В статье приведены базовые характеристики и общие сферы применения технологии MEMS, которая внедрена в разнообразные высокоэффективные электронные приборы. Термин MEMS относится к технологии, которая позволила миниатюризировать механические структуры и интегрировать их в электронные схемы. В результате этого образовались устройства, которые было бы правильней назвать «системами», поскольку в них механические компоненты и электрические элементы работают совместно и решают общие задачи.
Таким образом, MEMS – это микроэлектрическая и микромеханическая система.
Механические компоненты и системы обычно считаются менее технологичными по сравнению с электрическими решениями, но это не значит, что механическая база всегда низкотехнологична. Механические реле, например, гораздо старше транзисторных сборок, которые выполняют идентичный функционал, однако реле до сих пор широко применяются.
Тем не менее, большинство механических устройств очень габаритны по сравнению с электронными. И даже в тех случаях, когда механический компонент является более простым и эффективным решением, чаще всего он будет заменен на электронный по причине экономии пространства печатной платы и минимизации габаритных размеров.
24 FPS vs 60 FPS. Убираем дрожание на экране телевизора МЕМС в телевизорах KIVI 2022 в 2023
MEMS технология представляет концептуально новое решение этой дилемы: если модифицировать механические компоненты таким образом, что они станут не только миниатюрными, но и полностью сопоставимы с производственным процессом микросхем, получится компонент, объединяющий в себе преимущества обои технологий.
Миниатюрная MEMS структура производится методом физической модификации кремния (или другого материала подложки). Затем такие структуры объединяются с микросхемой и вся электромеханическая система корпусируется, представляя собой единой устройство.
MEMS устройства могут состоять из микромашинных структур, микродатчиков, микроэлектронных схем и микроактуаторов. Все они интегрированы на одном кристалле. Датчики позволят устройствам определить термические, механические, магнитные, электромагнитные или химические изменения, которые могут быть преобразованы электрической схемой в определенный сигнал, а актуаторы обеспечивают физические изменения, а не просто измеряют их.
Пример MEMS устройства
На фотографии показана физическая структура рычажного переключателя. Здесь изображены четыре ключа, каждый из которых имеет пять контактов (использование нескольких контактов позволяет уменьшить сопротивление канала в открытом состоянии), ключ срабатывания по подаче напряжения.
На рисунке показан MEMS ключ (справа) и драйвер управления (слева), корпусированные в QFN корпус. Схема драйвера позволяет стандартному цифровому устройству, такоу как микроконтроллер, эффективно контролировать ключ, поскольку он обеспечивает генерирование высоковольтного сигнала срабатывания.
Плавность и тормоза в телевизоре! ТВ приставка с AFR спасает?! Тест плавности тв! Как проверить ТВ?
Применение MEMS технологии
MEMS технология может быть интегрирована в самые разнообразные электронные компоненты. Применения этой технологии оправдано, если во главу угла поставлены простота реализации или производительность.
- аудио компоненты
- датчики
- ключи
- генераторы сигналов
В сфере аудио приложений используются MEMS микрофоны и MEMS динамики. Базовые характеристики MEMS микрофонов показана на диаграмме.
Датчики – основная и доминантная сфера внедрения MEMS технологии. Сегодня на рынке представлены MEMS гироскопы, инклинометры, акселерометры, датчики потока, газа, давления и магнитного поля.
Применение MEMS технологии в электрически управляемых ключах является особенно интересным.
Например, ADGM1004 легко управляется, работает с сигналами частотой от 0 до 10 ГГц, имеет ток утечки менее 1 нА в нерабочем состоянии и обеспечивает число срабатываний от 1 млрд.раз.
Комбинирование MEMS резонатора со схемой возбуждения создает MEMS генератор. На диаграмме приведена схема MEMS генератора SiT2024B от SiTime. Такие компоненты могут стать правильным выбором в приложениях с высокими требованиями к рабочим характеристикам. Например, SiT2024B может значительно превосходить параметры кварцевого генератора.
Источник: www.sensorica.ru
Что такое МЭМС (микроэлектромеханическая система)? Типы и применение
Микроэлектромеханическая система, или МЭМС, представляет собой миниатюрное устройство или машину, которая изготовлена как из механических, так и из электрических компонентов, используя методы микрообработки.
Термин «МЭМС» часто используется для описания как категории микромехатронных систем, так и технологического процесса, используемого для их изготовления. Некоторые МЭМС не имеют механических компонентов, но поскольку они преобразуют определенные механические сигналы в электрические или оптические, они классифицируются как МЭМС.
Размер МЭМС
Физические размеры МЭМС-устройств могут варьироваться от 20 микрометров до одного миллиметра. Они изготовлены из компонентов размером от 1 до 100 микрометров.
Хотя отдельные компоненты могут быть меньше ширины человеческого волоса, несколько модулей, расположенных в массивах, могут занимать площадь более 10 сантиметров.
