- Naprave in aplikacije MEMS
- Merilniki pospeška MEMS
- MEMS Tlačni senzorji
- MEMS mikrofon
- Magnetometer MEMS
- Žiroskop MEMS
MEMS pomeni mikroelektromehanski sistem in se nanaša na mikrometrske naprave, ki imajo tako elektronske komponente kot mehanske gibljive dele. Naprave MEMS lahko opredelimo kot naprave, ki imajo:
- Velikost v mikrometrih (1 mikrometer do 100 mikrometrov)
- Pretok toka v sistemu (električni)
- V njem so gibljivi deli (mehanski)
Spodaj je slika mehanskega dela naprave MEMS pod mikroskopom. To se morda ne zdi neverjetno, a ali veste, da je velikost orodja 10 mikimetrov, kar je polovica velikosti človeških las. Zato je zelo zanimivo vedeti, kako so tako zapletene strukture vgrajene v čip velikosti le nekaj milimetrov.
Naprave in aplikacije MEMS
Ta tehnologija je bila prvič predstavljena v 1965-ih, vendar se množična proizvodnja začne šele leta 1980. Trenutno je v različnih aplikacijah trenutno aktivnih več kot 100 milijard naprav MEMS, ki jih lahko vidimo v mobilnih telefonih, prenosnikih, sistemih GPS, avtomobilih itd.
Tehnologija MEMS je vključena v številne elektronske komponente in njihovo število iz dneva v dan narašča. Z napredkom pri razvoju cenejših naprav MEMS lahko vidimo, da bodo v prihodnosti prevzeli veliko več aplikacij.
Ker naprave MEMS delujejo bolje kot običajne naprave, razen če pride v poštev učinkovitejša tehnologija, bodo MEMS ostali na prestolu. V tehnologiji MEMS so najbolj opazni elementi mikro senzorji in mikro aktuatorji, ki so ustrezno kategorizirani kot pretvorniki. Ti pretvorniki pretvarjajo energijo iz ene oblike v drugo. V primeru mikrosenzorjev naprava običajno pretvori izmerjeni mehanski signal v električni signal, mikroaktuator pa električni signal v mehanski izhod.
Nekaj tipičnih senzorjev, ki temeljijo na tehnologiji MEMS, je pojasnjenih spodaj.
- Merilniki pospeška
- Tlačni senzorji
- Mikrofon
- Magnetometer
- Žiroskop
Merilniki pospeška MEMS
Preden se lotimo načrtovanja, se pogovorimo o principu dela, uporabljenem pri načrtovanju merilnika pospeška MEMS, in za to razmislimo o vzmetni vzmeti, ki je prikazana spodaj.
Tu je masa obešena z dvema vzmetoma v zaprtem prostoru in se šteje, da naprava miruje. Če se telo nenadoma začne premikati naprej, potem masa, obešena v telesu, občuti nazaj silo, ki povzroči premik v svojem položaju. Zaradi tega se vzmetne deformacije deformirajo, kot je prikazano spodaj.
Ta pojav moramo izkusiti tudi mi, ko sedimo v katerem koli voznem vozilu, kot je avto, avtobus, vlak itd., Zato se isti pojav uporablja pri načrtovanju merilnikov pospeška.
bomo pa namesto mase uporabili prevodne plošče kot gibljivi del, pritrjen na vzmeti. Celotna nastavitev bo prikazana spodaj.
V diagramu bomo upoštevali kapacitivnost med zgornjo premično ploščo in fiksno ploščo:
C1 = e 0 A / d1
kjer je d 1 razdalja med njima.
Tu lahko vidimo, da je vrednost kapacitivnosti C1 obratno sorazmerna z razdaljo med zgornjo ploščo, ki premika ploščo, in fiksno ploščo.
Kapaciteta med spodnjo premično ploščo in fiksno ploščo
C2 = e 0 A / d2
kjer je d 2 razdalja med njima
Tu lahko vidimo, da je vrednost kapacitivnosti C2 obratno sorazmerna z razdaljo med spodnjo premično ploščo in fiksno ploščo.
