Μικροηλεκτρομηχανικά συστήματα (εξαρτήματα MEMS) και αισθητήρες που βασίζονται σε αυτά

Εξαρτήματα MEMS (ρωσικά MEMS) — σημαίνει μικροηλεκτρομηχανικά συστήματα. Το κύριο χαρακτηριστικό σε αυτά είναι ότι περιέχουν μια κινητή τρισδιάστατη δομή. Κινείται λόγω εξωτερικών επιρροών. Επομένως, όχι μόνο τα ηλεκτρόνια κινούνται στα συστατικά του MEMS, αλλά και στα συστατικά μέρη.

Τα εξαρτήματα MEMS είναι ένα από τα στοιχεία της μικροηλεκτρονικής και της μικρομηχανικής, που συχνά κατασκευάζονται σε υπόστρωμα πυριτίου. Στη δομή, μοιάζουν με ολοκληρωμένα κυκλώματα ενός τσιπ. Συνήθως, αυτά τα μηχανικά μέρη MEMS κυμαίνονται σε μέγεθος από μονάδες έως εκατοντάδες μικρόμετρα και ο ίδιος ο κρύσταλλος είναι από 20 μm έως 1 mm.

Το σχήμα 1 είναι ένα παράδειγμα δομής MEMS

Παραδείγματα χρήσης:

1. Παραγωγή διαφόρων μικροκυκλωμάτων.

2. Οι ταλαντωτές MEMS μερικές φορές αντικαθίστανται συντονιστές χαλαζία.

3. Παραγωγή αισθητήρων, συμπεριλαμβανομένων:

• Επιταχυνσιόμετρο?

• γυροσκόπιο

• αισθητήρας γωνιακής ταχύτητας.

• μαγνητομετρικός αισθητήρας;

• βαρόμετρα?

• περιβαλλοντικοί αναλυτές·

• μετατροπείς μέτρησης ραδιοφωνικού σήματος.

Υλικά που χρησιμοποιούνται σε δομές MEMS

Τα κύρια υλικά από τα οποία κατασκευάζονται τα εξαρτήματα MEMS περιλαμβάνουν:

1. Πυρίτιο. Επί του παρόντος, η πλειοψηφία των ηλεκτρονικών εξαρτημάτων είναι κατασκευασμένα από αυτό το υλικό. Έχει μια σειρά από πλεονεκτήματα, όπως: εξάπλωση, αντοχή, πρακτικά δεν αλλάζει τις ιδιότητές του κατά την παραμόρφωση. Η φωτολιθογραφία ακολουθούμενη από χάραξη είναι η κύρια μέθοδος κατασκευής για MEMS πυριτίου.

2. Πολυμερή. Δεδομένου ότι το πυρίτιο, αν και ένα κοινό υλικό, είναι σχετικά ακριβό, σε ορισμένες περιπτώσεις μπορούν να χρησιμοποιηθούν πολυμερή για την αντικατάστασή του. Παράγονται βιομηχανικά σε μεγάλες ποσότητες και με διαφορετικά χαρακτηριστικά. Οι κύριες μέθοδοι κατασκευής για το πολυμερές MEMS είναι η χύτευση με έγχυση, η σφράγιση και η στερεολιθογραφία.

Όγκοι παραγωγής με βάση το παράδειγμα ενός μεγάλου κατασκευαστή

Για ένα παράδειγμα της ζήτησης για αυτά τα εξαρτήματα, ας πάρουμε την ST Microelectronics. Κάνει μια μεγάλη επένδυση στην τεχνολογία MEMS, τα εργοστάσια και τα εργοστάσιά της παράγουν έως και 3.000.000 στοιχεία την ημέρα.

Σχήμα 2 — Εγκαταστάσεις παραγωγής μιας εταιρείας που αναπτύσσει εξαρτήματα MEMS

Ο κύκλος παραγωγής χωρίζεται σε 5 κύρια στάδια:

1. Παραγωγή τσιπς.

2. Δοκιμές.

3. Συσκευασία σε θήκες.

4. Τελική δοκιμή.

5. Παράδοση στους αντιπροσώπους.

Σχήμα 3 — κύκλος παραγωγής

Παραδείγματα αισθητήρων MEMS διαφορετικών τύπων

Ας ρίξουμε μια ματιά σε μερικούς από τους δημοφιλείς αισθητήρες MEMS.

