- Dispozitive și aplicații MEMS
- Accelerometre MEMS
- Senzori de presiune MEMS
- Microfon MEMS
- Magnetometru MEMS
- Giroscop MEMS
MEMS înseamnă sisteme micro-electromecanice și se referă la dispozitive de dimensiuni micrometrice care au atât componente electronice, cât și piese mobile mecanice. Dispozitivele MEMS pot fi definite ca dispozitivele care au:
- Dimensiune în micrometru (de la 1 micrometru la 100 micrometru)
- Fluxul de curent în sistem (electric)
- Și are piese în mișcare în interior (mecanic)
Mai jos este imaginea părții mecanice a unui dispozitiv MEMS la microscop. Este posibil să nu pară uimitor, dar știți că dimensiunea uneltelor este de 10 micometri, care este jumătate din mărimea părului uman. Deci, este destul de interesant să știm cum astfel de structuri complexe sunt încorporate într-o dimensiune a cipului de doar câțiva milimetri.
Dispozitive și aplicații MEMS
Această tehnologie a fost introdusă pentru prima dată în anii 1965, dar producția de masă nu a început până în 1980. În prezent, există mai mult de 100 de miliarde de dispozitive MEMS active în prezent în diverse aplicații și pot fi văzute în telefoane mobile, laptopuri, sisteme GPS, automobile etc.
Tehnologia MEMS este încorporată în multe componente electronice, iar numărul lor crește de la o zi la alta. Odată cu progresul în dezvoltarea dispozitivelor MEMS mai ieftine, le putem vedea preluând multe alte aplicații în viitor.
Deoarece dispozitivele MEMS funcționează mai bine decât dispozitivele normale, cu excepția cazului în care intră în joc o tehnologie mai performantă, MEMS va rămâne pe tron. În tehnologia MEMS, cele mai importante elemente sunt micro-senzorii și micro-actuatorii care sunt clasificați corespunzător ca traductori. Acești traductori convertesc energia de la o formă la alta. În cazul microsenzorilor, dispozitivul convertește de obicei un semnal mecanic măsurat într-un semnal electric, iar un microactuator convertește un semnal electric în ieșire mecanică.
Câțiva senzori tipici bazați pe tehnologia MEMS sunt explicați mai jos.
- Accelerometre
- Senzori de presiune
- Microfon
- Magnetometru
- Giroscop
Accelerometre MEMS
Înainte de a intra în proiectare, să discutăm principiul de funcționare utilizat în proiectarea accelerometrului MEMS și, pentru aceasta, să luăm în considerare un set de arcuri de masă prezentat mai jos.
Aici o masă este suspendată cu două arcuri într-un spațiu închis și setarea este considerată a fi în repaus. Acum, dacă corpul începe brusc să avanseze, atunci masa suspendată în corp experimentează o forță înapoi care provoacă o deplasare în poziția sa. Și din cauza acestei deplasări arcurile se deformează așa cum se arată mai jos.
Acest fenomen trebuie, de asemenea, experimentat de noi atunci când stăm în orice vehicul în mișcare, cum ar fi mașina, autobuzul și trenul, etc., astfel încât același fenomen este utilizat și în proiectarea accelerometrelor.
dar în loc de masă, vom folosi plăci conductoare ca parte mobilă atașată arcurilor. Întreaga configurare va fi așa cum se arată mai jos.
În diagramă, vom lua în considerare capacitatea dintre placa mobilă superioară și o placă fixă:
C1 = e 0 A / d1
unde d 1 este distanța dintre ele.
Aici putem vedea că valoarea capacității C1 este invers proporțională cu distanța dintre partea superioară care deplasează placa și placa fixă.
Capacitatea dintre placa mobilă inferioară și placa fixă
C2 = e 0 A / d2
unde d 2 este distanța dintre ele
Aici putem vedea că valoarea capacității C2 este invers proporțională cu distanța dintre placa mobilă inferioară și placa fixă.