Ko telo miruje, bosta zgornja in spodnja plošča na enaki razdalji od pritrjene plošče, tako da bo kapacitivnost C1 enaka kapacitivnosti C2. Če pa se telo nenadoma premakne naprej, se plošče premaknejo, kot je prikazano spodaj.
V tem času se kapacitivnost C1 poveča, ko se razdalja med zgornjo ploščo in fiksno ploščo zmanjša. Po drugi strani se kapacitivnost C2 zmanjšuje, ko se razdalja med spodnjo ploščo in fiksno ploščo poveča. To povečanje in zmanjšanje kapacitivnosti je linearno sorazmerno s pospeškom na glavnem telesu, zato višji pospešek večja sprememba in nižji pospešek manjša sprememba.
To spremenljivo kapacitivnost lahko priključite na RC oscilator ali drugo vezje, da dobite ustrezen odčitek toka ali napetosti. Ko dobimo želeno vrednost napetosti ali toka, lahko te podatke enostavno uporabimo za nadaljnjo analizo.
Čeprav je to nastavitev mogoče uporabiti za uspešno merjenje pospeška, je obsežna in ni praktična. Če pa uporabljamo tehnologijo MEMS, lahko celotno nastavitev zmanjšamo na nekaj mikrometrov, zaradi česar je naprava bolj uporabna.
Na zgornji sliki lahko vidite dejansko nastavitev, uporabljeno v merilniku pospeška MEMS. Tu so plošče z več kondenzatorji organizirane tako v vodoravni kot navpični smeri, da merijo pospešek v obe smeri. Kondenzatorska plošča je velika do nekaj mikrometrov, celotna nastavitev pa do nekaj milimetrov, zato lahko ta merilnik pospeška MEMS enostavno uporabimo v prenosnih napravah, ki delujejo na baterije, kot so pametni telefoni.
MEMS Tlačni senzorji
Vsi vemo, da se bo pritisk na predmet obremenjeval, dokler ne bo dosegel točke preloma. Ta napetost je do določene meje neposredno sorazmerna z uporabljenim tlakom in ta lastnost se uporablja za načrtovanje tlačnega senzorja MEMS. Na spodnji sliki lahko vidite strukturno zasnovo tlačnega senzorja MEMS.
Tu sta dve prevodni plošči nameščeni na steklenem telesu in med njima bo vakuum. Ena plošča prevodnika je pritrjena, druga plošča pa je prožna za premikanje pod pritiskom. Zdaj, če vzamete merilnik kapacitivnosti in odčitate vrednosti med dvema izhodnima priključkoma, lahko med dvema vzporednima ploščama opazite vrednost kapacitivnosti, saj celotna nastavitev deluje kot vzporedni kondenzator plošče. Ker deluje kot vzporedni ploščni kondenzator, potem kot običajno običajno zanj veljajo vse lastnosti tipičnega kondenzatorja. V pogoju počitka imenujmo kapacitivnost med dvema ploščama C1.
deformiral se bo in se približal spodnji plasti, kot je prikazano na sliki. Ker se plasti približujejo, se kapacitivnost med dvema plastema poveča. Torej večje razdalje zmanjšajo kapacitivnost in zmanjšajo razdaljo večjo kapacitivnost. Če to kapacitivnost povežemo z RC resonatorjem, lahko dobimo frekvenčne signale, ki predstavljajo tlak. Ta signal je mogoče dati mikrokrmilniku za nadaljnjo obdelavo in obdelavo podatkov.
MEMS mikrofon
Zasnova mikrofona MEMS je podobna tlačnemu senzorju, spodnja slika pa prikazuje notranjo zgradbo mikrofona.
Upoštevajmo, da nastavitev miruje in je v teh pogojih kapacitivnost med fiksno ploščo in membrano C1.
Če je v okolju šum, potem zvok vstopi v napravo skozi dovod. Ta zvok povzroči, da diafragma vibrira, zaradi česar se razdalja med membrano in fiksno ploščo neprestano spreminja. To pa povzroči, da se kapacitivnost C1 neprestano spreminja. Če to spremenljivo kapacitivnost povežemo z ustreznim procesorskim čipom, dobimo električno moč za spreminjajočo se kapacitivnost. Ker se spreminjajoča kapacitivnost najprej neposredno nanaša na hrup, lahko ta električni signal uporabimo kot pretvorjeno obliko vhodnega zvoka.
