Mikroelektromehāniskās sistēmas (MEMS komponenti) un uz tām balstīti sensori

MEMS komponenti (krievu MEMS) ir mikroelektromehāniskās sistēmas. Galvenā to atšķirīgā iezīme ir tā, ka tie satur kustīgu 3D struktūru. Tas pārvietojas ārējās ietekmes dēļ. Tāpēc MEMS komponentos pārvietojas ne tikai elektroni, bet arī to sastāvdaļās.

MEMS komponenti ir viens no mikroelektronikas un mikromehānikas elementiem, ko bieži ražo uz silīcija substrāta. Pēc struktūras tie atgādina vienas mikroshēmas integrālās shēmas. Parasti šo MEMS mehānisko daļu izmērs svārstās no vienībām līdz simtiem mikrometru, un pats kristāls ir no 20 μm līdz 1 mm.

1. attēlā ir MEMS struktūras piemērs

Lietošanas piemēri:

1. Dažādu mikroshēmu izgatavošana.

2. MEMS oscilatori dažkārt tiek nomainīti kvarca rezonatori.

3. Sensoru ražošana, tostarp:

• akselerometrs;

• žiroskops

• leņķiskā ātruma sensors;

• magnetometriskais sensors;

• Barometri;

• vides analītiķi;

• radiosignāla mērīšanas devēji.

MEMS konstrukcijās izmantotie materiāli

Galvenie materiāli, no kuriem tiek izgatavotas MEMS sastāvdaļas, ir:

1. Silīcijs. Pašlaik lielākā daļa elektronisko komponentu ir izgatavoti no šī materiāla. Tam ir vairākas priekšrocības, tostarp: izplatība, izturība, praktiski nemaina savas īpašības deformācijas laikā. Fotolitogrāfija, kam seko kodināšana, ir galvenā silīcija MEMS ražošanas metode.

2. Polimēri. Tā kā silīcijs, lai gan tas ir izplatīts materiāls, ir salīdzinoši dārgs, dažos gadījumos to var aizstāt ar polimēriem. Tos rūpnieciski ražo lielos apjomos un ar dažādām īpašībām. Galvenās polimēru MEMS ražošanas metodes ir iesmidzināšana, štancēšana un stereolitogrāfija.

Ražošanas apjomi, pamatojoties uz liela ražotāja piemēru

Kā piemēru šo komponentu pieprasījumam ņemsim ST Microelectronics. Tā veic lielu ieguldījumu MEMS tehnoloģijā, tās rūpnīcas un rūpnīcas ražo līdz 3 000 000 elementu dienā.

2. attēls. Uzņēmuma ražotnes, kas izstrādā MEMS komponentus

Ražošanas cikls ir sadalīts 5 galvenajos posmos:

1. Šķeldas ražošana.

2. Testēšana.

3. Iepakojums futrāļos.

4. Noslēguma pārbaude.

5. Piegāde izplatītājiem.

3.attēls — ražošanas cikls

Dažādu veidu MEMS sensoru piemēri

Apskatīsim dažus populāros MEMS sensorus.

Akselerometrs Šī ir ierīce, kas mēra lineāro paātrinājumu. To izmanto, lai noteiktu objekta atrašanās vietu vai kustību. To izmanto mobilajās tehnoloģijās, automašīnās un citur.

4. attēls — trīs akselerometra atpazītas asis

5. attēls. MEMS akselerometra iekšējā struktūra

6. attēls. Akselerometra struktūras skaidrojums

Akselerometra funkcijas, izmantojot LIS3DH komponenta piemēru:

1,3 asu akselerometrs.

2. Strādā ar SPI un I2C saskarnēm.

3. Mērīšana uz 4 svariem: ± 2, 4, 8 un 16g.

4. Augsta izšķirtspēja (līdz 12 bitiem).

5. Zems patēriņš: 2 µA mazjaudas režīmā (1 Hz), 11 µA normālā režīmā (50 Hz) un 5 µA izslēgšanas režīmā.

6. Darba elastība:

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

• Joslas platums līdz 2,5 kHz;

• 32 līmeņu FIFO (16 bitu);

• 3 ADC ieejas;

• Temperatūras sensors;

• 1,71 līdz 3,6 V barošanas avots;

• Pašdiagnostikas funkcija;

• Korpuss 3 x 3 x 1 mm. 2.

Žiroskops Tā ir ierīce, kas mēra leņķisko nobīdi. To var izmantot, lai izmērītu griešanās leņķi ap ​​asi. Šādas ierīces var izmantot kā navigācijas un lidojumu vadības sistēmu lidmašīnām: lidmašīnām un dažādiem bezpilota lidaparātiem, vai mobilo ierīču pozīcijas noteikšanai.

7. attēls — ar žiroskopu izmērīti dati

8. attēls. Iekšējā struktūra

Piemēram, apsveriet žiroskopa L3G3250A MEMS īpašības:

• 3 asu analogais žiroskops;

• Imunitāte pret analogo troksni un vibrāciju;

• 2 mērīšanas skalas: ± 625 ° / s un ± 2500 ° / s;

• Izslēgšanas un miega režīmi;

• Pašdiagnostikas funkcija;

• rūpnīcas kalibrēšana;

• Augsta jutība: 2 mV / ° / s pie 625 ° / s

• Iebūvēts zemas caurlaidības filtrs

• Stabilitāte augstā temperatūrā (0,08 ° / s / ° C)

• Augsta trieciena stāvoklis: 10000g 0,1 ms

• Temperatūras diapazons -40 līdz 85 °C

• Barošanas spriegums: 2,4 — 3,6V

• Patēriņš: 6,3 mA normālā režīmā, 2 mA miega režīmā un 5 μA izslēgšanas režīmā

• Korpuss 3,5 x 3 x 1 LGA

secinājumus

MEMS sensoru tirgū papildus ziņojumā apskatītajiem piemēriem ir arī citi elementi, tostarp:

• Daudzasu (piemēram, 9 asu) sensori

• Kompasi;

• Sensori vides (spiediena un temperatūras) mērīšanai;

• Digitālie mikrofoni un daudz kas cits.

Mūsdienīgas rūpnieciskās augstas precizitātes mikroelektromehāniskās sistēmas, kuras aktīvi izmanto transportlīdzekļos un pārnēsājamos datoros.