- MEMS prietaisai ir programos
- MEMS akselerometrai
- MEMS Slėgio jutikliai
- MEMS mikrofonas
- MEMS magnetometras
- MEMS giroskopas
MEMS reiškia mikroelektromechanines sistemas ir tai reiškia mikrometro dydžio įtaisus, turinčius tiek elektroninius komponentus, tiek mechanines judančias dalis. MEMS įrenginius galima apibrėžti kaip įrenginius, turinčius:
- Dydis mikrometru (nuo 1 iki 100 mikrometrų)
- Srovės srautas sistemoje (elektrinis)
- Ir viduje yra judančių dalių (mechaninė)
Žemiau pateikiamas MEMS prietaiso, esančio mikroskopu, mechaninės dalies vaizdas. Tai gali neatrodyti nuostabi, bet ar žinote, kad pavaros dydis yra 10 mikometrų, o tai yra pusė žmogaus plaukų dydžio. Taigi gana įdomu sužinoti, kaip tokios sudėtingos struktūros yra įterptos į mikroschemos dydį tik kelis milimetrus.
MEMS prietaisai ir programos
Ši technologija pirmą kartą buvo įdiegta 1965-aisiais, tačiau masinė gamyba prasidėjo tik 1980 m. Šiuo metu yra daugiau nei 100 milijardų MEMS įrenginių, veikiančių įvairiose programose, ir juos galima pamatyti mobiliuosiuose telefonuose, nešiojamuosiuose kompiuteriuose, GPS sistemose, automobiliuose ir kt.
MEMS technologija yra integruota į daugelį elektroninių komponentų ir jų skaičius auga kiekvieną dieną. Tobulėjant pigesnių MEMS įrenginių kūrimui, galime pastebėti, kad jie ateityje perims daug daugiau programų.
Kadangi MEMS prietaisai veikia geriau nei įprasti įrenginiai, nebent pasirodys geresnio našumo technologija, MEMS liks soste. MEMS technologijoje žymiausi elementai yra mikro jutikliai ir mikro pavaros, kurios yra tinkamai priskiriamos davikliams. Šie keitikliai energiją paverčia iš vienos formos į kitą. Mikrosensorių atveju prietaisas išmatuotą mechaninį signalą paprastai paverčia elektriniu, o mikroaktorius elektrinį signalą paverčia mechaniniu išėjimu.
Keli tipiniai jutikliai, pagrįsti MEMS technologija, paaiškinti žemiau.
- Akselerometrai
- Slėgio jutikliai
- Mikrofonas
- Magnetometras
- Giroskopas
MEMS akselerometrai
Prieš pradėdami projektavimą, aptarkime darbo principą, naudojamą projektuojant MEMS akselerometrą, ir apsvarstykite toliau pateiktą masės spyruoklę.
Čia masė pakabinama dviem spyruoklėmis uždaroje erdvėje ir laikoma, kad sąranga yra ramybės būsenoje. Dabar, jei kūnas staiga pradeda judėti į priekį, kūne suspenduota masė patiria atgalinę jėgą, kuri sukelia poslinkį jo padėtyje. Dėl šios priežasties spyruoklės deformuojasi, kaip parodyta žemiau.
Šį reiškinį mes taip pat turime patirti sėdėdami bet kokioje judančioje transporto priemonėje, tokioje kaip automobilis, autobusas, traukinys ir kt., Todėl tas pats reiškinys naudojamas projektuojant akselerometrus.
bet vietoj masės kaip judančią dalį, pritvirtintą prie spyruoklių, naudosime laidžiąsias plokštes. Visa sąranka bus tokia, kaip parodyta žemiau.
Diagramoje atsižvelgsime į talpą tarp viršutinės judančios plokštės ir fiksuotos plokštės:
C1 = e 0 A / d1
kur d 1 yra atstumas tarp jų.
Čia galime pamatyti, kad talpos C1 vertė yra atvirkščiai proporcinga atstumui tarp plokštės viršuje judančios ir fiksuotos plokštės.
Talpa tarp apatinės judančios plokštės ir fiksuotos plokštės
C2 = e 0 A / d2
kur d 2 yra atstumas tarp jų
Čia galime pamatyti, kad talpos C2 vertė yra atvirkščiai proporcinga atstumui tarp dugno judančios plokštės ir fiksuotos plokštės.
