Μια επισκόπηση διαφόρων συσκευών mems και των εφαρμογών τους

Το MEMS σημαίνει Micro-Electro-Mechanical Systems και αναφέρεται σε συσκευές μεγέθους μικρομέτρου που διαθέτουν ηλεκτρονικά εξαρτήματα και μηχανικά κινούμενα μέρη. Οι συσκευές MEMS μπορούν να οριστούν ως οι συσκευές που έχουν:

• Μέγεθος σε μικρόμετρο (1 μικρόμετρο έως 100 μικρόμετρο)
• Η ροή ρεύματος στο σύστημα (Ηλεκτρικό)
• Και έχει κινούμενα μέρη μέσα του (Μηχανικά)

Παρακάτω είναι η εικόνα του Μηχανικού μέρους μιας συσκευής MEMS κάτω από ένα μικροσκόπιο. Αυτό μπορεί να μην φαίνεται εκπληκτικό, αλλά γνωρίζετε ότι το μέγεθος του γραναζιού είναι 10micometer, το οποίο είναι το μισό από το μέγεθος των ανθρώπινων μαλλιών. Αυτό είναι αρκετά ενδιαφέρον να γνωρίζουμε πώς τέτοιες πολύπλοκες κατασκευές ενσωματώνονται σε μέγεθος τσιπ μόνο λίγα χιλιοστά.

Συσκευές και εφαρμογές MEMS

Αυτή η τεχνολογία παρουσιάστηκε για πρώτη φορά στη δεκαετία του 1965, αλλά η μαζική παραγωγή δεν ξεκίνησε μέχρι το 1980. Προς το παρόν, υπάρχουν περισσότερες από 100 δισεκατομμύρια συσκευές MEMS που είναι ενεργές σε διάφορες εφαρμογές και μπορούν να προβληθούν σε κινητά τηλέφωνα, φορητούς υπολογιστές, συστήματα GPS, αυτοκίνητα κ.λπ.

Η τεχνολογία MEMS ενσωματώνεται σε πολλά ηλεκτρονικά εξαρτήματα και ο αριθμός τους αυξάνεται καθημερινά. Με την πρόοδο στην ανάπτυξη φθηνότερων συσκευών MEMS, μπορούμε να δούμε να αναλαμβάνουν πολλές περισσότερες εφαρμογές στο μέλλον.

Καθώς οι συσκευές MEMS αποδίδουν καλύτερα από τις κανονικές συσκευές, εκτός εάν η τεχνολογία με την καλύτερη απόδοση μπαίνει στο παιχνίδι, το MEMS θα παραμείνει στο θρόνο. Στην τεχνολογία MEMS τα πιο αξιοσημείωτα στοιχεία είναι μικροαισθητήρες και μικρο ενεργοποιητές που κατηγοριοποιούνται κατάλληλα ως μορφοτροπείς. Αυτοί οι μετατροπείς μετατρέπουν την ενέργεια από τη μία μορφή στην άλλη. Στην περίπτωση μικροαισθητήρων, η συσκευή συνήθως μετατρέπει ένα μετρημένο μηχανικό σήμα σε ένα ηλεκτρικό σήμα και ένας μικρο-ενεργοποιητής μετατρέπει ένα ηλεκτρικό σήμα σε μηχανική έξοδο.

Μερικοί τυπικοί αισθητήρες βασισμένοι στην τεχνολογία MEMS εξηγούνται παρακάτω.

• Επιταχυνσιόμετρα
• Αισθητήρες πίεσης
• Μικρόφωνο
• Μαγνητόμετρο
• Γυροσκόπιο

Επιταχυνσιόμετρα MEMS

Πριν πάμε στο σχεδιασμό ας συζητήσουμε την αρχή λειτουργίας που χρησιμοποιείται στο σχεδιασμό επιταχυνσιόμετρου MEMS και γι 'αυτό εξετάστε μια διάταξη μάζας-ελατηρίου που φαίνεται παρακάτω.

