Mikroelektromechanikai rendszerek (MEMS alkatrészek) és az ezekre épülő szenzorok

MEMS komponensek (orosz MEMS) — mikroelektromechanikus rendszereket jelent. A fő megkülönböztető jellemzőjük, hogy mozgatható 3D-s szerkezetet tartalmaznak. Külső hatások hatására mozog. Ezért nem csak az elektronok mozognak a MEMS komponensekben, hanem az alkotórészekben is.

A MEMS alkatrészek a mikroelektronika és a mikromechanika egyik eleme, gyakran szilícium hordozóra gyártják. Szerkezetükben egylapkás integrált áramkörökhöz hasonlítanak. Ezeknek a MEMS mechanikai alkatrészeknek a mérete általában egységektől több száz mikrométerig terjed, maga a kristály pedig 20 μm és 1 mm közötti.

Az 1. ábra egy MEMS-struktúra példája

Használati példák:

1. Különféle mikroáramkörök gyártása.

2. A MEMS oszcillátorokat néha cserélik kvarc rezonátorok.

3. Érzékelők gyártása, beleértve:

• gyorsulásmérő;

• giroszkóp

• szögsebesség-érzékelő;

• magnetometrikus érzékelő;

• barométerek;

• környezetvédelmi elemzők;

• rádiójel-mérő átalakítók.

MEMS szerkezetekben használt anyagok

A fő anyagok, amelyekből a MEMS alkatrészek készülnek, a következők:

1. Szilícium. Jelenleg az elektronikai alkatrészek többsége ebből az anyagból készül. Számos előnye van, többek között: terjedés, szilárdság, gyakorlatilag nem változtatja meg tulajdonságait a deformáció során. A fotolitográfia, majd a maratás a szilícium MEMS elsődleges gyártási módszere.

2. Polimerek. Mivel a szilícium, bár elterjedt anyag, viszonylag drága, bizonyos esetekben polimerekkel helyettesíthető. Iparilag nagy mennyiségben és eltérő jellemzőkkel készülnek. A polimer MEMS fő gyártási módszerei a fröccsöntés, sajtolás és sztereolitográfia.

Gyártási mennyiségek egy nagy gyártó példája alapján

Az ilyen alkatrészek iránti kereslet példájaként vegyük az ST Microelectronics céget. Nagy beruházást hajt végre a MEMS technológiába, gyárai és üzemei ​​akár 3 000 000 elemet is gyártanak naponta.

2. ábra – Egy MEMS alkatrészeket fejlesztő cég gyártó létesítményei

A gyártási ciklus 5 fő szakaszra oszlik:

1. Chip gyártása.

2. Tesztelés.

3. Csomagolás tokokba.

4. Végső tesztelés.

5. Szállítás kereskedőknek.

3. ábra – gyártási ciklus

Példák különböző típusú MEMS érzékelőkre

Vessünk egy pillantást néhány népszerű MEMS-érzékelőre.

Gyorsulásmérő Ez egy olyan eszköz, amely lineáris gyorsulást mér. Egy tárgy helyének vagy mozgásának meghatározására szolgál. Mobiltechnológiában, autókban és egyebekben használják.

4. ábra – A gyorsulásmérő által felismert három tengely

5. ábra – A MEMS gyorsulásmérő belső szerkezete

6. ábra – A gyorsulásmérő szerkezetének magyarázata

A gyorsulásmérő jellemzői a LIS3DH komponens példájával:

1,3 tengelyes gyorsulásmérő.

2. SPI és I2C interfészekkel működik.

3. Mérés 4 skálán: ± 2, 4, 8 és 16g.

4. Nagy felbontás (akár 12 bit).

5. Alacsony fogyasztás: 2 µA alacsony fogyasztású üzemmódban (1 Hz), 11 µA normál üzemmódban (50 Hz) és 5 µA kikapcsolt üzemmódban.

6. Munkavégzés rugalmassága:

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

• Sávszélesség 2,5 kHz-ig;

• 32 szintű FIFO (16 bites);

• 3 db ADC bemenet;

• Hőmérséklet szenzor;

• 1,71-3,6 V tápegység;

• Öndiagnosztikai funkció;

• Tok 3 x 3 x 1 mm. 2.

Giroszkóp Ez egy szögelmozdulást mérő eszköz. A tengely körüli forgásszög mérésére használható. Az ilyen eszközök használhatók repülőgépek: repülőgépek és különféle UAV-k navigációs és repülésirányító rendszereként, vagy mobil eszközök helyzetének meghatározására.

7. ábra – Giroszkóppal mért adatok

8. ábra – Belső szerkezet

Vegyük például az L3G3250A MEMS giroszkóp jellemzőit:

• 3 tengelyes analóg giroszkóp;

• Analóg zaj és rezgés elleni védelem;

• 2 mérőskála: ± 625 ° / s és ± 2500 ° / s;

• Leállítási és alvó üzemmódok;

• Öndiagnosztikai funkció;

• gyári kalibrálás;

• Nagy érzékenység: 2 mV / ° / s 625 ° / s-on

• Beépített aluláteresztő szűrő

• Stabilitás magas hőmérsékleten (0,08 ° / s / ° C)

• Nagy ütési állapot: 10000 g 0,1 ms alatt

• Hőmérséklet-tartomány -40 és 85 °C között

• Tápfeszültség: 2,4 — 3,6 V

• Fogyasztás: 6,3 mA normál üzemmódban, 2 mA alvó üzemmódban és 5 μA kikapcsolt üzemmódban

• Tok 3,5 x 3 x 1 LGA

következtetéseket

A MEMS érzékelők piacán a jelentésben tárgyalt példákon kívül további elemek is találhatók, többek között:

• Többtengelyes (pl. 9 tengelyes) érzékelők

• Iránytűk;

• Érzékelők a környezet (nyomás és hőmérséklet) mérésére;

• Digitális mikrofonok és még sok más.

Modern ipari, nagy pontosságú mikroelektromechanikai rendszerek, amelyeket aktívan használnak járművekben és hordozható, hordható számítógépekben.