Când corpul este în repaus, atât plăcile superioare cât și cele inferioare vor fi la distanță egală de placa fixă, astfel încât capacitatea C1 va fi egală cu capacitatea C2. Dar dacă corpul se mișcă brusc înainte, atunci plăcile se deplasează așa cum se arată mai jos.
În acest moment, capacitatea C1 crește pe măsură ce distanța dintre placa superioară și placa fixă scade. Pe de altă parte, capacitatea, C2, scade odată cu creșterea distanței dintre placa inferioară și placa fixă. Această creștere și scădere a capacității este liniar proporțională cu accelerația de pe corpul principal, deci accelerația este mai mare, schimbarea este mai mare și accelerația este mai mică, schimbarea este mai mică.
Această capacitate variabilă poate fi conectată la un oscilator RC sau la un alt circuit pentru a obține citirea corespunzătoare a curentului sau a tensiunii. După obținerea valorii de tensiune sau curent dorite, putem folosi aceste date pentru analize ulterioare cu ușurință.
Deși această configurație poate fi utilizată pentru măsurarea cu succes a accelerației, aceasta este voluminoasă și nu este practică. Dar dacă folosim tehnologia MEMS, putem micșora întreaga configurație la o dimensiune de câțiva micrometri, făcând dispozitivul mai aplicabil.
În figura de mai sus, puteți vedea setarea reală utilizată într-un accelerometru MEMS. Aici, plăcile de condensatori multiple sunt organizate atât în direcție orizontală, cât și verticală pentru a măsura accelerația în ambele direcții. Placa condensatorului este dimensionată la câțiva micrometri și întreaga configurare va avea dimensiuni de până la câțiva milimetri, astfel încât să putem utiliza cu ușurință acest accelerometru MEMS în dispozitive portabile cu baterie, cum ar fi smartphone-urile.
Senzori de presiune MEMS
Știm cu toții că, atunci când se aplică presiune asupra unui obiect, se va tensiona până când va atinge un punct de rupere. Această tulpină este direct proporțională cu presiunea aplicată până la o anumită limită și această proprietate este utilizată pentru a proiecta un senzor de presiune MEMS. În figura de mai jos puteți vedea proiectarea structurală a unui senzor de presiune MEMS.
Aici două plăci conductoare sunt montate pe un corp de sticlă și va exista un vid între ele. O placă conductor este fixă, iar cealaltă placă este flexibilă pentru a se deplasa sub presiune. Acum, dacă luați un contor de capacitate și faceți o citire între două terminale de ieșire, atunci puteți observa o valoare a capacității între două plăci paralele, acest lucru se datorează faptului că întreaga configurare acționează ca un condensator de placă paralelă. Deoarece acționează ca un condensator cu placă paralelă, atunci, ca de obicei, toate proprietățile unui condensator tipic i se aplică acum. În condiții de repaus, să numim capacitatea dintre două plăci să fie C1.
se va deforma și se va apropia de stratul inferior așa cum se arată în figură. Deoarece straturile se apropie, capacitatea dintre două straturi crește. Deci distanțele mai mari scad capacitatea și scad distanța mai mare capacitatea. Dacă conectăm această capacitate la un rezonator RC atunci putem obține semnale de frecvență care reprezintă presiunea. Acest semnal poate fi dat unui microcontroler pentru prelucrarea ulterioară și prelucrarea datelor.
Microfon MEMS
Designul microfonului MEMS este similar cu senzorul de presiune, iar figura de mai jos prezintă structura internă a microfonului.
Să luăm în considerare configurarea este în repaus și în aceste condiții capacitatea dintre placa fixă și diafragmă este C1.
Dacă există zgomot în mediu, atunci sunetul pătrunde în dispozitiv printr-o intrare. Acest sunet face ca membrana să vibreze, făcând ca distanța dintre diafragmă și placa fixă să se schimbe continuu. Acest lucru, la rândul său, determină modificarea continuă a capacității C1. Dacă conectăm această capacitate de schimbare la cipul de procesare corespunzător, putem obține ieșirea electrică pentru capacitatea de schimbare. Deoarece capacitatea de schimbare se referă direct la zgomot, acest semnal electric poate fi utilizat ca formă convertită a sunetului de intrare.