Kai kūnas yra ramybės būsenoje, viršutinė ir apatinė plokštės bus vienodu atstumu nuo fiksuotos plokštės, todėl talpa C1 bus lygi talpai C2. Bet jei kūnas staiga juda į priekį, plokštės pasislenka, kaip parodyta žemiau.
Tuo metu talpa C1 padidėja, nes mažėja atstumas tarp viršutinės plokštės ir fiksuotos plokštės. Kita vertus, talpa C2 mažėja didėjant atstumui tarp apatinės plokštės ir fiksuotos plokštės. Šis talpos padidėjimas ir sumažėjimas yra tiesiškai proporcingas pagrindinio korpuso pagreičiui, todėl didesnis pagreitis yra didesnis, o mažesnis - mažesnis.
Ši kintanti talpa gali būti prijungta prie RC osciliatoriaus ar kitos grandinės, kad gautų reikiamą srovės ar įtampos rodmenį. Gavę norimą įtampos ar srovės vertę, tuos duomenis galime lengvai panaudoti tolesnei analizei.
Nors ši sąranka gali būti naudojama sėkmingai matuojant pagreitį, ji yra didelė ir nėra praktiška. Bet jei mes naudojame MEMS technologiją, mes galime sutrumpinti visą sąranką iki kelių mikrometrų, kad prietaisas būtų labiau pritaikomas.
Aukščiau pateiktame paveikslėlyje galite pamatyti faktinę sąranką, naudojamą MEMS akselerometre. Čia kelios kondensatoriaus plokštės yra išdėstytos tiek horizontalia, tiek vertikalia kryptimi, kad būtų matuojamas pagreitis į abi puses. Kondensatoriaus plokštė yra kelių mikrometrų dydžio, o visa sąranka bus iki kelių milimetrų, todėl šį MEMS akselerometrą galime lengvai naudoti nešiojamuose akumuliatoriuose, pvz., Išmaniuosiuose telefonuose.
MEMS Slėgio jutikliai
Mes visi žinome, kad kai objektas bus spaudžiamas, jis įtemptų, kol pasieks lūžio tašką. Ši įtampa yra tiesiogiai proporcinga taikomam slėgiui iki tam tikros ribos ir ši savybė naudojama projektuojant MEMS slėgio jutiklį. Žemiau pateiktame paveikslėlyje galite pamatyti MEMS slėgio jutiklio konstrukcinį dizainą.
Čia dvi laidininkų plokštės sumontuotos ant stiklinio korpuso ir tarp jų bus vakuumas. Viena laidininko plokštė yra pritvirtinta, o kita plokštė yra lanksti judėti esant slėgiui. Dabar, jei paimsite talpos matuoklį ir nuskaitysite tarp dviejų išvesties gnybtų, galėsite stebėti talpos vertę tarp dviejų lygiagrečių plokščių, taip yra todėl, kad visa sąranka veikia kaip lygiagretus plokštės kondensatorius. Kadangi jis veikia kaip lygiagretus plokštelinis kondensatorius, tada, kaip įprasta, visos tipinio kondensatoriaus savybės jam taikomos dabar. Esant ramybės būsenai, pavadinkime talpą tarp dviejų plokščių C1.
jis deformuosis ir judės arčiau apatinio sluoksnio, kaip parodyta paveikslėlyje. Kadangi sluoksniai artėja, tarp dviejų sluoksnių talpa padidėja. Taigi didesni atstumai mažina talpą, o atstumas - didesnę. Jei prijungsime šią talpą prie RC rezonatoriaus, galime gauti dažnio signalus, atspindinčius slėgį. Šis signalas gali būti perduotas mikrovaldikliui tolesniam apdorojimui ir duomenų apdorojimui.
MEMS mikrofonas
MEMS mikrofono konstrukcija yra panaši į slėgio jutiklį, o žemiau pateiktame paveiksle parodyta mikrofono vidinė struktūra.
Apsvarstykime, ar sąranka yra ramybės būsenoje, ir tokiomis sąlygomis tarp fiksuotos plokštės ir membranos talpa yra C1.
Jei aplinkoje yra triukšmo, garsas į prietaisą patenka per įleidimo angą. Dėl šio garso diafragma vibruoja, todėl atstumas tarp membranos ir fiksuotos plokštės nuolat kinta. Tai, savo ruožtu, talpa C1 nuolat kinta. Prijungę šią kintančią talpą prie atitinkamos apdorojimo mikroschemos, galime gauti kintamos talpos elektros išėjimą. Kadangi kintanti talpa pirmiausia yra tiesiogiai susijusi su triukšmu, šį elektrinį signalą galima naudoti kaip konvertuotą įvesties garso formą.
