- MEMS eszközök és alkalmazások
- MEMS gyorsulásmérők
- MEMS Nyomásérzékelők
- MEMS mikrofon
- MEMS magnetométer
- MEMS giroszkóp
A MEMS a Mikroelektromechanikus rendszerek rövidítése, és olyan mikrométer méretű eszközökre vonatkozik, amelyek mind elektronikus alkatrészekkel, mind mechanikus mozgó alkatrészekkel rendelkeznek. A MEMS eszközök olyan eszközökként definiálhatók, amelyek:
- Méret mikrométerben (1–100 mikrométer)
- Az áram áramlása a rendszerben (elektromos)
- És van benne mozgó alkatrész (mechanikus)
Az alábbiakban a MEMS eszköz mechanikus részének képe látható mikroszkóp alatt. Lehet, hogy ez nem tűnik csodálatosnak, de tudja-e, hogy a fogaskerék mérete 10 mikrométer, ami fele akkora, mint az emberi hajé. Tehát nagyon érdekes tudni, hogy az ilyen összetett struktúrák miként épülnek be egy mindössze néhány milliméteres chip méretbe.
MEMS eszközök és alkalmazások
Ezt a technológiát először az 1965-es években vezették be, de a tömeggyártás csak 1980-ban kezdődött el. Jelenleg több mint 100 milliárd MEMS eszköz van jelenleg aktív különféle alkalmazásokban, és láthatóak mobiltelefonokban, laptopokban, GPS rendszerekben, Automobile stb.
A MEMS technológiát számos elektronikai alkatrész beépíti, és számuk napról napra növekszik. Az olcsóbb MEMS-eszközök fejlesztésének előrelépésével láthatjuk, hogy a jövőben még sok alkalmazást átvesznek.
Mivel a MEMS-eszközök jobban teljesítenek, mint a normál eszközök, kivéve, ha egy jobban teljesítő technológia jön létre, a MEMS a trónon marad. A MEMS technológiában a legelterjedtebb elemek a mikro érzékelők és a mikro működtetők, amelyeket megfelelően átalakítanak. Ezek az átalakítók átalakítják az energiát egyik formából a másikba. Mikroszenzorok esetében a készülék a mért mechanikai jelet általában elektromos jellé alakítja, a mikroaktor pedig elektromos jelet mechanikai kimeneté.
Az alábbiakban néhány, a MEMS technológián alapuló érzékelőt ismertetünk.
- Gyorsulásmérők
- Nyomásérzékelők
- Mikrofon
- Magnetométer
- Giroszkóp
MEMS gyorsulásmérők
Mielőtt belekezdenénk a tervezésbe, beszéljük meg a MEMS gyorsulásmérő tervezésénél alkalmazott alapelvet, és ehhez vegyük figyelembe az alább látható tömegrugót.
Itt egy tömeget két rugóval felfüggesztünk egy zárt térben, és a berendezést nyugalmi állapotnak tekintjük. Ha a test hirtelen elindul előre, akkor a testben felfüggesztett tömeg visszafelé ható erőt tapasztal, amely elmozdulást okoz a helyzetében. Emiatt az elmozdulás miatt a rugók az alábbiak szerint deformálódnak.
Ezt a jelenséget nekünk is meg kell tapasztalnunk, amikor bármilyen mozgó járműben ülünk, például autóban, buszban, vonaton stb., Így ugyanazt a jelenséget használják a gyorsulásmérők tervezésénél is.
de tömeg helyett vezetőképes lemezeket fogunk használni a rugókhoz rögzített mozgó részként. A teljes beállítás az alábbiak szerint alakul.
Az ábrán figyelembe vesszük a felső mozgó lemez és a rögzített lemez közötti kapacitást:
C1 = e 0 A / d1
ahol d 1 a köztük lévő távolság.
Itt láthatjuk, hogy a C1 kapacitás értéke fordítottan arányos a felül mozgó lemez és a rögzített lemez közötti távolsággal.
Az alsó mozgólemez és a rögzített lemez közötti kapacitás
C2 = e 0 A / d2
ahol d 2 a köztük lévő távolság
Itt láthatjuk, hogy a C2 kapacitás értéke fordítottan arányos az alsó mozgólemez és a rögzített lemez közötti távolsággal.
