Mikroelektromekaaniset järjestelmät (MEMS-komponentit) ja niihin perustuvat anturit

MEMS-komponentit (venäläinen MEMS) - tarkoittaa mikroelektromekaanisia järjestelmiä. Niiden tärkein erottuva piirre on, että ne sisältävät liikkuvan 3D-rakenteen. Se liikkuu ulkoisten vaikutusten takia. Siksi elektronit eivät liiku vain MEMS-komponenteissa, vaan myös rakenneosissa.

MEMS-komponentit ovat yksi mikroelektroniikan ja mikromekaniikan elementeistä, usein valmistettu piisubstraatille. Rakenteeltaan ne muistuttavat yksisiruisia integroituja piirejä. Tyypillisesti näiden MEMS-mekaanisten osien koko vaihtelee yksiköistä satoihin mikrometreihin, ja itse kide on 20 μm - 1 mm.

Kuva 1 on esimerkki MEMS-rakenteesta

Käyttöesimerkkejä:

1. Erilaisten mikropiirien valmistus.

2. MEMS-oskillaattorit vaihdetaan joskus kvartsiresonaattorit.

3. Antureiden valmistus, mukaan lukien:

• kiihtyvyysmittari;

• gyroskooppi

• kulmanopeusanturi;

• magnetometrinen anturi;

• barometrit;

• ympäristöanalyytikot;

• radiosignaalin mittausmuuntimet.

MEMS-rakenteissa käytetyt materiaalit

Tärkeimmät materiaalit, joista MEMS-komponentit valmistetaan, ovat:

1. Pii. Tällä hetkellä suurin osa elektronisista komponenteista on valmistettu tästä materiaalista. Sillä on useita etuja, mukaan lukien: leviäminen, lujuus, ei käytännössä muuta ominaisuuksiaan muodonmuutoksen aikana. Fotolitografia, jota seuraa etsaus, on piin MEMS:n ensisijainen valmistusmenetelmä.

2. Polymeerit. Koska pii, vaikka se on yleinen materiaali, on suhteellisen kallista, joissain tapauksissa voidaan käyttää polymeerejä sen korvaamiseen. Niitä valmistetaan teollisesti suuria määriä ja eri ominaisuuksilla. Polymeeri-MEMS:n tärkeimmät valmistusmenetelmät ovat ruiskupuristus, leimaaminen ja stereolitografia.

Tuotantomäärät suuren valmistajan esimerkin perusteella

Esimerkkinä näiden komponenttien kysynnästä otetaan ST Microelectronics. Se tekee suuren investoinnin MEMS-teknologiaan, sen tehtaat ja tehtaat tuottavat jopa 3 000 000 elementtiä päivässä.

Kuva 2 – MEMS-komponentteja kehittävän yrityksen tuotantolaitokset

Tuotantosykli on jaettu viiteen päävaiheeseen:

1. Sirujen tuotanto.

2. Testaus.

3. Pakkaus koteloihin.

4. Lopullinen testaus.

5. Toimitus jälleenmyyjille.

Kuva 3 – tuotantosykli

Esimerkkejä erityyppisistä MEMS-antureista

Katsotaanpa joitain suosittuja MEMS-antureita.

Kiihtyvyysmittari Tämä on laite, joka mittaa lineaarista kiihtyvyyttä. Sitä käytetään kohteen sijainnin tai liikkeen määrittämiseen. Sitä käytetään mobiiliteknologiassa, autoissa ja muissa.

Kuva 4 – Kolme kiihtyvyysmittarin tunnistamaa akselia

Kuva 5 – MEMS-kiihtyvyysmittarin sisäinen rakenne

Kuva 6 – Kiihtyvyysanturin rakenne selitetty

Kiihtyvyysmittarin ominaisuudet käyttämällä LIS3DH-komponenttiesimerkkiä:

1.3-akselinen kiihtyvyysanturi.

2. Toimii SPI- ja I2C-liitäntöjen kanssa.

3. Mittaus 4 asteikolla: ± 2, 4, 8 ja 16g.

4. Korkea resoluutio (jopa 12 bittiä).

5. Pieni kulutus: 2 µA matalatehotilassa (1 Hz), 11 µA normaalitilassa (50 Hz) ja 5 µA sammutustilassa.

6. Työn joustavuus:

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

• Kaistanleveys jopa 2,5 kHz;

• 32-tason FIFO (16-bittinen);

• 3 ADC-tuloa;

• Lämpösensori;

• 1,71 - 3,6 V virtalähde;

• Itsediagnoositoiminto;

• Kotelo 3 x 3 x 1 mm. 2.

Gyroskooppi Se on laite, joka mittaa kulmasiirtymää. Sitä voidaan käyttää kiertokulman mittaamiseen akselin ympäri. Tällaisia ​​laitteita voidaan käyttää lentokoneiden: lentokoneiden ja erilaisten UAV-laitteiden navigointi- ja lennonohjausjärjestelmänä tai mobiililaitteiden sijainnin määrittämiseen.

Kuva 7 – Gyroskoopilla mitatut tiedot

Kuva 8 – Sisäinen rakenne

Harkitse esimerkiksi L3G3250A MEMS-gyroskoopin ominaisuuksia:

• 3-akselinen analoginen gyroskooppi;

• Analogisen melun ja tärinän sieto;

• 2 mitta-asteikkoa: ± 625 ° / s ja ± 2500 ° / s;

• Sammutus- ja lepotilatilat;

• Itsediagnoositoiminto;

• tehdas kalibrointi;

• Suuri herkkyys: 2 mV / ° / s nopeudella 625 ° / s

• Sisäänrakennettu alipäästösuodatin

• Stabiilisuus korkeassa lämpötilassa (0,08 ° / s / ° C)

• Iskutila: 10 000 g 0,1 ms:ssa

• Lämpötila-alue -40 - 85 °C

• Syöttöjännite: 2,4 - 3,6 V

• Kulutus: 6,3 mA normaalitilassa, 2 mA lepotilassa ja 5 μA sammutustiloissa

• Kotelo 3,5 x 3 x 1 LGA

johtopäätöksiä

MEMS-anturimarkkinoilla on raportissa käsiteltyjen esimerkkien lisäksi muita elementtejä, kuten:

• Moniakseliset (esim. 9-akseliset) anturit

• Kompassit;

• Anturit ympäristön mittaamiseen (paine ja lämpötila);

• Digitaaliset mikrofonit ja paljon muuta.

Nykyaikaiset teolliset korkean tarkkuuden mikroelektromekaaniset järjestelmät, joita käytetään aktiivisesti ajoneuvoissa ja kannettavissa tietokoneissa.