MEMS magnetometras
MEMS magnetometras naudojamas žemės magnetiniam laukui matuoti. Prietaisas sukonstruotas remiantis „ Hall“ efektu arba „Magneto Resistive Effect“. Daugumoje MEMS magnetometrų naudojamas „Hall“ efektas, todėl aptarsime, kaip šis metodas naudojamas matuojant magnetinio lauko stiprumą. Apsvarstykime laidžiąją plokštę ir vienos pusės galus sujungsime su akumuliatoriumi, kaip parodyta paveikslėlyje.
Čia galite pamatyti elektronų srauto kryptį, kuri yra nuo neigiamo iki teigiamo terminalo. Dabar, jei magnetas priartėjo prie laidininko viršaus, tada laidininko elektronai ir protonai pasiskirsto taip, kaip parodyta žemiau esančiame paveikslėlyje.
Čia teigiamą krūvį nešantys protonai susirenka vienoje plokštumos pusėje, o neigiamą krūvį nešantys elektronai - tiesiai priešingoje pusėje. Šiuo metu, jei paimsime voltmetrą ir sujungsime abiejuose galuose, gausime rodmenį. Šis įtampos rodmuo V1 yra proporcingas lauko stiprumui, kurį patiria viršininkas. Visiškas įtampos generavimo, taikant srovę ir magnetinį lauką, reiškinys vadinamas „ Hall“ efektu.
Jei paprasta sistema yra sukurta naudojant MEMS, remiantis aukščiau pateiktu modeliu, gausime keitiklį, kuris pajunta lauko stiprumą ir teikia tiesiškai proporcingą elektros energiją.
MEMS giroskopas
MEMS giroskopas yra labai populiarus ir naudojamas daugelyje programų. Pavyzdžiui, MEMS giroskopą galime rasti lėktuvuose, GPS sistemose, išmaniuosiuose telefonuose ir kt. MEMS giroskopas sukurtas remiantis „Coriolis“ efektu. Norėdami suprasti MEMS giroskopo principą ir veikimą, pažvelkime į jo vidinę struktūrą.
Čia S1, S2, S3 ir S4 yra spyruoklės, naudojamos išorinei kilpai ir antrajai kilpai sujungti. Nors S5, S6, S7 ir S8 yra spyruoklės, naudojamos prijungti antrąją kilpą ir masę „M“. Ši masė rezonuos išilgai y ašies, kaip parodyta paveikslo kryptimis. Be to, šis rezonacijos efektas paprastai pasiekiamas naudojant elektrostatinę traukos jėgą MEMS įrenginiuose.
Esant ramybės sąlygoms, talpa tarp bet kokių dviejų plokščių viršutiniame sluoksnyje arba apačioje bus vienoda ir ji išliks ta pati, kol pasikeis atstumas tarp šių plokščių.
Tarkime, jei šį įrenginį pritvirtinsime prie besisukančio disko, plokštelių padėtis pasikeis, kaip parodyta žemiau.
Kai sąranka įdiegta į besisukantį diską, kaip parodyta, tada masinis rezonavimas sąrankos viduje patirs jėgą, sukeliančią poslinkį vidinėje sąrangoje. Matote, kad visos keturios spyruoklės S1 – S4 deformuojasi dėl šio poslinkio. Šią jėgą, kurią patiria rezonuojanti masė, staiga uždėjus ant besisukančio disko, galima paaiškinti Koriolio efektu.
Jei praleidome sudėtingas detales, galima daryti išvadą, kad dėl staigaus krypties pasikeitimo vidiniame sluoksnyje yra poslinkis. Dėl šio poslinkio keičiasi ir atstumas tarp kondensatoriaus plokščių tiek apatiniame, tiek viršutiniame sluoksniuose. Kaip paaiškinta ankstesniuose pavyzdžiuose, pasikeitus atstumui, keičiasi talpa.
Ir mes galime naudoti šį parametrą matuoti disko, kuriame yra įrenginys, sukimosi greitį.
Daugelis kitų MEMS įrenginių yra sukurti naudojant MEMS technologiją ir jų skaičius taip pat kasdien didėja. Tačiau visi šie prietaisai turi tam tikrą darbo ir dizaino panašumą, todėl suprasdami keletą aukščiau paminėtų pavyzdžių, galime lengvai suprasti kitų panašių MEMS įrenginių veikimą.