров.

но вместо массы мы будем использовать токопроводящие пластины в качестве подвижной части, прикрепленной к пружинам. Вся установка будет такой, как показано ниже.

На схеме мы будем рассматривать емкость между верхней подвижной пластиной и неподвижной пластиной:

C1 = e ₀ A / d1

где d ₁ - расстояние между ними.

Здесь мы можем видеть, что значение емкости C1 обратно пропорционально расстоянию между верхней движущейся пластиной и неподвижной пластиной.

Емкость между нижней подвижной пластиной и неподвижной пластиной

C2 = e ₀ A / d2

где d ₂ - расстояние между ними

Здесь мы видим, что значение емкости C2 обратно пропорционально расстоянию между нижней подвижной пластиной и неподвижной пластиной.

Когда корпус находится в состоянии покоя, верхняя и нижняя пластины будут находиться на одинаковом расстоянии от неподвижной пластины, поэтому емкость C1 будет равна емкости C2. Но если тело внезапно двинется вперед, пластины сместятся, как показано ниже.

В это время емкость C1 увеличивается по мере уменьшения расстояния между верхней пластиной и неподвижной пластиной. С другой стороны, емкость C2 уменьшается по мере увеличения расстояния между нижней пластиной и неподвижной пластиной. Это увеличение и уменьшение емкости линейно пропорционально ускорению основного корпуса, поэтому чем выше ускорение, тем выше изменение, а при меньшем ускорении - меньше изменение.

Эта переменная емкость может быть подключена к RC-генератору или другой цепи, чтобы получить соответствующие значения тока или напряжения. После получения желаемого значения напряжения или тока мы можем легко использовать эти данные для дальнейшего анализа.

Хотя эту установку можно успешно использовать для измерения ускорения, она громоздка и непрактична. Но если мы будем использовать технологию MEMS, мы можем уменьшить всю установку до размера нескольких микрометров, что сделает устройство более применимым.

На приведенном выше рисунке вы можете увидеть фактическую настройку, используемую в акселерометре MEMS. Здесь несколько обкладок конденсатора организованы как в горизонтальном, так и в вертикальном направлении для измерения ускорения в обоих направлениях. Пластина конденсатора имеет размер до нескольких микрометров, а вся установка будет размером до нескольких миллиметров, поэтому мы можем легко использовать этот акселерометр MEMS в портативных устройствах с батарейным питанием, таких как смартфоны.

Датчики давления MEMS

Все мы знаем, что когда к объекту прикладывают давление, он будет деформироваться, пока не достигнет предела прочности. Эта деформация прямо пропорциональна приложенному давлению до определенного предела, и это свойство используется для разработки датчика давления MEMS. На приведенном ниже рисунке вы можете увидеть структурную конструкцию датчика давления MEMS.

Здесь на стеклянном корпусе установлены две токопроводящие пластины, и между ними будет вакуум. Одна проводящая пластина закреплена, а другая пластина может двигаться под давлением. Теперь, если вы возьмете измеритель емкости и снимите показания между двумя выходными клеммами, вы сможете наблюдать значение емкости между двумя параллельными пластинами, потому что вся установка действует как конденсатор с параллельными пластинами. Поскольку он действует как конденсатор с параллельными пластинами, то, как обычно, теперь к нему применимы все свойства типичного конденсатора. В остальных условиях назовем емкость между двумя пластинами C1.

он деформируется и приблизится к нижнему слою, как показано на рисунке. Поскольку слои сближаются, емкость между двумя слоями увеличивается. Таким образом, чем выше расстояние, тем ниже емкость, а при меньшем расстоянии - выше емкость. Если мы подключим эту емкость к RC-резонатору, мы сможем получить частотные сигналы, представляющие давление. Этот сигнал может быть передан в микроконтроллер для дальнейшей обработки и обработки данных.

Микрофон MEMS

Конструкция микрофона MEMS аналогична датчику давления, а на рисунке ниже показана внутренняя структура микрофона.

Допустим, установка находится в состоянии покоя, и в этих условиях емкость между неподвижной пластиной и диафрагмой равна C1.