Magnetometer MEMS
Magnetometer MEMS se uporablja za merjenje zemeljskega magnetnega polja. Naprava je izdelana na podlagi Hallovega učinka ali Magneto odpornega učinka. Večina magnetometrov MEMS uporablja Hall Effect, zato bomo razpravljali o tem, kako se ta metoda uporablja za merjenje jakosti magnetnega polja. Za to si oglejmo prevodno ploščo in konce ene strani priklopite na baterijo, kot je prikazano na sliki.
Tu lahko vidite smer pretoka elektronov, ki je od negativnega do pozitivnega terminala. Zdaj, če je magnet pripeljan blizu vrha vodnika, se elektroni in protoni v vodniku porazdelijo, kot je prikazano na spodnji sliki.
Tu se protoni, ki nosijo pozitiven naboj, zberejo na eni strani ravnine, medtem ko se elektroni, ki nosijo negativni naboj, zberejo na točno nasprotni strani. V tem času, če vzamemo voltmeter in se povežemo na obeh koncih, bomo dobili odčitke. To odčitavanje napetosti V1 je sorazmerno z napetostjo polja, ki jo ima vodnik na vrhu. Popoln pojav tvorbe napetosti z uporabo toka in magnetnega polja se imenuje Hallov učinek.
Če je zasnovan preprost sistem z uporabo MEMS, ki temelji na zgornjem modelu, bomo dobili pretvornik, ki zazna poljsko jakost in zagotavlja linearno sorazmerno električno moč.
Žiroskop MEMS
Žiroskop MEMS je zelo priljubljen in se uporablja v številnih aplikacijah. Žiroskop MEMS lahko na primer najdemo v letalih, GPS sistemih, pametnih telefonih itd. Žiroskop MEMS je zasnovan na osnovi Coriolisovega učinka. Za razumevanje principa in delovanja žiroskopa MEMS si poglejmo njegovo notranjo strukturo.
Tu so S1, S2, S3 in S4 vzmeti, ki se uporabljajo za povezavo zunanje zanke in druge zanke. Medtem ko so S5, S6, S7 in S8 vzmeti, ki se uporabljajo za povezavo druge zanke in mase "M". Ta masa bo odmevala vzdolž osi y, kot kažejo smeri na sliki. Tudi ta resonančni učinek se običajno doseže z uporabo elektrostatične privlačne sile v napravah MEMS.
V pogojih mirovanja bo kapacitivnost med katerima koli ploščama na zgornjem ali spodnjem sloju enaka in bo ostala enaka, dokler se ne bo spremenila razdalja med tema ploščama.
Recimo, če namestimo to nastavitev na vrtljivi disk, bo prišlo do določene spremembe v položaju plošč, kot je prikazano spodaj.
Ko je namestitev nameščena na vrtljivem disku, kot je prikazano, bo masna resonanca znotraj nastavitve povzročila silo, ki bo povzročila premik v notranji nastavitvi. Vidite lahko, da so vse štiri vzmeti S1 do S4 deformirane zaradi tega premika. To silo, ki jo ima resonančna masa, ko jo nenadoma položimo na vrtljivi disk, lahko razložimo z Coriolisovim učinkom.
Če preskočimo zapletene podrobnosti, potem lahko sklepamo, da je zaradi nenadne spremembe smeri v notranji plasti prisoten premik. Zaradi tega premika se spremeni tudi razdalja med ploščami kondenzatorja na spodnji in zgornji plasti. Kot je bilo pojasnjeno v prejšnjih primerih, sprememba razdalje povzroči spremembo kapacitivnosti.
In s tem parametrom lahko merimo hitrost vrtenja diska, na katerem je naprava nameščena.
Številne druge naprave MEMS so zasnovane z uporabo tehnologije MEMS in tudi njihovo število se vsak dan povečuje. Toda vse te naprave imajo določeno podobnost pri delu in oblikovanju, zato z razumevanjem zgoraj omenjenih primerov zlahka razumemo delovanje drugih podobnih naprav MEMS.