Mikroelektromechanické systémy (MEMS komponenty) a senzory na nich založené

MEMS komponenty (rusky MEMS) — znamená mikroelektromechanické systémy. Hlavním rozlišovacím znakem v nich je, že obsahují pohyblivou 3D strukturu. Pohybuje se vlivem vnějších vlivů. Proto se elektrony nepohybují pouze v součástech MEMS, ale také v jednotlivých částech.

MEMS komponenty jsou jedním z prvků mikroelektroniky a mikromechaniky, často vyráběné na křemíkovém substrátu. Strukturou připomínají jednočipové integrované obvody. Velikost těchto MEMS mechanických částí se obvykle pohybuje od jednotek do stovek mikrometrů a samotný krystal má od 20 μm do 1 mm.

Obrázek 1 je příklad struktury MEMS

Příklady použití:

1. Výroba různých mikroobvodů.

2. Někdy se nahrazují MEMS oscilátory křemenné rezonátory.

3. Výroba senzorů, včetně:

• akcelerometr;

• gyroskop

• snímač úhlové rychlosti;

• magnetometrický snímač;

• barometry;

• environmentální analytici;

• Měřicí převodníky rádiového signálu.

Materiály používané v konstrukcích MEMS

Mezi hlavní materiály, ze kterých jsou komponenty MEMS vyrobeny, patří:

1. Křemík. V současné době je většina elektronických součástek vyrobena z tohoto materiálu. Má řadu výhod, včetně: šíření, pevnosti, prakticky nemění své vlastnosti při deformaci. Fotolitografie následovaná leptáním je primární výrobní metodou pro křemíkové MEMS.

2. Polymery. Vzhledem k tomu, že křemík, ačkoliv je běžný materiál, je poměrně drahý, lze jej v některých případech nahradit polymery. Vyrábějí se průmyslově ve velkých objemech a s různými vlastnostmi. Hlavní výrobní metody pro polymerní MEMS jsou vstřikování, lisování a stereolitografie.

Objemy výroby na příkladu velkého výrobce

Jako příklad poptávky po těchto součástkách si vezměme ST Microelectronics. Vynakládá velké investice do technologie MEMS, její továrny a závody produkují až 3 000 000 prvků denně.

Obrázek 2 – Výrobní zařízení společnosti vyvíjející MEMS komponenty

Výrobní cyklus je rozdělen do 5 hlavních fází:

1. Výroba třísek.

2. Testování.

3. Balení do pouzder.

4. Závěrečné testování.

5. Dodání prodejcům.

Obrázek 3 – výrobní cyklus

Příklady MEMS senzorů různých typů

Pojďme se podívat na některé oblíbené MEMS senzory.

Akcelerometr Jedná se o zařízení, které měří lineární zrychlení. Používá se k určení polohy nebo pohybu objektu. Používá se v mobilní technice, automobilech a dalších.

Obrázek 4 – Tři osy rozpoznané akcelerometrem

Obrázek 5 — Vnitřní struktura MEMS akcelerometru

Obrázek 6 – Vysvětlení struktury akcelerometru

Funkce akcelerometru využívající příklad komponenty LIS3DH:

1,3osý akcelerometr.

2. Pracuje s rozhraními SPI a I2C.

3. Měření na 4 vahách: ± 2, 4, 8 a 16g.

4. Vysoké rozlišení (až 12 bitů).

5. Nízká spotřeba: 2 µA v režimu nízké spotřeby (1Hz), 11 µA v normálním režimu (50Hz) a 5 µA v režimu vypnutí.

6. Flexibilita práce:

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

• Šířka pásma až 2,5 kHz;

• 32-úrovňový FIFO (16-bit);

• 3 ADC vstupy;

• Senzor teploty;

• napájení 1,71 až 3,6 V;

• Funkce autodiagnostiky;

• Pouzdro 3 x 3 x 1 mm. 2.

Gyroskop Je to zařízení, které měří úhlové posunutí. Lze jej použít k měření úhlu natočení kolem osy. Taková zařízení lze použít jako navigační a letový řídicí systém pro letadla: letadla a různé UAV nebo pro určování polohy mobilních zařízení.

Obrázek 7 – Data naměřená gyroskopem

Obrázek 8 – Vnitřní struktura

Zvažte například vlastnosti gyroskopu L3G3250A MEMS:

• 3osý analogový gyroskop;

• Odolnost vůči analogovému hluku a vibracím;

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

• Režimy vypnutí a spánku;

• Funkce autodiagnostiky;

• tovární kalibrace;

• Vysoká citlivost: 2 mV / ° / s při 625 ° / s

• Vestavěný nízkopropustný filtr

• Stabilita při vysoké teplotě (0,08 ° / s / ° C)

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

• Teplotní rozsah -40 až 85 °C

• Napájecí napětí: 2,4 — 3,6V

• Spotřeba: 6,3 mA v normálním režimu, 2 mA v režimu spánku a 5 μA v režimech vypnutí

• Pouzdro 3,5 x 3 x 1 LGA

závěry

Na trhu senzorů MEMS existují kromě příkladů diskutovaných ve zprávě další prvky, včetně:

• Víceosé (např. 9osé) snímače

• Kružítko;

• Senzory pro měření prostředí (tlaku a teploty);

• Digitální mikrofony a další.

Moderní průmyslové vysoce přesné mikroelektromechanické systémy, které se aktivně používají ve vozidlech a přenosných přenosných počítačích.