- Zariadenia a aplikácie MEMS
- MEMS akcelerometre
- MEMS snímače tlaku
- MEMS mikrofón
- MEMS magnetometer
- MEMS gyroskop
MEMS je skratka pre Micro-Electro-Mechanical Systems a odkazuje sa na zariadenia veľkosti mikrometrov, ktoré majú elektronické komponenty aj mechanické pohyblivé časti. Zariadenia MEMS možno definovať ako zariadenia, ktoré majú:
- Veľkosť v mikrometroch (1 mikrometer až 100 mikrometrov)
- Prietok prúdu v systéme (elektrický)
- A má v sebe pohyblivé časti (mechanické)
Nižšie je obrázok mechanickej časti zariadenia MEMS pod mikroskopom. To nemusí vyzerať úžasne, ale viete, že veľkosť prevodovky je 10 milimetrov, čo je polovica veľkosti ľudských vlasov. Je teda celkom zaujímavé vedieť, ako sú také zložité štruktúry vložené do čipu s veľkosťou iba pár milimetrov.
Zariadenia a aplikácie MEMS
Táto technológia bola prvýkrát predstavená v roku 1965, ale hromadná výroba sa nezačala až do roku 1980. V súčasnosti existuje viac ako 100 miliárd zariadení MEMS, ktoré sú v súčasnosti aktívne v rôznych aplikáciách, a možno ich vidieť v mobilných telefónoch, notebookoch, systémoch GPS, automobiloch atď.
Technológia MEMS je zakomponovaná do mnohých elektronických súčiastok a ich počet zo dňa na deň rastie. Vďaka pokroku vo vývoji lacnejších zariadení MEMS môžeme vidieť, že v budúcnosti prevezmú oveľa viac aplikácií.
Pretože zariadenia MEMS fungujú lepšie ako bežné zariadenia, pokiaľ do hry nepríde technológia s lepším výkonom, MEMS zostane na tróne. V technológii MEMS sú najpozoruhodnejšie prvky mikroskopické snímače a mikroovládače, ktoré sú príslušne kategorizované ako snímače. Tieto meniče prevádzajú energiu z jednej formy do druhej. V prípade mikrosenzorov zariadenie obvykle prevádza nameraný mechanický signál na elektrický signál a mikroaktivátor prevádza elektrický signál na mechanický výstup.
Ďalej je vysvetlených niekoľko typických senzorov založených na technológii MEMS.
- Akcelerometre
- Senzory tlaku
- Mikrofón
- Magnetometer
- Gyroskop
MEMS akcelerometre
Predtým, ako sa pustíme do návrhu, poďme diskutovať o pracovnom princípe použitom pri návrhu akcelerometra MEMS, a preto zvážme nastavenie hmotnostnej pružiny uvedené nižšie.
Tu je hmota zavesená pomocou dvoch pružín v uzavretom priestore a nastavenie sa považuje za pokojové. Teraz, ak sa telo náhle začne pohybovať dopredu, potom hmota zavesená v tele zažíva spätnú silu, ktorá spôsobí posunutie jeho polohy. A z tohto dôvodu sa pružiny deformujú, ako je to znázornené nižšie.
Tento jav musíme zažiť aj my, keď sedíte v akomkoľvek pohybujúcom sa vozidle, ako je auto, autobus, vlak atď., Takže pri navrhovaní akcelerometrov sa používa rovnaký jav.
ale namiesto hmoty použijeme ako pohyblivú časť pripevnenú k pružinám vodivé dosky. Celé nastavenie bude zobrazené nižšie.
V diagrame zvážime kapacitu medzi hornou pohyblivou doskou a pevnou doskou:
C1 = e 0 A / d1
kde d 1 je vzdialenosť medzi nimi.
Tu vidíme, že hodnota kapacity C1 je nepriamo úmerná vzdialenosti medzi vrcholom pohybujúcim sa doskou a pevnou doskou.
Kapacita medzi spodnou pohyblivou doskou a pevnou doskou
C2 = e 0 A / d2
kde d 2 je vzdialenosť medzi nimi
Tu vidíme, že hodnota kapacity C2 je nepriamo úmerná vzdialenosti medzi spodnou pohyblivou doskou a pevnou doskou.
