Omówienie różnych urządzeń memów i ich aplikacji

MEMS to skrót od Micro-Electro-Mechanical Systems i odnosi się do urządzeń wielkości mikrometrów, które mają zarówno elementy elektroniczne, jak i mechaniczne części ruchome. Urządzenia MEMS można zdefiniować jako urządzenia, które posiadają:

• Rozmiar w mikrometrach (od 1 mikrometra do 100 mikrometrów)
• Przepływ prądu w systemie (elektryczny)
• I ma w sobie ruchome części (mechaniczne)

Poniżej znajduje się obraz części mechanicznej urządzenia MEMS pod mikroskopem. Może nie wygląda to niesamowicie, ale czy wiesz, że rozmiar przekładni to 10 mikometrów, czyli o połowę mniejszy od ludzkiego włosa. Jest to więc dość interesujące wiedzieć, w jaki sposób tak złożone struktury są osadzone w chipie wielkości zaledwie kilku milimetrów.

Urządzenia i aplikacje MEMS

Technologia ta została po raz pierwszy wprowadzona w 1965 roku, ale masowa produkcja rozpoczęła się dopiero w 1980 roku. Obecnie istnieje ponad 100 miliardów urządzeń MEMS aktywnych w różnych zastosowaniach i można je zobaczyć w telefonach komórkowych, laptopach, systemach GPS, samochodach itp.

Technologia MEMS jest wbudowana w wiele elementów elektronicznych, a ich liczba z dnia na dzień rośnie. Wraz z postępem w opracowywaniu tańszych urządzeń MEMS, możemy zobaczyć, jak przejmą one w przyszłości znacznie więcej aplikacji.

Ponieważ urządzenia MEMS działają lepiej niż zwykłe urządzenia, chyba że w grę wejdzie technologia o lepszych parametrach, MEMS pozostanie na tronie. W technologii MEMS najbardziej godnymi uwagi elementami są mikro czujniki i mikro siłowniki, które są odpowiednio klasyfikowane jako przetworniki. Te przetworniki przekształcają energię z jednej postaci w drugą. W przypadku mikroczujników, urządzenie zazwyczaj przekształca zmierzony sygnał mechaniczny na sygnał elektryczny, a mikro-siłownik przekształca sygnał elektryczny na wyjście mechaniczne.

Poniżej opisano kilka typowych czujników opartych na technologii MEMS.

• Akcelerometry
• Czujniki ciśnienia
• Mikrofon
• Magnetometr
• Żyroskop

Akcelerometry MEMS

Zanim przejdziemy do projektowania, omówmy zasadę działania zastosowaną przy projektowaniu akcelerometru MEMS i rozważmy w tym celu układ masy-sprężyny pokazany poniżej.

Tutaj masa jest zawieszona za pomocą dwóch sprężyn w zamkniętej przestrzeni, a zestaw jest uważany za spoczynkowy. Teraz, jeśli ciało nagle zacznie się poruszać do przodu, wówczas zawieszona w nim masa doświadcza siły wstecznej, która powoduje przemieszczenie się w swoim położeniu. Z tego powodu sprężyny odkształcają się, jak pokazano poniżej.

Zjawisko to musimy również doświadczyć siedząc w jakimkolwiek poruszającym się pojeździe, takim jak samochód, autobus, pociąg itp., Więc to samo zjawisko jest wykorzystywane przy projektowaniu przyspieszeniomierzy.

ale zamiast masy użyjemy przewodzących płytek jako ruchomej części przymocowanej do sprężyn. Cała konfiguracja będzie wyglądać tak, jak pokazano poniżej.

Na schemacie rozważymy pojemność między górną ruchomą płytą a stałą płytą:

C1 = e ₀ A / d1

gdzie d ₁ jest odległością między nimi.

Tutaj widzimy, że wartość pojemności C1 jest odwrotnie proporcjonalna do odległości między górą przesuwającą płytkę a nieruchomą płytką.

Pojemność między dolną ruchomą płytą a stałą płytą

C2 = e ₀ A / d2

gdzie d ₂ to odległość między nimi

Tutaj widzimy, że wartość pojemności C2 jest odwrotnie proporcjonalna do odległości między dolną ruchomą płytą a nieruchomą płytą.

Gdy ciało jest w spoczynku, zarówno górna, jak i dolna płyta będą w równej odległości od stałej płytki, więc pojemność C1 będzie równa pojemności C2. Ale jeśli ciało nagle poruszy się do przodu, płytki zostaną przesunięte, jak pokazano poniżej.