МЭМС-устройства обычно содержат центральные устройства обработки данных (такие, как микропроцессоры) и крошечные инструменты, которые взаимодействуют с окружающей средой (такие, как микросенсоры).
Типы МЭМС
Существует две формы технологии коммутации МЭМС: омическая и емкостная.
1. Омические МЭМС-переключатели разработаны с использованием электростатических кантилеверов. Поскольку кантилеверы деформируются с течением времени, эти переключатели могут выйти из строя из-за износа контактов или усталости металла.
2. Емкостные переключатели управляются подвижной пластиной или чувствительным элементом, который изменяет емкость. Используя свои резонансные характеристики, они могут быть настроены так, чтобы превзойти омические устройства в определенных частотных диапазонах.
Как они построены?
Хотя интерес к производству МЭМС вырос в 1980-х годах, потребовалось почти два десятилетия, чтобы создать инфраструктуру проектирования и производства, необходимую для их коммерческого развития. Одним из первых таких устройств были струйные печатающие головки и контроллеры подушек безопасности.
Используя эту технологию, исследователи смогли создать проектор с микрозеркалами (который использует МЭМС) в конце 1990-х. Со временем микросенсоры стали более популярными: они постепенно интегрировались в различные типы датчиков, включая датчики излучения, магнитных полей, температуры и давления.
Сегодня МЭМС используются практически во всех интеллектуальных устройствах, и они стали гораздо более эффективными (с точки зрения производительности и энергопотребления), чем их более крупные аналоги. Они состоят из таких частей, как микропроцессоры, микроактюаторы, микросенсоры, несколько блоков обработки данных.
Изготовление МЭМС включает в себя те же методы, которые используются для создания интегральных схем и полупроводниковых приборов. Основными методами являются:
- Напыление: на специальную поверхность наносят тонкие слои (от 1 до 100 мкм) материала.
- Паттернирование: рисунок передается в материал с помощью процесса, называемого литографией.
- Травление : материал растворяется либо в химическом растворе, либо с использованием реактивных ионов для получения требуемой формы.
- Подготовка матрицы: После того, как МЭМС-устройства подготовлены на кремниевой пластине, отдельные матрицы разделяются, а затем нарезка пластин осуществляется с помощью охлаждающей жидкости или сухого лазерного процесса.
Кремний является наиболее распространенным материалом, используемым для создания МЭМС. Он легко доступен, недорог и имеет существенные преимущества, особенно в области микроэлектроники. Например, кремний очень мало страдает от усталости и почти не рассеивает энергию.
Некоторые МЭМС изготавливаются из металла с помощью процессов гальванизации, испарения и распыления. Металлы с высокой степенью надежности включают золото, платину, серебро, вольфрам, медь, титан и алюминий.
Полимеры также могут быть использованы для изготовления МЭМС-устройств, так как их можно производить в больших объемах, с различными характеристиками материала.
Чем МЭМС отличаются от NEMS?
NEMS (сокращение от наноэлектромеханических систем) — это класс устройств, имеющих электрические и механические характеристики на наноуровне. NEMS формируют следующий логический этап миниатюризации от MEMS.
Проще говоря, NEMS похожи на МЭМС, но имеют меньший размер: они содержат критические структурные элементы на уровне не более 100 нанометров (в атомном или молекулярном масштабе).
Хотя NEMS и МЭМС называются отдельными технологиями, они зависят друг от друга. Например, сканирующий туннельный микроскоп, который обнаруживает атомы, является устройством МЭМС.
В отличие от МЭМС, в технологии NEMS используются материалы на основе углерода, в частности алмаз, углеродные нанотрубки и графен. Благодаря значительным достижениям в области роста, манипуляций, знаний электрических и механических свойств графена, исследователи проявляют все больший интерес к графену для таких устройств NEMS, как датчики давления, резонаторы, акселерометры и т.д.
Примеры и применения
По мере того как МЭМС становятся более эффективными и дешевыми в производстве, они, как ожидается, будут играть решающую роль в IoT (интернет вещей) и домашней автоматизации. Распространенными коммерческими приложениями МЭМС являются:
- Акселерометры в транспортных средствах для различных целей, таких как электронный контроль устойчивости и срабатывание подушки безопасности
- Сенсорные системы охлаждения и отопления для систем управления зданием
- Оптический переключатель, используемый для переключения технологий и выравнивания для передачи данных
- Одноразовые датчики кровяного давления и датчики давления автомобиля из силикона
- Электростатические, электромагнитные и пьезоэлектрические микроуборочные комбайны (используются для сбора энергии)
- Маленькие микрофоны, барометры и гироскопы для поддержки приложений для смартфонов
Мировой рынок
Многие компании работают над проектами МЭМС. Небольшие фирмы предлагают инновационные решения и справляются с расходами на изготовление по индивидуальному заказу с высокой прибылью от продаж. Более крупные фирмы в основном производят в больших объемах недорогие детали или упакованные решения для конечных рынков, таких как электроника, биомедицина и автомобилестроение. Как правило, как малые, так и крупные компании инвестируют в исследования и разработки для создания новых технологий МЭМС.