Keď je telo v pokoji, horná aj spodná doska budú v rovnakej vzdialenosti od pevnej dosky, takže kapacita C1 sa bude rovnať kapacite C2. Ak sa ale telo náhle pohne dopredu, platne sa posunú, ako je to znázornené nižšie.
V tomto okamihu sa kapacita C1 zvyšuje, keď sa vzdialenosť medzi hornou doskou a pevnou doskou zmenšuje. Na druhej strane kapacita C2 klesá s rastúcou vzdialenosťou medzi spodnou doskou a pevnou doskou. Toto zvýšenie a zníženie kapacity je lineárne úmerné zrýchleniu na hlavnom telese, takže čím vyššie je zrýchlenie, tým vyššia je zmena a menšie zrýchlenie, tým menšia je zmena.
Táto premenlivá kapacita môže byť pripojená k RC oscilátoru alebo inému obvodu, aby sa získalo príslušné odčítanie prúdu alebo napätia. Po získaní požadovanej hodnoty napätia alebo prúdu môžeme tieto údaje ľahko použiť na ďalšiu analýzu.
Aj keď toto nastavenie možno použiť na úspešné meranie zrýchlenia, je objemné a nepraktické. Ak ale použijeme technológiu MEMS, môžeme celé nastavenie zmenšiť na veľkosť niekoľkých mikrometrov, čím sa zariadenie stane použiteľnejším.
Na vyššie uvedenom obrázku vidíte skutočné nastavenie použité v akcelerometri MEMS. Tu sú dosky viacerých kondenzátorov usporiadané v horizontálnom aj vertikálnom smere na meranie zrýchlenia v oboch smeroch. Doska kondenzátora má veľkosť na niekoľko mikrometrov a celé nastavenie bude mať veľkosť až niekoľko milimetrov, takže tento akcelerometer MEMS môžeme ľahko používať v prenosných zariadeniach napájaných z batérie, ako sú napríklad smartphony.
MEMS snímače tlaku
Všetci vieme, že pri pôsobení tlaku na objekt sa bude namáhať, kým nedosiahne bod zlomu. Toto pretiahnutie je priamo úmerné použitému tlaku až do určitého limitu a táto vlastnosť sa používa na návrh tlakového snímača MEMS. Na nasledujúcom obrázku vidíte konštrukčné riešenie tlakového snímača MEMS.
Tu sú dve vodivé dosky namontované na sklenenom telese a bude medzi nimi podtlak. Jedna doska vodiča je pripevnená a druhá doska je pružná na pohyb pod tlakom. Teraz, ak vezmete kapacitný merač a odčítate hodnotu medzi dvoma výstupnými svorkami, môžete pozorovať hodnotu kapacity medzi dvoma paralelnými doskami, je to preto, lebo celé nastavenie funguje ako paralelný doskový kondenzátor. Pretože funguje ako paralelný doskový kondenzátor, potom ako obvykle platia pre neho všetky vlastnosti typického kondenzátora teraz. V pokojovom stave nazvime kapacitu medzi dvoma doskami C1.
deformuje sa a bude sa pohybovať bližšie k spodnej vrstve, ako je to znázornené na obrázku. Pretože sa vrstvy blížia, zvyšuje sa kapacita medzi dvoma vrstvami. Takže väčšie vzdialenosti znižujú kapacitu a čím menšia je vzdialenosť, tým vyššia je kapacita. Ak spojíme túto kapacitu s RC rezonátorom, môžeme získať frekvenčné signály predstavujúce tlak. Tento signál je možné odovzdať mikrokontroléru na ďalšie spracovanie a spracovanie údajov.
MEMS mikrofón
Konštrukcia mikrofónu MEMS je podobná tlakovému snímaču a na nasledujúcom obrázku je znázornená vnútorná štruktúra mikrofónu.
Uvažujme, že nastavenie je v pokoji a za týchto podmienok je kapacita medzi pevnou doskou a membránou C1.
Ak je v prostredí hluk, zvuk vstupuje do zariadenia prívodom. Tento zvuk spôsobí, že membrána vibruje, čím sa vzdialenosť medzi membránou a pevnou doskou neustále mení. To zase spôsobí, že kapacita C1 sa bude neustále meniť. Ak spojíme túto meniacu sa kapacitu s príslušným procesorovým čipom, môžeme získať elektrický výstup pre meniacu sa kapacitu. Pretože meniaca sa kapacita priamo súvisí predovšetkým so šumom, môže sa tento elektrický signál použiť ako prevedená forma vstupného zvuku.
