Mikroelektromechanické systémy (MEMS komponenty) a senzory na nich založené

Komponenty MEMS (rusky MEMS) — znamená mikroelektromechanické systémy. Hlavným rozlišovacím znakom v nich je, že obsahujú pohyblivú 3D štruktúru. Pohybuje sa vplyvom vonkajších vplyvov. Preto sa elektróny nepohybujú len v komponentoch MEMS, ale aj v jednotlivých častiach.

MEMS komponenty sú jedným z prvkov mikroelektroniky a mikromechaniky, často vyrábané na silikónovom substráte. Štruktúrou pripomínajú jednočipové integrované obvody. Veľkosť týchto MEMS mechanických častí sa zvyčajne pohybuje od jednotiek do stoviek mikrometrov a samotný kryštál má veľkosť od 20 μm do 1 mm.

Obrázok 1 je príkladom štruktúry MEMS

Príklady použitia:

1. Výroba rôznych mikroobvodov.

2. Niekedy sa nahrádzajú oscilátory MEMS kremenné rezonátory.

3. Výroba snímačov vrátane:

• akcelerometer;

• gyroskop

• snímač uhlovej rýchlosti;

• magnetometrický snímač;

• barometre;

• environmentálni analytici;

• Prevodníky na meranie rádiového signálu.

Materiály používané v štruktúrach MEMS

Medzi hlavné materiály, z ktorých sa vyrábajú komponenty MEMS, patria:

1. Kremík. V súčasnosti je väčšina elektronických komponentov vyrobená z tohto materiálu. Má množstvo výhod, medzi ktoré patrí: šírenie, pevnosť, prakticky nemení svoje vlastnosti počas deformácie. Fotolitografia nasledovaná leptaním je primárnou výrobnou metódou pre kremíkové MEMS.

2. Polyméry. Keďže kremík, aj keď je to bežný materiál, je pomerne drahý, v niektorých prípadoch ho možno nahradiť polymérmi. Priemyselne sa vyrábajú vo veľkých objemoch a s rôznymi vlastnosťami. Hlavnými výrobnými metódami polymérneho MEMS sú vstrekovanie, razenie a stereolitografia.

Objemy výroby na príklade veľkého výrobcu

Ako príklad dopytu po týchto komponentoch si vezmime ST Microelectronics. Robí veľké investície do technológie MEMS, jej továrne a závody vyrábajú až 3 000 000 prvkov denne.

Obrázok 2 – Výrobné zariadenia spoločnosti vyvíjajúcej komponenty MEMS

Výrobný cyklus je rozdelený do 5 hlavných fáz:

1. Výroba čipsov.

2. Testovanie.

3. Balenie do puzdier.

4. Záverečné testovanie.

5. Doručenie predajcom.

Obrázok 3 – výrobný cyklus

Príklady MEMS senzorov rôznych typov

Poďme sa pozrieť na niektoré z populárnych MEMS senzorov.

Akcelerometer Ide o zariadenie, ktoré meria lineárne zrýchlenie. Používa sa na určenie polohy alebo pohybu objektu. Používa sa v mobilnej technike, automobiloch a pod.

Obrázok 4 – Tri osi rozpoznané akcelerometrom

Obrázok 5 – Vnútorná štruktúra MEMS akcelerometra

Obrázok 6 – Vysvetlenie štruktúry akcelerometra

Funkcie akcelerometra s použitím príkladu komponentu LIS3DH:

1,3-osový akcelerometer.

2. Pracuje s rozhraniami SPI a I2C.

3. Meranie na 4 mierkach: ± 2, 4, 8 a 16g.

4. Vysoké rozlíšenie (až 12 bitov).

5. Nízka spotreba: 2 µA v režime nízkej spotreby (1 Hz), 11 µA v normálnom režime (50 Hz) a 5 µA v režime vypnutia.

6. Pracovná flexibilita:

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

• Šírka pásma do 2,5 kHz;

• 32-úrovňový FIFO (16-bit);

• 3 ADC vstupy;

• Teplotný senzor;

• napájanie 1,71 až 3,6 V;

• Funkcia samodiagnostiky;

• Puzdro 3 x 3 x 1 mm. 2.

Gyroskop Je to zariadenie, ktoré meria uhlové posunutie. Môže sa použiť na meranie uhla natočenia okolo osi. Takéto zariadenia možno použiť ako navigačný a letový riadiaci systém pre lietadlá: lietadlá a rôzne UAV alebo na určovanie polohy mobilných zariadení.

Obrázok 7 – Údaje namerané gyroskopom

Obrázok 8 – Vnútorná štruktúra

Zvážte napríklad charakteristiky gyroskopu L3G3250A MEMS:

• 3-osový analógový gyroskop;

• Odolnosť voči analógovému hluku a vibráciám;

• 2 meracie stupnice: ± 625 ° / sa ± 2500 ° / s;

• Režimy vypnutia a spánku;

• Funkcia samodiagnostiky;

• továrenská kalibrácia;

• Vysoká citlivosť: 2 mV / ° / s pri 625 ° / s

• Vstavaný dolnopriepustný filter

• Stabilita pri vysokej teplote (0,08 ° / s / ° C)

• Vysoký nárazový stav: 10 000 g za 0,1 ms

• Teplotný rozsah -40 až 85 °C

• Napájacie napätie: 2,4 — 3,6V

• Spotreba: 6,3 mA v normálnom režime, 2 mA v režime spánku a 5 μA v režime vypnutia

• Puzdro 3,5 x 3 x 1 LGA

závery

Na trhu so senzormi MEMS existujú okrem príkladov uvedených v správe aj ďalšie prvky vrátane:

• Viacosové (napr. 9-osové) snímače

• Kompasy;

• Senzory na meranie prostredia (tlaku a teploty);

• Digitálne mikrofóny a ďalšie.

Moderné priemyselné vysoko presné mikroelektromechanické systémy, ktoré sa aktívne používajú vo vozidlách a prenosných prenosných počítačoch.