Источник: new-science.ru
MEMS-технологии в навигации: новая жизнь механических датчиков
Современная тенденция к миниатюризации оборудования привела к безнадежному устареванию механических датчиков: уменьшение их размера в какой-то момент достигло инструментального предела. А ненадежность узла сопряжения с электроникой наложила ограничения на использование в сложных условиях: при тряске, вибрации, больших перегрузках.
Появление MEMS-технологий позволило устранить эти недостатки и получить устройства нового типа.
Изображение МЭМС-гироскопа. Источник: https://pypad.ru/
Что такое MEMS
MEMS (или МЭМС) — это микроэлектромеханическая система. Все ее компоненты — и электронные, и механические — изготавливаются из совместимых материалов и монтируются на одном чипе.
Чаще всего для изготовления МЭМС-устройств используется монокристаллический кремний, но также применяют материалы на основе соединений галлия и различные полимеры.
Пластины на основе кремния имеют высокие механические показатели и применяются для создания механических компонентов МЭМС и изолирующих слоев.
Материалы на основе галлия используются, в основном, для создания полупроводниковых подложек, электронных и оптоэлектронных компонентов МЭМС, а полимеры — для биосовместимых устройств.
Принцип работы МЭМС-датчика заключается в преобразовании воздействия внешних сил в электрический сигнал. За счет использования при изготовлении MEMS-устройств технологий, применяемых при создании чипов (литография, нанесение пленок и покрытий, травление), размер готового изделия может составлять доли миллиметра.
Структурная схема МЭМС. Источник: Гуртов В.А., Беляев М.А., Бакшеева А.Г. Микроэлектромеханические системы: учебное пособие. — Петрозаводск: Изд-во ПетрГУ, 2016
Применение MEMS-датчиков в навигации
В настоящее время разработан широкий спектр MEMS-устройств:
- Акселерометры;
- Датчики давления;
- Гироскопы;
- Исполнительные механизмы;
- Датчики температуры;
- Медицинские МЭМС;
- Оптические МЭМС (активные зеркала и лазерные гироскопы).
В навигационных системах используются MEMS-акселерометры и MEMS-гироскопы.
Тенденция к увеличению числа транспортных средств и активное внедрение беспилотных технологий сделали обеспечение автономной и бесперебойной работы навигационного оборудования очень важной задачей.
Инерциальные навигационные системы прекрасно с ней справляются, а возможность сопряжения с другими способами навигации (спутник, радиоканал) позволяют нивелировать склонность ИНС к накоплению ошибки измерений и упростить первоначальную настройку.
MEMS-датчики — решение, благодаря которому навигационное оборудование стало компактным, надежным и недорогим.
Это особенно важно в условиях все более активного использования беспилотных летательных аппаратов не только военными, но и гражданскими службами: сбой в навигации может привести к аварии и угрозе жизни и здоровью людей.
Не последнюю роль MEMS-датчики играют в системах безопасности и помощи водителям: адаптивный круиз-контроль, функция автопилота, развертывание подушек безопасности, контроль курса и другие.
Достоинства MEMS
Поскольку МЭМС-датчики изготавливаются по тем же технологиям, что и интегральные схемы, они наследуют большинство их преимуществ.
- Небольшие габариты и масса . Отдельные компоненты могут достигать размеров 1-100 мкм, а размер самого устройства — нескольких миллиметров.
- Функциональность . МЭМС-устройства представляют из себя готовое решение для выполнения той или иной задачи.
- Простота интеграции . Датчики без труда встраиваются в современные электронные системы.
- Низкое электропотребление . МЭМС-акселерометры и МЭМС-гироскопы потребляют напряжение менее 100 мВт.
- Высокая надежность и устойчивость к нагрузкам . За счет малых габаритов и массы механические компоненты МЭМС меньше подвержены влиянию вибраций и ударов.
- Низкая стоимость . Интегральная технология позволяет выпускать устройства серийно, что снижает стоимость отдельных приборов, но сказывается это лишь при больших объемах производства.
- Малая тепловая инерционность и устойчивость к температурному расширению . Могут использоваться как при низких, так и при высоких температурах, в условиях резких температурных перепадов.
Проиллюстрировать эти тезисы можно на примере МЭМС-гироскопов ЛК-МЭМС-ГИРО-100 и МЭМС-акселерометров AS-100, поставкой которых занимается наша компания:
- Габариты : 10х10х3,5 мм;
- Масса : 1 г;
- Энергопотребление : менее 70 мВт у гироскопа и менее 35 мВт у акселерометра;
- Ударопрочность и виброусточивость : 10000 g;
- Диапазон рабочих температур : от -40 до + 85 °С.
Источник: dzen.ru