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

MEMS-komponenter (russisk MEMS) — betyder mikroelektromekaniske systemer. Det vigtigste kendetegn ved dem er, at de indeholder en bevægelig 3D-struktur. Den bevæger sig på grund af ydre påvirkninger. Derfor bevæger sig ikke kun elektroner i MEMS-komponenter, men også i bestanddelene.

MEMS-komponenter er et af elementerne i mikroelektronik og mikromekanik, ofte fremstillet på et siliciumsubstrat. I strukturen ligner de integrerede enkelt-chip kredsløb. Typisk varierer disse MEMS mekaniske dele i størrelse fra enheder til hundredvis af mikrometer, og selve krystallen er fra 20 μm til 1 mm.

Figur 1 er et eksempel på en MEMS-struktur

Eksempler på brug:

1. Produktion af forskellige mikrokredsløb.

2. MEMS-oscillatorer udskiftes nogle gange kvartsresonatorer.

3. Produktion af sensorer, herunder:

• accelerometer;

• gyroskop

• vinkelhastighedssensor;

• magnetometrisk sensor;

• barometre;

• miljøanalytikere;

• transducere til måling af radiosignaler.

Materialer, der anvendes i MEMS-strukturer

De vigtigste materialer, som MEMS-komponenter er lavet af, omfatter:

1. Silicium. I øjeblikket er de fleste elektroniske komponenter lavet af dette materiale. Det har en række fordele, herunder: spredning, styrke, ændrer praktisk talt ikke dets egenskaber under deformation. Fotolitografi efterfulgt af ætsning er den primære fremstillingsmetode for silicium MEMS.

2. Polymerer. Da silicium, selv om det er et almindeligt materiale, er relativt dyrt, kan polymerer i nogle tilfælde bruges til at erstatte det. De fremstilles industrielt i store mængder og med forskellige egenskaber. De vigtigste fremstillingsmetoder for polymer MEMS er sprøjtestøbning, stempling og stereolitografi.

Produktionsmængder baseret på eksemplet med en stor producent

For et eksempel på efterspørgslen efter disse komponenter, lad os tage ST Microelectronics. Den foretager en stor investering i MEMS-teknologi, dens fabrikker og anlæg producerer op til 3.000.000 elementer om dagen.

Figur 2 — Produktionsfaciliteter for en virksomhed, der udvikler MEMS-komponenter

Produktionscyklussen er opdelt i 5 hovedfaser:

1. Fremstilling af chips.

2. Test.

3. Pakning i kufferter.

4. Afsluttende test.

5. Levering til forhandlere.

Figur 3 — produktionscyklus

Eksempler på MEMS-sensorer af forskellige typer

Lad os tage et kig på nogle af de populære MEMS-sensorer.

Accelerometer Dette er en enhed, der måler lineær acceleration. Det bruges til at bestemme placeringen eller bevægelsen af ​​et objekt. Det bruges i mobilteknologi, biler og meget mere.

Figur 4 — Tre akser genkendt af accelerometeret

Figur 5 — Intern struktur af MEMS accelerometeret

Figur 6 — Accelerometerstruktur forklaret

Accelerometerfunktioner ved hjælp af LIS3DH-komponenteksemplet:

1,3-akse accelerometer.

2. Arbejder med SPI- og I2C-grænseflader.

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

4. Høj opløsning (op til 12 bit).

5. Lavt forbrug: 2 µA i laveffekttilstand (1Hz), 11 µA i normal tilstand (50Hz) og 5 µA i nedlukningstilstand.

6. Arbejdsfleksibilitet:

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

• Båndbredde op til 2,5 kHz;

• 32-niveau FIFO (16-bit);

• 3 ADC-indgange;

• Temperatur måler;

• 1,71 til 3,6 V strømforsyning;

• Selvdiagnosefunktion;

• Urkasse 3 x 3 x 1 mm. 2.

Gyroskop Det er en enhed, der måler vinkelforskydning. Den kan bruges til at måle rotationsvinklen om aksen. Sådanne enheder kan bruges som et navigations- og flyvekontrolsystem for fly: fly og forskellige UAV'er eller til at bestemme positionen af ​​mobile enheder.

Figur 7 — Data målt med et gyroskop

Figur 8 — Intern struktur

Overvej f.eks. egenskaberne ved L3G3250A MEMS-gyroskopet:

• 3-akset analogt gyroskop;

• Immunitet over for analog støj og vibrationer;

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

• Nedlukning og dvaletilstand;

• Selvdiagnosefunktion;

• fabrik kalibrering;

• Høj følsomhed: 2 mV / ° / s ved 625 ° / s

• Indbygget lavpasfilter

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

• Høj påvirkningstilstand: 10000g på 0,1 ms

• Temperaturområde -40 til 85 °C

• Forsyningsspænding: 2,4 — 3,6V

• Forbrug: 6,3 mA i normal tilstand, 2 mA i dvaletilstand og 5 μA i nedlukningstilstand

• Etui 3,5 x 3 x 1 LGA

konklusioner

På MEMS-sensormarkedet er der ud over eksemplerne diskuteret i rapporten andre elementer, herunder:

• Fleraksede (f.eks. 9-aksede) sensorer

• kompasser;

• Sensorer til måling af miljøet (tryk og temperatur);

• Digitale mikrofoner og meget mere.

Moderne industrielle højpræcisions mikroelektromekaniske systemer, der aktivt bruges i køretøjer og bærbare bærbare computere.