W tym czasie pojemność C1 wzrasta, gdy zmniejsza się odległość między płytą górną a płytą stałą. Z drugiej strony pojemność C2 zmniejsza się wraz ze wzrostem odległości między dolną płytą a stałą płytą. Ten wzrost i spadek pojemności jest liniowo proporcjonalny do przyspieszenia na korpusie głównym, więc im większe przyspieszenie, tym większa zmiana, a mniejsze przyspieszenie, mniejsza zmiana.

Ta zmienna pojemność może być podłączona do oscylatora RC lub innego obwodu w celu uzyskania odpowiedniego odczytu prądu lub napięcia. Po uzyskaniu żądanej wartości napięcia lub prądu możemy łatwo wykorzystać te dane do dalszej analizy.

Chociaż ta konfiguracja może być używana do pomyślnego pomiaru przyspieszenia, jest nieporęczna i niepraktyczna. Ale jeśli użyjemy technologii MEMS, możemy zmniejszyć całą konfigurację do rozmiaru kilku mikrometrów, dzięki czemu urządzenie będzie bardziej przydatne.

Na powyższym rysunku można zobaczyć rzeczywistą konfigurację używaną w akcelerometrze MEMS. Tutaj wiele płytek kondensatora jest zorganizowanych zarówno w kierunku poziomym, jak i pionowym, aby mierzyć przyspieszenie w obu kierunkach. Płyta kondensatora ma rozmiar do kilku mikrometrów, a cała konfiguracja ma rozmiar do kilku milimetrów, dzięki czemu możemy łatwo używać tego akcelerometru MEMS w urządzeniach przenośnych zasilanych bateryjnie, takich jak smartfony.

MEMS Czujniki ciśnienia

Wszyscy wiemy, że nacisk wywierany na przedmiot będzie się odkształcał, aż osiągnie punkt pęknięcia. Odkształcenie to jest wprost proporcjonalne do zastosowanego ciśnienia aż do określonej granicy i ta właściwość jest wykorzystywana do projektowania czujnika ciśnienia MEMS. Na poniższym rysunku można zobaczyć konstrukcję czujnika ciśnienia MEMS.

Tutaj dwie płyty przewodzące są zamontowane na szklanym korpusie i między nimi będzie próżnia. Jedna płyta przewodząca jest zamocowana, a druga jest elastyczna, aby poruszać się pod naciskiem. Teraz, jeśli weźmiesz miernik pojemności i dokonasz odczytu między dwoma zaciskami wyjściowymi, możesz obserwować wartość pojemności między dwiema równoległymi płytkami, ponieważ cała konfiguracja działa jak równoległy kondensator płytkowy. Ponieważ działa on jako równoległy kondensator płytkowy, to jak zwykle wszystkie właściwości typowego kondensatora odnoszą się do niego teraz. W stanie spoczynku nazwijmy pojemność między dwiema płytkami jako C1.

zdeformuje się i przesunie bliżej dolnej warstwy, jak pokazano na rysunku. Ponieważ warstwy się do siebie zbliżają, zwiększa się pojemność między dwiema warstwami. Zatem wyższe odległości zmniejszają pojemność i zmniejszają odległość, a tym samym pojemność. Jeśli podłączymy tę pojemność do rezonatora RC, możemy otrzymać sygnały częstotliwościowe reprezentujące ciśnienie. Sygnał ten można przekazać do mikrokontrolera w celu dalszego przetwarzania i przetwarzania danych.

Mikrofon MEMS

Konstrukcja mikrofonu MEMS jest podobna do czujnika ciśnienia, a poniższy rysunek przedstawia strukturę wewnętrzną mikrofonu.

Rozważmy, że układ jest w spoczynku iw tych warunkach pojemność między nieruchomą płytką a membraną wynosi C1.

Jeśli w otoczeniu występuje hałas, dźwięk dostaje się do urządzenia przez wlot. Dźwięk ten powoduje drgania membrany, co powoduje ciągłą zmianę odległości między membraną a stałą płytą. To z kolei powoduje ciągłą zmianę pojemności C1. Jeśli połączymy tę zmieniającą się pojemność z odpowiednim chipem przetwarzającym, możemy uzyskać moc elektryczną dla zmieniającej się pojemności. Ponieważ zmieniająca się pojemność bezpośrednio wiąże się przede wszystkim z szumem, ten sygnał elektryczny można wykorzystać jako przetworzoną postać dźwięku wejściowego.