MEMS magnetometer
Na meranie magnetického poľa Zeme sa používa magnetometer MEMS. Zariadenie je skonštruované na základe Hallovho efektu alebo magneticko-rezistívneho efektu. Väčšina magnetometrov MEMS používa Hall Effect, takže si povieme, ako sa táto metóda používa na meranie sily magnetického poľa. Z tohto dôvodu uvažujme o vodivej doske a nechajme konce jednej strany spojené s batériou, ako je to znázornené na obrázku.
Tu vidíte smer toku elektrónov, ktorý je od záporného pólu k kladnému pólu. Teraz, ak sa magnet priblíži k hornej časti vodiča, elektróny a protóny vo vodiči sa distribuujú, ako je to znázornené na nasledujúcom obrázku.
Tu sa protóny nesúce kladný náboj zhromažďujú na jednej strane roviny, zatiaľ čo elektróny nesúce negatívny náboj sa zhromažďujú na presne opačnej strane. V tejto chvíli, keď vezmeme voltmetr a spojíme na oboch koncoch, dostaneme údaj. Toto čítanie napätia V1 je úmerné intenzite poľa, ktorú zažíva vodič na vrchu. Úplný fenomén generovania napätia aplikáciou prúdu a magnetického poľa sa nazýva Hallov jav.
Ak je jednoduchý systém navrhnutý pomocou MEMS, na základe vyššie uvedeného modelu potom získame prevodník, ktorý sníma intenzitu poľa a poskytuje lineárne proporcionálny elektrický výkon.
MEMS gyroskop
Gyroskop MEMS je veľmi populárny a používa sa v mnohých aplikáciách. Napríklad gyroskop MEMS nájdeme v lietadlách, systémoch GPS, smartfónoch atď. MEMS gyroskop je navrhnutý na základe Coriolisovho efektu. Pre pochopenie princípu a fungovania gyroskopu MEMS sa pozrime na jeho vnútornú štruktúru.
Tu S1, S2, S3 a S4 sú pružiny používané na pripojenie vonkajšej slučky a druhej slučky. Zatiaľ čo S5, S6, S7 a S8 sú pružiny používané na pripojenie druhej slučky a hmoty „M“. Táto hmota bude rezonovať pozdĺž osi y, ako je znázornené v smeroch na obrázku. Tento rezonančný efekt sa tiež zvyčajne dosahuje použitím elektrostatickej príťažlivej sily v zariadeniach MEMS.
V pokojových podmienkach bude kapacita medzi ľubovoľnými dvoma doskami na vrchnej vrstve alebo na dne rovnaká a zostane rovnaká, kým nedôjde k zmene vzdialenosti medzi týmito doskami.
Predpokladajme, že ak namontujeme túto zostavu na rotujúci disk, dôjde k určitej zmene polohy dosiek, ako je to znázornené nižšie.
Keď je zariadenie nainštalované na rotujúcom disku, ako je to znázornené, potom hmota rezonujúca vo vnútri zariadenia zažije silu spôsobujúcu posun vo vnútornom zariadení. Vidíte deformovať všetky štyri pružiny S1 až S4 z dôvodu tohto posunutia. Túto silu, ktorá zažíva rezonančná hmota pri náhlom umiestnení na rotujúci disk, možno vysvetliť Coriolisovým efektom.
Ak preskočíme zložité podrobnosti, možno dospieť k záveru, že z dôvodu náhlej zmeny smeru je vo vnútornej vrstve prítomný posun. Toto posunutie tiež spôsobí zmenu vzdialenosti medzi doskami kondenzátora v spodnej aj vrchnej vrstve. Ako je vysvetlené v predchádzajúcich príkladoch, zmena vzdialenosti spôsobí zmenu kapacity.
A týmto parametrom môžeme zmerať rýchlosť otáčania disku, na ktorom je zariadenie umiestnené.
Mnoho ďalších zariadení MEMS je navrhovaných pomocou technológie MEMS a ich počet sa tiež každým dňom zvyšuje. Všetky tieto zariadenia majú ale určitú podobnosť v práci aj dizajne, takže pochopením niekoľkých vyššie spomenutých príkladov môžeme ľahko porozumieť fungovaniu iných podobných zariadení MEMS.