Układy mikroelektromechaniczne (elementy MEMS) i oparte na nich czujniki

Komponenty MEMS (ros. MEMS) — czyli układy mikroelektromechaniczne. Głównym wyróżnikiem w nich jest to, że zawierają ruchomą strukturę 3D. Porusza się pod wpływem wpływów zewnętrznych. Dlatego nie tylko elektrony poruszają się w elementach MEMS, ale także w częściach składowych.

Podzespoły MEMS to jeden z elementów mikroelektroniki i mikromechaniki, często wytwarzany na podłożu krzemowym. W strukturze przypominają jednoukładowe układy scalone. Zazwyczaj te części mechaniczne MEMS mają rozmiary od jednostek do setek mikrometrów, a sam kryształ ma od 20 μm do 1 mm.

Rysunek 1 jest przykładem struktury MEMS

Przykłady użycia:

1. Produkcja różnych mikroukładów.

2. Oscylatory MEMS są czasami wymieniane rezonatory kwarcowe.

3. Produkcja czujników, w tym:

• akcelerometr;

• żyroskop

• czujnik prędkości kątowej;

• czujnik magnetometryczny;

• barometry;

• analitycy środowiskowi;

• przetworniki pomiarowe sygnału radiowego.

Materiały stosowane w konstrukcjach MEMS

Główne materiały, z których wykonane są komponenty MEMS to:

1. Krzem. Obecnie większość elementów elektronicznych jest wykonana z tego materiału. Posiada szereg zalet, m.in.: rozpiętość, wytrzymałość, praktycznie nie zmienia swoich właściwości podczas odkształcania. Fotolitografia, po której następuje trawienie, jest podstawową metodą wytwarzania krzemowych MEMS.

2. Polimery. Ponieważ krzem, chociaż jest powszechnym materiałem, jest stosunkowo drogi, w niektórych przypadkach można go zastąpić polimerami. Są produkowane przemysłowo w dużych ilościach i o różnych właściwościach. Główne metody wytwarzania polimerowych MEMS to formowanie wtryskowe, tłoczenie i stereolitografia.

Wielkość produkcji na przykładzie dużego producenta

Jako przykład zapotrzebowania na te komponenty weźmy firmę ST Microelectronics. Dokonuje dużych inwestycji w technologię MEMS, jej fabryki i zakłady produkują do 3 000 000 elementów dziennie.

Rysunek 2 — Zakłady produkcyjne firmy opracowującej komponenty MEMS

Cykl produkcyjny dzieli się na 5 głównych głównych etapów:

1. Produkcja chipsów.

2. Testowanie.

3. Pakowanie w skrzynie.

4. Testy końcowe.

5. Dostawa do dealerów.

Rysunek 3 — cykl produkcyjny

Przykłady czujników MEMS różnych typów

Rzućmy okiem na niektóre popularne czujniki MEMS.

Akcelerometr Jest to urządzenie, które mierzy przyspieszenie liniowe. Służy do określenia położenia lub ruchu obiektu. Jest używany w technologii mobilnej, samochodach i nie tylko.

Rysunek 4 — Trzy osie rozpoznawane przez akcelerometr

Rysunek 5 — Struktura wewnętrzna akcelerometru MEMS

Rysunek 6 — Wyjaśnienie struktury akcelerometru

Funkcje akcelerometru na przykładzie komponentu LIS3DH:

1,3-osiowy akcelerometr.

2. Współpracuje z interfejsami SPI i I2C.

3. Pomiar na 4 skalach: ± 2, 4, 8 i 16g.

4. Wysoka rozdzielczość (do 12 bitów).

5. Niskie zużycie: 2 µA w trybie niskiego poboru mocy (1 Hz), 11 µA w trybie normalnym (50 Hz) i 5 µA w trybie wyłączenia.

6. Elastyczność pracy:

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

• Szerokość pasma do 2,5 kHz;

• 32-poziomowe FIFO (16-bitowe);

• 3 wejścia ADC;

• Czujnik temperatury;

• Zasilanie od 1,71 do 3,6 V;

• Funkcja autodiagnostyki;

• Koperta 3 x 3 x 1 mm. 2.

Żyroskop Jest to urządzenie mierzące przemieszczenie kątowe. Może być używany do pomiaru kąta obrotu wokół osi. Urządzenia takie mogą być wykorzystywane jako system nawigacji i sterowania lotem statków powietrznych: samolotów i różnych UAV lub do określania pozycji urządzeń mobilnych.

Rysunek 7 — Dane zmierzone za pomocą żyroskopu

Rysunek 8 — Struktura wewnętrzna

Rozważmy na przykład charakterystykę żyroskopu L3G3250A MEMS:

• 3-osiowy żyroskop analogowy;

• Odporność na analogowe szumy i wibracje;

• 2 skale pomiarowe: ± 625°/s oraz ± 2500°/s;

• Tryby wyłączenia i uśpienia;

• Funkcja autodiagnostyki;

• kalibracja fabryczna;

• Wysoka czułość: 2 mV/°/s przy 625°/s

• Wbudowany filtr dolnoprzepustowy

• Stabilność w wysokiej temperaturze (0,08°/s/°C)

• Stan wysokiego uderzenia: 10000 g w 0,1 ms

• Zakres temperatur -40 do 85°C

• Napięcie zasilania: 2,4 — 3,6 V

• Zużycie: 6,3 mA w trybie normalnym, 2 mA w trybie uśpienia i 5 μA w trybie wyłączenia

• Obudowa 3,5 x 3 x 1 LGA

wnioski

Na rynku czujników MEMS, oprócz przykładów omówionych w raporcie, występują inne elementy, w tym:

• Czujniki wieloosiowe (np. 9-osiowe).

• kompasy;

• Czujniki do pomiaru środowiska (ciśnienia i temperatury);

• Mikrofony cyfrowe i nie tylko.

Nowoczesne przemysłowe systemy mikroelektromechaniczne o wysokiej precyzji, które są aktywnie wykorzystywane w pojazdach i przenośnych komputerach do noszenia.