Επιταχυνσιόμετρο Αυτή είναι μια συσκευή που μετρά τη γραμμική επιτάχυνση. Χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό της θέσης ή της κίνησης ενός αντικειμένου. Χρησιμοποιείται σε κινητή τεχνολογία, αυτοκίνητα και πολλά άλλα.

Εικόνα 4 — Τρεις άξονες που αναγνωρίζονται από το επιταχυνσιόμετρο

Εικόνα 5 — Εσωτερική δομή του επιταχυνσιόμετρου MEMS

Εικόνα 6 — Επεξήγηση της δομής του επιταχυνσιόμετρου

Λειτουργίες επιταχυνσιόμετρου χρησιμοποιώντας το παράδειγμα στοιχείου LIS3DH:

Επιταχυνσιόμετρο 1,3 άξονα.

2. Λειτουργεί με διεπαφές SPI και I2C.

3. Μέτρηση σε 4 κλίμακες: ± 2, 4, 8 και 16g.

4. Υψηλή ανάλυση (έως 12 bit).

5. Χαμηλή κατανάλωση: 2 μA σε λειτουργία χαμηλής ισχύος (1Hz), 11 μA σε κανονική λειτουργία (50Hz) και 5 μA σε λειτουργία τερματισμού λειτουργίας.

6. Ευελιξία εργασίας:

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

• Εύρος ζώνης έως 2,5 kHz.

• FIFO 32 επιπέδων (16-bit).

• 3 είσοδοι ADC.

• Αισθητήρας θερμοκρασίας;

• Τροφοδοτικό 1,71 έως 3,6 V.

• Λειτουργία αυτοδιάγνωσης;

• Θήκη 3 x 3 x 1 mm. 2.

Γυροσκόπιο Είναι μια συσκευή που μετρά τη γωνιακή μετατόπιση. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μέτρηση της γωνίας περιστροφής γύρω από τον άξονα. Τέτοιες συσκευές μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως σύστημα πλοήγησης και ελέγχου πτήσης για αεροσκάφη: αεροπλάνα και διάφορα UAV ή για τον προσδιορισμό της θέσης των κινητών συσκευών.

Εικόνα 7 — Δεδομένα μετρημένα με γυροσκόπιο

Εικόνα 8 — Εσωτερική δομή

Για παράδειγμα, εξετάστε τα χαρακτηριστικά του γυροσκόπιου L3G3250A MEMS:

• Αναλογικό γυροσκόπιο 3 αξόνων.

• Ανοσία σε αναλογικό θόρυβο και κραδασμούς.

• 2 κλίμακες μέτρησης: ± 625 ° / s και ± 2500 ° / s.

• Λειτουργίες τερματισμού λειτουργίας και ύπνου.

• Λειτουργία αυτοδιάγνωσης;

• εργοστασιακή βαθμονόμηση?

• Υψηλή ευαισθησία: 2 mV / ° / s σε 625 ° / s

• Ενσωματωμένο χαμηλοπερατό φίλτρο

• Σταθερότητα σε υψηλή θερμοκρασία (0,08 ° / s / ° C)

• Κατάσταση υψηλής πρόσκρουσης: 10000g σε 0,1ms

• Εύρος θερμοκρασίας -40 έως 85 °C

• Τάση τροφοδοσίας: 2,4 — 3,6 V

• Κατανάλωση: 6,3 mA σε κανονική λειτουργία, 2 mA σε κατάσταση αναστολής λειτουργίας και 5 μA σε λειτουργίες τερματισμού λειτουργίας

• Θήκη 3,5 x 3 x 1 LGA

συμπεράσματα

Στην αγορά αισθητήρων MEMS, εκτός από τα παραδείγματα που συζητήθηκαν στην έκθεση, υπάρχουν και άλλα στοιχεία όπως:

• Αισθητήρες πολλαπλών αξόνων (π.χ. 9 αξόνων).

• Διαβήτης;

• Αισθητήρες για τη μέτρηση του περιβάλλοντος (πίεση και θερμοκρασία).

• Ψηφιακά μικρόφωνα και πολλά άλλα.

Σύγχρονα βιομηχανικά μικροηλεκτρομηχανικά συστήματα υψηλής ακρίβειας που χρησιμοποιούνται ενεργά σε οχήματα και φορητούς φορητούς υπολογιστές.