Если в окружающей среде есть шум, звук поступает в устройство через входное отверстие. Этот звук заставляет диафрагму вибрировать, в результате чего расстояние между диафрагмой и неподвижной пластиной постоянно изменяется. Это, в свою очередь, вызывает постоянное изменение емкости C1. Если мы подключим эту изменяющуюся емкость к соответствующей микросхеме обработки, мы сможем получить электрический выход для изменяющейся емкости. Поскольку изменение емкости в первую очередь напрямую связано с шумом, этот электрический сигнал можно использовать как преобразованную форму входного звука.

Магнитометр MEMS

Магнитометр MEMS используется для измерения магнитного поля Земли. Устройство построено на основе эффекта Холла или магниторезистивного эффекта. Большинство магнитометров MEMS используют эффект Холла, поэтому мы обсудим, как этот метод используется для измерения напряженности магнитного поля. Для этого давайте рассмотрим токопроводящую пластину и соединим концы одной стороны с батареей, как показано на рисунке.

Здесь вы можете увидеть направление потока электронов от отрицательного вывода к положительному. Теперь, если поднести магнит к верху проводника, электроны и протоны в проводнике распределятся, как показано на рисунке ниже.

Здесь протоны, несущие положительный заряд, собираются на одной стороне плоскости, а электроны, несущие отрицательный заряд, собираются прямо на противоположной стороне. В этот раз, если мы возьмем вольтметр и подключим оба конца, мы получим показания. Это показание напряжения V1 пропорционально напряженности поля, испытываемой проводником сверху. Полное явление генерации напряжения посредством приложения тока и магнитного поля называется эффектом Холла.

Если простая система спроектирована с использованием МЭМС на основе вышеупомянутой модели, то мы получим преобразователь, который определяет напряженность поля и обеспечивает линейно пропорциональный электрический выходной сигнал.

МЭМС-гироскоп

Гироскоп MEMS очень популярен и используется во многих приложениях. Например, мы можем найти гироскоп MEMS в самолетах, системах GPS, смартфонах и т. Д. Гироскоп MEMS разработан на основе эффекта Кориолиса. Чтобы понять принцип и работу гироскопа MEMS, давайте посмотрим на его внутреннюю структуру.

Здесь S1, S2, S3 и S4 - пружины, используемые для соединения внешней петли и второй петли. В то время как S5, S6, S7 и S8 - это пружины, используемые для соединения второй петли и массы «M». Эта масса будет резонировать вдоль оси y, как показано направлениями на рисунке. Кроме того, этот резонансный эффект обычно достигается за счет использования электростатической силы притяжения в устройствах MEMS.

В условиях покоя емкость между любыми двумя пластинами на верхнем или нижнем слое будет одинаковой, и останется неизменной до тех пор, пока не изменится расстояние между этими пластинами.

Предположим, если мы установим эту установку на вращающийся диск, то положение пластин изменится, как показано ниже.

Когда установка устанавливается на вращающийся диск, как показано, тогда масса, резонирующая внутри установки, испытывает силу, вызывающую смещение во внутренней установке. Вы можете видеть, что все четыре пружины от S1 до S4 деформируются из-за этого смещения. Эту силу, испытываемую резонирующей массой, когда она внезапно помещается на вращающийся диск, можно объяснить эффектом Кориолиса.

Если пропустить сложные детали, то можно сделать вывод, что из-за резкого изменения направления во внутреннем слое присутствует смещение. Это смещение также вызывает изменение расстояния между пластинами конденсатора как на нижнем, так и на верхнем слоях. Как объяснялось в предыдущих примерах, изменение расстояния вызывает изменение емкости.

И мы можем использовать этот параметр для измерения скорости вращения диска, на котором размещено устройство.

Многие другие устройства MEMS разработаны с использованием технологии MEMS, и их количество также увеличивается с каждым днем. Но все эти устройства имеют определенное сходство в работе и дизайне, поэтому, поняв несколько примеров, упомянутых выше, мы можем легко понять работу других подобных устройств MEMS.