Εδώ αναστέλλεται μια μάζα με δύο ελατήρια σε κλειστό χώρο και η ρύθμιση θεωρείται ότι βρίσκεται σε ηρεμία. Τώρα, εάν το σώμα ξαφνικά αρχίσει να κινείται προς τα εμπρός, τότε η μάζα που αιωρείται στο σώμα βιώνει μια αντίστροφη δύναμη που προκαλεί μετατόπιση στη θέση του. Και εξαιτίας αυτού, τα ελατήρια μετατόπισης παραμορφώνονται όπως φαίνεται παρακάτω.

Αυτό το φαινόμενο πρέπει επίσης να το βιώσουμε όταν καθόμαστε σε οποιοδήποτε κινούμενο όχημα όπως αυτοκίνητο, λεωφορείο και τρένο κλπ. Έτσι το ίδιο φαινόμενο χρησιμοποιείται για το σχεδιασμό των επιταχυνσιόμετρων.

αλλά αντί για μάζα, θα χρησιμοποιούμε αγώγιμες πλάκες ως κινούμενο μέρος που συνδέεται με τα ελατήρια. Η όλη ρύθμιση θα είναι όπως φαίνεται παρακάτω.

Στο διάγραμμα, θα εξετάσουμε την χωρητικότητα μεταξύ της άνω κινούμενης πλάκας και μιας σταθερής πλάκας:

C1 = e ₀ A / d1

όπου d ₁ είναι η απόσταση μεταξύ τους.

Εδώ μπορούμε να δούμε ότι η τιμή χωρητικότητας C1 είναι αντιστρόφως ανάλογη με την απόσταση μεταξύ της κορυφής που κινεί την πλάκα και της σταθερής πλάκας.

Η χωρητικότητα μεταξύ της κάτω κινούμενης πλάκας και της σταθερής πλάκας

C2 = e ₀ A / d2

όπου d ₂ είναι η απόσταση μεταξύ τους

Εδώ μπορούμε να δούμε ότι η τιμή χωρητικότητας C2 είναι αντιστρόφως ανάλογη με την απόσταση μεταξύ της κάτω κινούμενης πλάκας και της σταθερής πλάκας.

Όταν το σώμα είναι σε ηρεμία, τόσο η άνω όσο και η κάτω πλάκα θα βρίσκονται σε ίση απόσταση από την σταθερή πλάκα, έτσι η χωρητικότητα C1 θα είναι ίση με την χωρητικότητα C2. Αλλά αν το σώμα ξαφνικά κινείται προς τα εμπρός τότε οι πλάκες μετατοπίζονται όπως φαίνεται παρακάτω.

Αυτή τη στιγμή η χωρητικότητα C1 αυξάνεται καθώς μειώνεται η απόσταση μεταξύ της άνω πλάκας και της σταθερής πλάκας. Από την άλλη πλευρά, η χωρητικότητα, το C2 μειώνεται καθώς αυξάνεται η απόσταση μεταξύ της κάτω πλάκας και της σταθερής πλάκας. Αυτή η αύξηση και μείωση της χωρητικότητας είναι γραμμικά ανάλογη με την επιτάχυνση στο κύριο σώμα, τόσο υψηλότερη είναι η επιτάχυνση όσο μεγαλύτερη είναι η αλλαγή και χαμηλότερη η επιτάχυνση τόσο μικρότερη είναι η αλλαγή.

Αυτή η μεταβλητή χωρητικότητα μπορεί να συνδεθεί με έναν ταλαντωτή RC ή άλλο κύκλωμα για να πάρει την κατάλληλη ένταση ρεύματος ή τάσης. Αφού λάβουμε την επιθυμητή τάση ή τρέχουσα τιμή, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε αυτά τα δεδομένα για περαιτέρω ανάλυση εύκολα.

