Mikroelektromechaninės sistemos (MEMS komponentai) ir jų pagrindu veikiantys jutikliai

MEMS komponentai (rusiškai MEMS) – tai mikroelektromechaninės sistemos. Pagrindinis jų skiriamasis bruožas yra tas, kad juose yra kilnojama 3D struktūra. Jis juda dėl išorinių poveikių. Todėl ne tik elektronai juda MEMS komponentuose, bet ir sudedamosiose dalyse.

MEMS komponentai yra vienas iš mikroelektronikos ir mikromechanikos elementų, dažnai gaminamas ant silicio pagrindo. Savo struktūra jie primena vieno lusto integrinius grandynus. Paprastai šių MEMS mechaninių dalių dydis svyruoja nuo vienetų iki šimtų mikrometrų, o pats kristalas yra nuo 20 μm iki 1 mm.

1 paveiksle yra MEMS struktūros pavyzdys

Naudojimo pavyzdžiai:

1. Įvairių mikroschemų gamyba.

2. MEMS generatoriai kartais pakeičiami kvarciniai rezonatoriai.

3. Jutiklių gamyba, įskaitant:

• akcelerometras;

• giroskopas

• kampinio greičio jutiklis;

• magnetometrinis jutiklis;

• barometrai;

• aplinkos analitikai;

• radijo signalo matavimo keitikliai.

MEMS konstrukcijose naudojamos medžiagos

Pagrindinės medžiagos, iš kurių gaminami MEMS komponentai, yra:

1. Silicis. Šiuo metu dauguma elektroninių komponentų yra pagaminti iš šios medžiagos. Jis turi nemažai privalumų, tarp kurių: plitimas, stiprumas, praktiškai nekeičia savo savybių deformacijos metu. Fotolitografija, po kurios seka ėsdinimas, yra pagrindinis silicio MEMS gamybos būdas.

2. Polimerai. Kadangi silicis, nors ir įprasta medžiaga, yra gana brangus, kai kuriais atvejais jį galima pakeisti polimerais. Jie gaminami pramoniniu būdu dideliais kiekiais ir turi skirtingas charakteristikas. Pagrindiniai polimerinių MEMS gamybos būdai yra liejimas, štampavimas ir stereolitografija.

Gamybos apimtys pagal stambaus gamintojo pavyzdį

Šių komponentų paklausos pavyzdžiu paimkime ST Microelectronics. Ji daro didelę investiciją į MEMS technologiją, jos gamyklos ir gamyklos pagamina iki 3 000 000 elementų per dieną.

2 pav. MEMS komponentus kuriančios įmonės gamybos įrenginiai

Gamybos ciklas yra padalintas į 5 pagrindinius etapus:

1. Skiedrų gamyba.

2. Testavimas.

3. Pakavimas į dėklus.

4. Galutinis testavimas.

5. Pristatymas prekiautojams.

3 pav. – gamybos ciklas

Įvairių tipų MEMS jutiklių pavyzdžiai

Pažvelkime į kai kuriuos populiarius MEMS jutiklius.

Akselerometras Tai prietaisas, matuojantis linijinį pagreitį. Jis naudojamas objekto vietai ar judėjimui nustatyti. Jis naudojamas mobiliosiose technologijose, automobiliuose ir kt.

4 paveikslas. Trys akselerometro atpažintos ašys

5 pav. Vidinė MEMS akselerometro struktūra

6 pav. Paaiškinta akselerometro struktūra

Akselerometro funkcijos naudojant LIS3DH komponento pavyzdį:

1,3 ašies akselerometras.

2. Dirba su SPI ir I2C sąsajomis.

3. Matavimas 4 svarstyklėmis: ± 2, 4, 8 ir 16g.

4. Didelė raiška (iki 12 bitų).

5. Mažas suvartojimas: 2 µA mažos galios režimu (1 Hz), 11 µA įprastu režimu (50 Hz) ir 5 µA išjungimo režimu.

6. Darbo lankstumas:

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

• Pralaidumas iki 2,5 kHz;

• 32 lygių FIFO (16 bitų);

• 3 ADC įėjimai;

• Temperatūros jutiklis;

• Maitinimas nuo 1,71 iki 3,6 V;

• Savidiagnostikos funkcija;

• Dėklas 3 x 3 x 1 mm. 2.

Giroskopas Tai prietaisas, matuojantis kampinį poslinkį. Jis gali būti naudojamas matuoti sukimosi kampą aplink ašį. Tokie įrenginiai gali būti naudojami kaip orlaivių: lėktuvų ir įvairių UAV navigacijos ir skrydžių valdymo sistema arba mobiliųjų įrenginių padėčiai nustatyti.

7 pav. Giroskopu išmatuoti duomenys

8 pav. Vidinė struktūra

Pavyzdžiui, apsvarstykite L3G3250A MEMS giroskopo charakteristikas:

• 3 ašių analoginis giroskopas;

• Atsparumas analoginiam triukšmui ir vibracijai;

• 2 matavimo skalės: ± 625 ° / s ir ± 2500 ° / s;

• Išjungimo ir miego režimai;

• Savidiagnostikos funkcija;

• gamyklinis kalibravimas;

• Didelis jautrumas: 2 mV / ° / s esant 625 ° / s

• Integruotas žemųjų dažnių filtras

• Stabilumas aukštoje temperatūroje (0,08 ° / s / ° C)

• Didelio smūgio būsena: 10 000 g per 0,1 ms

• Temperatūros diapazonas nuo -40 iki 85 °C

• Maitinimo įtampa: 2,4 — 3,6V

• Sąnaudos: 6,3 mA įprastu režimu, 2 mA miego režimu ir 5 μA išjungimo režimu

• Dėklas 3,5 x 3 x 1 LGA

išvadas

MEMS jutiklių rinkoje, be ataskaitoje aptartų pavyzdžių, yra ir kitų elementų, įskaitant:

• Kelių ašių (pvz., 9 ašių) jutikliai

• Kompasai;

• Aplinkos (slėgio ir temperatūros) matavimo jutikliai;

• Skaitmeniniai mikrofonai ir kt.

Šiuolaikinės pramoninės didelio tikslumo mikroelektromechaninės sistemos, aktyviai naudojamos transporto priemonėse ir nešiojamuose nešiojamuosiuose kompiuteriuose.