Magnetometru MEMS
Magnetometrul MEMS este utilizat pentru măsurarea câmpului magnetic al Pământului. Dispozitivul este construit pe baza efectului Hall sau a efectului magneto-rezistiv. Majoritatea magnetometrelor MEMS folosesc efectul Hall, așa că vom discuta despre modul în care această metodă este utilizată pentru a măsura intensitatea câmpului magnetic. Pentru aceasta, să luăm în considerare o placă conductivă și să avem capetele unei părți conectate la o baterie, așa cum se arată în figură.
Aici puteți vedea direcția de curgere a electronilor, care este de la terminalul negativ la terminalul pozitiv. Acum, dacă un magnet este apropiat de vârful conductorului, atunci electronii și protonii din conductor se distribuie așa cum se arată în figura de mai jos.
Aici protonii care poartă sarcină pozitivă sunt adunați pe o parte a planului, în timp ce electronii care poartă sarcină negativă sunt adunați exact pe partea opusă. În acest moment, dacă luăm un voltmetru și ne conectăm la ambele capete, vom primi o citire. Această citire a tensiunii V1 este proporțională cu intensitatea câmpului experimentată de conductorul din partea de sus. Fenomenul complet al generării de tensiune prin aplicarea curentului și câmpului magnetic se numește Efect Hall.
Dacă un sistem simplu este proiectat utilizând MEMS, pe baza modelului de mai sus, atunci vom obține un traductor care detectează intensitatea câmpului și oferă o ieșire electrică proporțională liniar.
Giroscop MEMS
Giroscopul MEMS este foarte popular și este utilizat în multe aplicații. De exemplu, putem găsi giroscopul MEMS în avioane, sisteme GPS, smartphone-uri etc. Giroscopul MEMS este proiectat pe baza efectului Coriolis. Pentru a înțelege principiul și funcționarea giroscopului MEMS, să analizăm structura sa internă.
Aici S1, S2, S3 și S4 sunt arcurile utilizate pentru conectarea buclei exterioare și a doua buclă. În timp ce S5, S6, S7 și S8 sunt arcuri utilizate pentru conectarea celei de-a doua bucle și masa „M”. Această masă va răsuna de-a lungul axei y așa cum se arată în direcțiile din figură. De asemenea, acest efect de rezonanță se obține de obicei prin utilizarea forței de atracție electrostatică în dispozitivele MEMS.
În condiții de repaus, capacitatea dintre oricare două plăci de pe stratul superior sau inferior va fi aceeași și va rămâne aceeași până când va exista o schimbare a distanței între aceste plăci.
Să presupunem că dacă montăm acest set pe un disc rotativ, atunci va exista o anumită modificare a poziției plăcilor, așa cum se arată mai jos.
Când setarea este instalată pe un disc rotativ așa cum se arată, atunci rezonarea în masă în interiorul setării va experimenta o forță care provoacă deplasarea în setarea interioară. Puteți vedea toate cele patru arcuri S1 până la S4 deformate din cauza acestei deplasări. Această forță experimentată prin rezonarea masei atunci când este plasată brusc pe un disc rotativ poate fi explicată prin Efectul Coriolis.
Dacă omitem detaliile complexe, atunci se poate concluziona că, din cauza schimbării bruște de direcție, există o deplasare prezentă în stratul interior. Această deplasare determină, de asemenea, modificarea distanței dintre plăcile condensatorilor de pe straturile inferioare și superioare. După cum sa explicat în exemplele anterioare, schimbarea distanței determină modificarea capacității.
Și putem folosi acest parametru pentru a măsura viteza de rotație a discului pe care este plasat dispozitivul.
Multe alte dispozitive MEMS sunt proiectate folosind tehnologia MEMS și numărul lor crește, de asemenea, în fiecare zi. Dar toate aceste dispozitive au o anumită similitudine în ceea ce privește funcționarea și proiectarea, astfel încât, înțelegând câteva exemple menționate mai sus, putem înțelege cu ușurință funcționarea altor dispozitive MEMS similare.