Αν και αυτή η ρύθμιση μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την επιτυχή μέτρηση της επιτάχυνσης, είναι ογκώδης και όχι πρακτική. Αλλά αν χρησιμοποιούμε τεχνολογία MEMS μπορούμε να συρρικνώσουμε ολόκληρη τη ρύθμιση σε μέγεθος λίγων μικρομέτρων κάνοντας τη συσκευή πιο εφαρμόσιμη.

Στο παραπάνω σχήμα, μπορείτε να δείτε την πραγματική ρύθμιση που χρησιμοποιείται σε ένα επιταχυνσιόμετρο MEMS. Εδώ οι πλάκες πολλαπλών πυκνωτών είναι οργανωμένες τόσο σε οριζόντια όσο και σε κάθετη κατεύθυνση για τη μέτρηση της επιτάχυνσης και στις δύο κατευθύνσεις. Η πλάκα πυκνωτή έχει μέγεθος έως μερικά μικρόμετρα και ολόκληρη η ρύθμιση θα έχει μέγεθος έως και μερικά χιλιοστά, οπότε μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε αυτό το επιταχυνσιόμετρο MEMS σε φορητές συσκευές που λειτουργούν με μπαταρία, όπως smartphone.

Αισθητήρες πίεσης MEMS

Όλοι γνωρίζουμε ότι όταν ασκείται πίεση σε ένα αντικείμενο, θα τεντωθεί έως ότου φτάσει σε σημείο θραύσης. Αυτό το στέλεχος είναι άμεσα ανάλογο με την εφαρμοζόμενη πίεση μέχρι ένα ορισμένο όριο και αυτή η ιδιότητα χρησιμοποιείται για το σχεδιασμό ενός αισθητήρα πίεσης MEMS. Στην παρακάτω εικόνα μπορείτε να δείτε τη δομική σχεδίαση ενός αισθητήρα πίεσης MEMS.

Εδώ δύο αγωγοί τοποθετούνται πάνω σε γυάλινο σώμα και θα υπάρχει κενό μεταξύ τους. Η μία πλάκα αγωγού είναι σταθερή και η άλλη πλάκα είναι εύκαμπτη ώστε να κινείται υπό πίεση. Τώρα, αν πάρετε έναν μετρητή χωρητικότητας και κάνετε μια ανάγνωση μεταξύ δύο ακροδεκτών εξόδου, τότε μπορείτε να παρατηρήσετε μια τιμή χωρητικότητας μεταξύ δύο παράλληλων πλακών, αυτό συμβαίνει επειδή ολόκληρη η ρύθμιση λειτουργεί ως παράλληλος πυκνωτής πλάκας. Επειδή λειτουργεί ως πυκνωτής παράλληλης πλάκας, τότε, ως συνήθως, ισχύουν τώρα όλες οι ιδιότητες ενός τυπικού πυκνωτή. Υπό την κατάσταση ηρεμίας ας ονομάσουμε την χωρητικότητα μεταξύ δύο πλακών να είναι C1.

θα παραμορφωθεί και θα κινηθεί πιο κοντά στο κάτω στρώμα, όπως φαίνεται στο σχήμα. Επειδή τα στρώματα πλησιάζουν, αυξάνεται η χωρητικότητα μεταξύ δύο στρωμάτων. Όσο υψηλότερες είναι οι αποστάσεις χαμηλότερη η χωρητικότητα και χαμηλότερη η απόσταση υψηλότερη η χωρητικότητα. Εάν συνδέσουμε αυτήν την χωρητικότητα σε έναν συντονιστή RC, μπορούμε να λάβουμε σήματα συχνότητας που αντιπροσωπεύουν την πίεση. Αυτό το σήμα μπορεί να δοθεί σε έναν μικροελεγκτή για περαιτέρω επεξεργασία και επεξεργασία δεδομένων.