Magnetometr MEMS

Magnetometr MEMS służy do pomiaru pola magnetycznego Ziemi. Urządzenie zbudowane jest w oparciu o efekt Halla lub Magneto-Resistive Effect. Większość magnetometrów MEMS wykorzystuje efekt Halla, więc omówimy, w jaki sposób ta metoda jest używana do pomiaru natężenia pola magnetycznego. W tym celu rozważmy przewodzącą płytkę i połączmy końce jednej strony z baterią, jak pokazano na rysunku.

Tutaj możesz zobaczyć kierunek przepływu elektronów, od bieguna ujemnego do bieguna dodatniego. Teraz, jeśli magnes zostanie zbliżony do wierzchołka przewodnika, wówczas elektrony i protony w przewodniku zostaną rozłożone, jak pokazano na poniższym rysunku.

Tutaj protony z ładunkiem dodatnim gromadzą się po jednej stronie płaszczyzny, podczas gdy elektrony z ładunkiem ujemnym gromadzą się dokładnie po przeciwnej stronie. W tym momencie, jeśli weźmiemy woltomierz i podłączymy na obu końcach, otrzymamy odczyt. Ten odczyt napięcia V1 jest proporcjonalny do natężenia pola doświadczanego przez przewodnik na górze. Całe zjawisko generowania napięcia przez przyłożenie prądu i pola magnetycznego nazywa się efektem Halla.

Jeśli prosty system zostanie zaprojektowany przy użyciu MEMS, w oparciu o powyższy model, otrzymamy przetwornik, który wyczuwa natężenie pola i zapewnia liniowo proporcjonalną moc elektryczną.

Żyroskop MEMS

Żyroskop MEMS jest bardzo popularny i ma wiele zastosowań. Na przykład żyroskop MEMS możemy znaleźć w samolotach, systemach GPS, smartfonach itp. Żyroskop MEMS został zaprojektowany w oparciu o Efekt Coriolisa. Aby zrozumieć zasadę działania i działanie żyroskopu MEMS, przyjrzyjmy się jego budowie wewnętrznej.

Tutaj S1, S2, S3 i S4 to sprężyny używane do łączenia pętli zewnętrznej i drugiej pętli. Podczas gdy S5, S6, S7 i S8 to sprężyny używane do łączenia drugiej pętli i masy „M”. Ta masa będzie rezonować wzdłuż osi y, jak pokazano na rysunku. Ten efekt rezonansowy jest również zwykle osiągany przy użyciu siły przyciągania elektrostatycznego w urządzeniach MEMS.

W warunkach spoczynku pojemność między dowolnymi dwoma płytkami na górnej warstwie lub na dnie będzie taka sama i pozostanie taka sama, dopóki nie nastąpi zmiana odległości między tymi płytami.

Załóżmy, że jeśli zamontujemy ten zestaw na obracającym się dysku, nastąpi pewna zmiana położenia płyt, jak pokazano poniżej.

Gdy zestaw jest zainstalowany na obracającym się dysku, jak pokazano, wówczas rezonująca masa wewnątrz zestawu zostanie poddana działaniu siły powodującej przemieszczenie w układzie wewnętrznym. Możesz zobaczyć wszystkie cztery sprężyny od S1 do S4 odkształcające się z powodu tego przemieszczenia. Siłę odczuwaną przez rezonującą masę po nagłym umieszczeniu na obracającym się dysku można wyjaśnić efektem Coriolisa.

Jeśli pominiemy złożone szczegóły, to można wywnioskować, że z powodu nagłej zmiany kierunku w warstwie wewnętrznej występuje przemieszczenie. Przemieszczenie to powoduje również zmianę odległości między płytami kondensatora na dolnej i górnej warstwie. Jak wyjaśniono w poprzednich przykładach, zmiana odległości powoduje zmianę pojemności.

Za pomocą tego parametru możemy zmierzyć prędkość obrotową dysku, na którym znajduje się urządzenie.

Wiele innych urządzeń MEMS jest projektowanych w technologii MEMS, a ich liczba rośnie z każdym dniem. Jednak wszystkie te urządzenia mają pewne podobieństwo w działaniu i konstrukcji, więc rozumiejąc kilka wspomnianych powyżej przykładów, możemy łatwo zrozumieć działanie innych podobnych urządzeń MEMS.