Amikor a test nyugalmi helyzetben van, a felső és az alsó lemez egyaránt azonos távolságra lesz a rögzített lemeztől, így a C1 kapacitás megegyezik a C2 kapacitással. De ha a test hirtelen előrelép, akkor a lemezek elmozdulnak az alábbiak szerint.
Ekkor a C1 kapacitás növekszik, amikor a felső lemez és a rögzített lemez közötti távolság csökken. Másrészt a C2 csökken, ha az alsó lemez és a rögzített lemez közötti távolság növekszik. Ez a kapacitásnövekedés és -csökkenés lineárisan arányos a főtest gyorsulásával, így nagyobb a gyorsulás nagyobb a változás és alacsonyabb a gyorsulás kisebb a változás.
Ez a változó kapacitás csatlakoztatható egy RC oszcillátorhoz vagy egy másik áramkörhöz a megfelelő áram- vagy feszültségleolvasás érdekében. Miután megkapta a kívánt feszültség- vagy áramértéket, könnyen felhasználhatjuk ezeket az adatokat a további elemzéshez.
Bár ez a beállítás használható a gyorsulás sikeres mérésére , terjedelmes és nem praktikus. De ha MEMS technológiát alkalmazunk, akkor a teljes beállítást néhány mikrométeres méretre csökkenthetjük, így az eszköz jobban alkalmazható.
A fenti ábrán láthatja a MEMS-gyorsulásmérőben használt tényleges beállítást. Itt a több kondenzátorlap vízszintes és függőleges irányban van elrendezve a gyorsulás mindkét irányban történő mérésére. A kondenzátorlemez néhány mikrométerre van méretezve, és a teljes beállítás néhány milliméterig terjed, így ezt a MEMS gyorsulásmérőt könnyen használhatjuk akkumulátorral működtethető hordozható eszközökben, például okostelefonokban.
MEMS Nyomásérzékelők
Mindannyian tudjuk, hogy amikor egy tárgyra nyomást gyakorolunk, az addig feszül, amíg el nem éri a töréspontot. Ez a feszültség egy bizonyos határig egyenesen arányos az alkalmazott nyomással, és ezt a tulajdonságot használják a MEMS nyomásérzékelő tervezéséhez. Az alábbi ábrán láthatja a MEMS nyomásérzékelő szerkezetét.
Itt két vezetőlemezt szerelnek egy üveg testre, és közöttük vákuum lesz. Az egyik vezetőlemez rögzített, a másik lemez rugalmas nyomás alatt történő mozgatáshoz. Most, ha egy kapacitásmérőt vesz és két kimeneti terminál között leolvas, akkor két párhuzamos lemez között meg tudja figyelni a kapacitás értékét, mert az egész beállítás párhuzamos lemezes kondenzátorként működik. Mivel párhuzamos lemezes kondenzátorként működik, a szokásos módon a tipikus kondenzátor összes tulajdonsága rá vonatkozik. Nyugalmi állapotban nevezzük a két lemez közötti kapacitást C1-nek.
deformálódik és közelebb mozog az alsó réteghez az ábra szerint. Mivel a rétegek közel kerülnek egymáshoz, megnő a két réteg közötti kapacitás. Tehát nagyobb távolságokkal csökken a kapacitás, és csökken a nagyobb kapacitás. Ha ezt a kapacitást összekapcsoljuk egy RC rezonátorral, akkor a nyomást képviselő frekvenciajeleket kaphatunk. Ez a jel továbbadható egy mikrovezérlőnek további feldolgozás és adatfeldolgozás céljából.
MEMS mikrofon
A MEMS mikrofon kialakítása hasonló a nyomásérzékelőhöz, és az alábbi ábra mutatja a mikrofon belső felépítését.
Vegyük figyelembe, hogy a beállítás nyugalmi állapotban van, és ilyen körülmények között a rögzített lemez és a membrán közötti kapacitás C1.
Ha zaj van a környezetben, akkor a hang egy bemeneten keresztül jut be az eszközbe. Ez a hang hatására a membrán rezeg, így a membrán és a rögzített lemez közötti távolság folyamatosan változik. Ez viszont azt eredményezi, hogy a C1 kapacitás folyamatosan változik. Ha ezt a változó kapacitást összekapcsoljuk a megfelelő feldolgozó chipdel, megkapjuk a változó kapacitás elektromos kimenetét. Mivel a változó kapacitás elsősorban a zajhoz kapcsolódik, ez az elektromos jel felhasználható a bemenő hang átalakított formájaként.