Μικρόφωνο MEMS

Ο σχεδιασμός του μικροφώνου MEMS είναι παρόμοιος με τον αισθητήρα πίεσης και το παρακάτω σχήμα δείχνει την εσωτερική δομή του μικροφώνου.

Ας θεωρήσουμε ότι η ρύθμιση είναι σε ηρεμία και υπό αυτές τις συνθήκες η χωρητικότητα μεταξύ σταθερής πλάκας και διαφράγματος είναι C1.

Εάν υπάρχει θόρυβος στο περιβάλλον, τότε ο ήχος εισέρχεται στη συσκευή μέσω μιας εισόδου. Αυτός ο ήχος κάνει το διάφραγμα να δονείται κάνοντας την απόσταση μεταξύ του διαφράγματος και της σταθερής πλάκας να αλλάζει συνεχώς. Αυτό, με τη σειρά του, αναγκάζει τη χωρητικότητα C1 να αλλάζει συνεχώς. Εάν συνδέσουμε αυτήν την μεταβαλλόμενη χωρητικότητα στο αντίστοιχο τσιπ επεξεργασίας, μπορούμε να πάρουμε την ηλεκτρική έξοδο για την μεταβαλλόμενη χωρητικότητα. Επειδή η μεταβαλλόμενη χωρητικότητα σχετίζεται άμεσα με τον θόρυβο, αυτό το ηλεκτρικό σήμα μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως μια μετατροπή μορφή του ήχου εισόδου.

Μαγνητόμετρο MEMS

Το μαγνητόμετρο MEMS χρησιμοποιείται για τη μέτρηση του μαγνητικού πεδίου της γης. Η συσκευή κατασκευάζεται με βάση το Hall Effect ή το Magneto Resistive Effect. Τα περισσότερα μαγνητόμετρα MEMS χρησιμοποιούν Hall Effect, οπότε θα συζητήσουμε πώς χρησιμοποιείται αυτή η μέθοδος για τη μέτρηση της έντασης του μαγνητικού πεδίου. Γι 'αυτό ας εξετάσουμε μια αγώγιμη πλάκα και να συνδέσουμε τα άκρα της μιας πλευράς με μια μπαταρία, όπως φαίνεται στο σχήμα.

Εδώ μπορείτε να δείτε την κατεύθυνση ροής των ηλεκτρονίων, η οποία είναι από τον αρνητικό ακροδέκτη στον θετικό ακροδέκτη. Τώρα, εάν ένας μαγνήτης φθάσει κοντά στην κορυφή του αγωγού, τότε τα ηλεκτρόνια και τα πρωτόνια στον αγωγό κατανέμονται όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα.

Εδώ τα πρωτόνια που φέρουν θετικό φορτίο συγκεντρώνονται στη μία πλευρά του επιπέδου ενώ τα ηλεκτρόνια που φέρουν αρνητικό φορτίο συγκεντρώνονται στην ακριβώς αντίθετη πλευρά. Αυτή τη στιγμή, αν πάρουμε ένα βολτόμετρο και συνδεθούμε και στα δύο άκρα, θα έχουμε μια ανάγνωση. Αυτή η ένδειξη τάσης V1 είναι ανάλογη με την ισχύ πεδίου που βιώνει ο αγωγός στην κορυφή. Το πλήρες φαινόμενο της παραγωγής τάσης με την εφαρμογή ρεύματος και μαγνητικού πεδίου ονομάζεται Hall Effect.

Εάν ένα απλό σύστημα έχει σχεδιαστεί με χρήση MEMS, με βάση το παραπάνω μοντέλο, θα λάβουμε έναν μορφοτροπέα που ανιχνεύει την ισχύ του πεδίου και παρέχει γραμμική αναλογική ηλεκτρική έξοδο.

