Mikroelektromehanski sistemi (MEMS komponente) in senzorji na njihovi osnovi

Komponente MEMS (rusko MEMS) — mikroelektromehanski sistemi. Njihova glavna značilnost je, da vsebujejo premično 3D strukturo. Premika se zaradi zunanjih vplivov. Zato se elektroni ne premikajo samo v komponentah MEMS, ampak tudi v sestavnih delih.

Komponente MEMS so eden od elementov mikroelektronike in mikromehanike, pogosto izdelane na silicijevem substratu. Po strukturi spominjajo na integrirana vezja z enim čipom. Običajno so ti mehanski deli MEMS v velikosti od enot do stotin mikrometrov, sam kristal pa je od 20 μm do 1 mm.

Slika 1 je primer strukture MEMS

Primeri uporabe:

1. Proizvodnja različnih mikrovezij.

2. MEMS oscilatorje včasih zamenjamo kvarčni resonatorji.

3. Proizvodnja senzorjev, vključno z:

• merilnik pospeška;

• žiroskop

• senzor kotne hitrosti;

• magnetometrični senzor;

• barometri;

• okoljski analitiki;

• pretvorniki za merjenje radijskih signalov.

Materiali, uporabljeni v strukturah MEMS

Glavni materiali, iz katerih so izdelane komponente MEMS, vključujejo:

1. Silicij. Trenutno je večina elektronskih komponent izdelanih iz tega materiala. Ima številne prednosti, vključno z: širjenjem, trdnostjo, praktično ne spremeni svojih lastnosti med deformacijo. Fotolitografija, ki ji sledi jedkanje, je primarna metoda izdelave silicijevih MEMS.

2. Polimeri. Ker je silicij, čeprav običajen material, razmeroma drag, ga lahko v nekaterih primerih nadomestimo s polimeri. Industrijsko se proizvajajo v velikih količinah in z različnimi lastnostmi. Glavne proizvodne metode za polimerne MEMS so brizganje, žigosanje in stereolitografija.

Obseg proizvodnje na podlagi primera velikega proizvajalca

Za primer povpraševanja po teh komponentah vzemimo ST Microelectronics. Veliko vlaga v tehnologijo MEMS, njegove tovarne in obrati proizvedejo do 3.000.000 elementov na dan.

Slika 2 — Proizvodne zmogljivosti podjetja, ki razvija komponente MEMS

Proizvodni cikel je razdeljen na 5 glavnih glavnih faz:

1. Proizvodnja čipov.

2. Testiranje.

3. Pakiranje v kovčke.

4. Končno testiranje.

5. Dostava trgovcem.

Slika 3 — proizvodni cikel

Primeri senzorjev MEMS različnih tipov

Oglejmo si nekaj priljubljenih senzorjev MEMS.

Merilnik pospeška To je naprava, ki meri linearni pospešek. Uporablja se za določanje lokacije ali gibanja predmeta. Uporablja se v mobilni tehnologiji, avtomobilih in še več.

Slika 4 – Tri osi, ki jih prepozna merilnik pospeška

Slika 5 — Notranja zgradba merilnika pospeška MEMS

Slika 6 – Razložena struktura merilnika pospeška

Funkcije merilnika pospeška z uporabo primera komponente LIS3DH:

1,3-osni merilnik pospeška.

2. Deluje z vmesniki SPI in I2C.

3. Merjenje na 4 lestvicah: ± 2, 4, 8 in 16g.

4. Visoka ločljivost (do 12 bitov).

5. Nizka poraba: 2 µA v načinu nizke porabe (1Hz), 11 µA v običajnem načinu (50Hz) in 5 µA v načinu izklopa.

6. Prilagodljivost dela:

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

• Pasovna širina do 2,5 kHz;

• 32-stopenjski FIFO (16-bitni);

• 3 ADC vhodi;

• Temperaturni senzor;

• 1,71 do 3,6 V napajanje;

• Funkcija samodiagnoze;

• Ohišje 3 x 3 x 1 mm. 2.

Žiroskop Gre za napravo, ki meri kotni pomik. Uporablja se lahko za merjenje kota vrtenja okoli osi. Takšne naprave se lahko uporabljajo kot sistem za navigacijo in nadzor letenja letal: letal in različnih UAV ali za določanje položaja mobilnih naprav.

Slika 7 — Podatki, izmerjeni z žiroskopom

Slika 8 — Notranja struktura

Na primer, upoštevajte značilnosti žiroskopa L3G3250A MEMS:

• 3-osni analogni žiroskop;

• Odpornost na analogni hrup in vibracije;

• 2 merilni lestvici: ± 625 ° / s in ± 2500 ° / s;

• Načini izklopa in mirovanja;

• Funkcija samodiagnoze;

• tovarniška kalibracija;

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

• Vgrajen nizkopasovni filter

• Stabilnost pri visoki temperaturi (0,08 ° / s / ° C)

• Močno udarno stanje: 10000 g v 0,1 ms

• Temperaturno območje -40 do 85 °C

• Napajalna napetost: 2,4 — 3,6 V

• Poraba: 6,3 mA v normalnem načinu, 2 mA v stanju mirovanja in 5 μA v načinih izklopa

• Ohišje 3,5 x 3 x 1 LGA

zaključki

Na trgu senzorjev MEMS so poleg primerov, obravnavanih v poročilu, še drugi elementi, vključno z:

• Večosni (npr. 9-osni) senzorji

• kompasi;

• Senzorji za merjenje okolja (tlak in temperatura);

• Digitalni mikrofoni in drugo.

Sodobni industrijski visoko natančni mikroelektromehanski sistemi, ki se aktivno uporabljajo v vozilih in prenosnih nosljivih računalnikih.