MEMS magnetométer
A MEMS mágnesmérőt a föld mágneses mezőjének mérésére használják. A készülék Hall Hall vagy Magneto Resistive Effect alapján készül. A legtöbb MEMS mágnesmérő Hall Effect-et használ, ezért megvitatjuk, hogyan használják ezt a módszert a mágneses térerősség mérésére. Ehhez vegyünk egy vezetőlemezt, és az egyik oldal végét csatlakoztassuk az akkumulátorhoz az ábra szerint.
Itt láthatja az elektronok áramlási irányát, amely a negatív és a pozitív terminál között van. Most, ha egy mágnest a vezető tetejéhez közelítünk, akkor a vezető elektronjai és protonjai eloszlanak az alábbi ábrán látható módon.
Itt a pozitív töltést hordozó protonok a sík egyik oldalára, míg a negatív töltést hordozó elektronok éppen az ellenkező oldalára gyűlnek. Ekkor, ha egy voltmérőt veszünk, és mindkét végén csatlakoztatjuk, akkor leolvasást kapunk. Ez a V1 feszültségérték arányos a felülről érkező vezető által tapasztalt térerővel. Az áram és a mágneses tér alkalmazásával történő feszültség-előállítás teljes jelenségét Hall-effektusnak nevezzük.
Ha egy egyszerű rendszert tervezünk a MEMS használatával, a fenti modell alapján, akkor olyan jelátalakítót kapunk, amely érzékeli a térerősséget és lineárisan arányos elektromos kimenetet biztosít.
MEMS giroszkóp
A MEMS giroszkóp nagyon népszerű, és sok alkalmazásban használják. Megtalálhatjuk például a MEMS giroszkópot repülőgépekben, GPS rendszerekben, okostelefonokban stb. A MEMS giroszkópot a Coriolis-effektus alapján tervezték. A MEMS giroszkóp elvének és működésének megértéséhez vizsgáljuk meg annak belső felépítését.
Itt S1, S2, S3 és S4 a külső hurok és a második hurok összekapcsolásához használt rugók. Míg S5, S6, S7 és S8 rugók a második hurok és az „M” tömeg összekapcsolására szolgálnak. Ez a tömeg az y tengely mentén rezonál, amint azt az ábra irányai mutatják. Ez a rezonációs hatás általában a vonzás elektrosztatikus erejének alkalmazásával érhető el a MEMS készülékekben.
Nyugalmi körülmények között a felső réteg vagy az alsó két lemez közötti kapacitás megegyezik, és ugyanaz marad, amíg a lemezek közötti távolság nem változik.
Tegyük fel, hogy ha ezt a beállítást egy forgó lemezre helyezzük, akkor a lemezek helyzetében bizonyos változás következik be az alábbiak szerint.
Ha a beállítást egy forgó lemezre telepítik, az ábrán látható módon, akkor a beállítás belsejében tömegesen rezonáló erő olyan erőt fog tapasztalni, amely elmozdulást okoz a belső beállításban. Láthatja, hogy mind a négy S1 - S4 rugó deformálódik e elmozdulás miatt. Ez a tömeg által rezonáló erő által tapasztalt erő, amikor hirtelen egy forgó lemezre kerül, a Coriolis-effektussal magyarázható.
Ha kihagyjuk az összetett részleteket, akkor arra lehet következtetni, hogy a hirtelen irányváltozás miatt a belső rétegben elmozdulás van jelen. Ez az elmozdulás megváltoztatja a kondenzátorlemezek közötti távolságot az alsó és a felső rétegben egyaránt. Amint azt az előző példákban kifejtettük, a távolságváltozás a kapacitás változását okozza.
És ezzel a paraméterrel megmérhetjük annak a lemeznek a forgási sebességét, amelyre az eszközt helyezzük.
Sok más MEMS eszközt MEMS technológiával terveztek, és számuk is minden nap növekszik. De ezek az eszközök bizonyos hasonlóságot mutatnak a munkában és a tervezésben, így a fent említett néhány példa megértésével könnyen megérthetjük más hasonló MEMS-eszközök működését.