Γυροσκόπιο MEMS

Το γυροσκόπιο MEMS είναι πολύ δημοφιλές και χρησιμοποιείται σε πολλές εφαρμογές. Για παράδειγμα, μπορούμε να βρούμε το γυροσκόπιο MEMS σε αεροπλάνα, συστήματα GPS, smartphone κ.λπ. Το γυροσκόπιο MEMS έχει σχεδιαστεί με βάση το Coriolis Effect. Για την κατανόηση της αρχής και της λειτουργίας του γυροσκοπίου MEMS, ας εξετάσουμε την εσωτερική δομή του.

Εδώ τα S1, S2, S3 & S4 είναι τα ελατήρια που χρησιμοποιούνται για τη σύνδεση του εξωτερικού βρόχου και του δεύτερου βρόχου. Ενώ τα S5, S6, S7 & S8 είναι ελατήρια που χρησιμοποιούνται για τη σύνδεση του δεύτερου βρόχου και της μάζας «M». Αυτή η μάζα θα αντηχεί κατά μήκος του άξονα y όπως φαίνεται από τις κατευθύνσεις στο σχήμα. Επίσης, αυτό το αποτέλεσμα συντονισμού επιτυγχάνεται συνήθως χρησιμοποιώντας την ηλεκτροστατική δύναμη έλξης σε συσκευές MEMS.

Υπό συνθήκες ηρεμίας, η χωρητικότητα μεταξύ οποιωνδήποτε δύο πλακών στο άνω στρώμα ή στο κάτω μέρος θα είναι η ίδια και θα παραμείνει η ίδια μέχρι να υπάρξει αλλαγή απόστασης μεταξύ αυτών των πλακών.

Ας υποθέσουμε ότι αν τοποθετήσουμε αυτό το σε έναν περιστρεφόμενο δίσκο τότε θα υπάρξει κάποια αλλαγή στη θέση των πλακών όπως φαίνεται παρακάτω.

Όταν η εγκατάσταση είναι εγκατεστημένη σε περιστρεφόμενο δίσκο όπως φαίνεται, τότε η μαζική αντήχηση στο εσωτερικό της εγκατάστασης θα αντιμετωπίσει μια δύναμη που προκαλεί τη μετατόπιση στην εσωτερική εγκατάσταση. Μπορείτε να δείτε και τα τέσσερα ελατήρια S1 έως S4 να παραμορφώνονται λόγω αυτής της μετατόπισης. Αυτή η δύναμη που βιώνει η μάζα αντήχησης όταν τοποθετείται ξαφνικά σε περιστρεφόμενο δίσκο μπορεί να εξηγηθεί από το Coriolis Effect.

Εάν παραλείψουμε τις περίπλοκες λεπτομέρειες, τότε μπορεί να συναχθεί το συμπέρασμα ότι λόγω της ξαφνικής αλλαγής κατεύθυνσης υπάρχει μετατόπιση στο εσωτερικό στρώμα. Αυτή η μετατόπιση προκαλεί επίσης την αλλαγή της απόστασης μεταξύ των πλακών πυκνωτή τόσο στο κάτω όσο και στο πάνω στρώμα. Όπως εξηγήθηκε στα προηγούμενα παραδείγματα, η αλλαγή απόστασης προκαλεί την αλλαγή της χωρητικότητας.

Και μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε αυτήν την παράμετρο για να μετρήσουμε την ταχύτητα περιστροφής του δίσκου στον οποίο τοποθετείται η συσκευή.

Πολλές άλλες συσκευές MEMS έχουν σχεδιαστεί χρησιμοποιώντας τεχνολογία MEMS και ο αριθμός τους αυξάνεται επίσης κάθε μέρα. Ωστόσο, όλες αυτές οι συσκευές έχουν κάποια ομοιότητα στην εργασία και στο σχεδιασμό, οπότε κατανοώντας τα λίγα παραδείγματα που αναφέρθηκαν παραπάνω, μπορούμε εύκολα να κατανοήσουμε τη λειτουργία άλλων παρόμοιων συσκευών MEMS.