Mikroelektromekaniske systemer (MEMS-komponenter) og sensorer basert på dem

MEMS-komponenter (russisk MEMS) — betyr mikroelektromekaniske systemer. Det viktigste kjennetegnet ved dem er at de inneholder en bevegelig 3D-struktur. Den beveger seg på grunn av ytre påvirkninger. Derfor beveger ikke bare elektroner seg i MEMS-komponenter, men også i bestanddelene.

MEMS-komponenter er et av elementene i mikroelektronikk og mikromekanikk, ofte produsert på et silisiumsubstrat. I struktur ligner de enkeltbrikke integrerte kretser. Vanligvis varierer disse MEMS mekaniske delene i størrelse fra enheter til hundrevis av mikrometer, og selve krystallen er fra 20 μm til 1 mm.

Figur 1 er et eksempel på en MEMS-struktur

Eksempler på bruk:

1. Produksjon av ulike mikrokretser.

2. MEMS-oscillatorer blir noen ganger erstattet kvartsresonatorer.

3. Produksjon av sensorer, inkludert:

• akselerometer;

• gyroskop

• vinkelhastighetssensor;

• magnetometrisk sensor;

• barometre;

• miljøanalytikere;

• transdusere for radiosignalmåling.

Materialer brukt i MEMS-strukturer

Hovedmaterialene som MEMS-komponentene er laget av inkluderer:

1. Silisium. For tiden er flertallet av elektroniske komponenter laget av dette materialet. Det har en rekke fordeler, inkludert: spredning, styrke, endrer praktisk talt ikke egenskapene under deformasjon. Fotolitografi etterfulgt av etsing er den primære fremstillingsmetoden for silisium MEMS.

2. Polymerer. Siden silisium, selv om det er et vanlig materiale, er relativt dyrt, kan polymerer i noen tilfeller brukes til å erstatte det. De produseres industrielt i store volumer og med ulike egenskaper. De viktigste produksjonsmetodene for polymer MEMS er sprøytestøping, stempling og stereolitografi.

Produksjonsvolumer basert på eksemplet med en stor produsent

For et eksempel på etterspørselen etter disse komponentene, la oss ta ST Microelectronics. Den gjør en stor investering i MEMS-teknologi, dens fabrikker og anlegg produserer opptil 3 000 000 elementer per dag.

Figur 2 — Produksjonsanlegg til et selskap som utvikler MEMS-komponenter

Produksjonssyklusen er delt inn i 5 hovedstadier:

1. Produksjon av chips.

2. Testing.

3. Pakking i kofferter.

4. Avsluttende testing.

5. Levering til forhandlere.

Figur 3 — produksjonssyklus

Eksempler på MEMS-sensorer av forskjellige typer

La oss ta en titt på noen av de populære MEMS-sensorene.

Akselerometer Dette er en enhet som måler lineær akselerasjon. Den brukes til å bestemme plasseringen eller bevegelsen til et objekt. Den brukes i mobilteknologi, biler og mer.

Figur 4 — Tre akser gjenkjent av akselerometeret

Figur 5 — Intern struktur til MEMS-akselerometeret

Figur 6 — Akselerometerstruktur forklart

Akselerometerfunksjoner ved bruk av LIS3DH-komponenteksemplet:

1,3-akse akselerometer.

2. Fungerer med SPI- og I2C-grensesnitt.

3. Måling på 4 skalaer: ± 2, 4, 8 og 16g.

4. Høy oppløsning (opptil 12 bits).

5. Lavt forbruk: 2 µA i lavstrømsmodus (1Hz), 11 µA i normalmodus (50Hz) og 5 µA i avstengningsmodus.

6. Arbeidsfleksibilitet:

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

• Båndbredde opptil 2,5 kHz;

• 32-nivå FIFO (16-bit);

• 3 ADC-innganger;

• Temperatur sensor;

• 1,71 til 3,6 V strømforsyning;

• Selvdiagnosefunksjon;

• Etui 3 x 3 x 1 mm. 2.

Gyroskop Det er en enhet som måler vinkelforskyvning. Den kan brukes til å måle rotasjonsvinkelen rundt aksen. Slike enheter kan brukes som et navigasjons- og flykontrollsystem for fly: fly og ulike UAV-er, eller for å bestemme posisjonen til mobile enheter.

Figur 7 — Data målt med et gyroskop

Figur 8 — Intern struktur

Tenk for eksempel på egenskapene til L3G3250A MEMS-gyroskopet:

• 3-akset analogt gyroskop;

• Immunitet mot analog støy og vibrasjoner;

• 2 måleskalaer: ± 625 ° / s og ± 2500 ° / s;

• Avslutning og hvilemodus;

• Selvdiagnosefunksjon;

• fabrikk kalibrering;

• Høy følsomhet: 2 mV / ° / s ved 625 ° / s

• Innebygd lavpassfilter

• Stabilitet ved høy temperatur (0,08 ° / s / ° C)

• Høy påvirkningstilstand: 10000g på 0,1 ms

• Temperaturområde -40 til 85 °C

• Forsyningsspenning: 2,4 — 3,6V

• Forbruk: 6,3 mA i normal modus, 2 mA i hvilemodus og 5 μA i avstengingsmodus

• Etui 3,5 x 3 x 1 LGA

konklusjoner

I MEMS-sensormarkedet, i tillegg til eksemplene diskutert i rapporten, er det andre elementer, inkludert:

• Flerakse (f.eks. 9-akse) sensorer

• kompasser;

• Sensorer for måling av miljøet (trykk og temperatur);

• Digitale mikrofoner og mer.

Moderne industrielle mikroelektromekaniske systemer med høy presisjon som brukes aktivt i kjøretøy og bærbare bærbare datamaskiner.