Sisteme microelectromecanice (componente MEMS) și senzori bazați pe acestea

Componente MEMS (MEMS rusesc) - înseamnă sisteme microelectromecanice. Principala caracteristică distinctivă a acestora este că conțin o structură 3D mobilă. Se mișcă din cauza influențelor externe. Prin urmare, nu numai electronii se mișcă în componentele MEMS, ci și în părțile constitutive.

Componentele MEMS sunt unul dintre elementele microelectronicii și micromecanicii, adesea fabricate pe un substrat de siliciu. În structură, ele seamănă cu circuitele integrate cu un singur cip. De obicei, aceste părți mecanice MEMS variază în dimensiune de la unități la sute de micrometri, iar cristalul în sine este de la 20 μm la 1 mm.

Figura 1 este un exemplu de structură MEMS

Exemple de utilizare:

1. Producerea diferitelor microcircuite.

2. Oscilatoarele MEMS sunt uneori înlocuite rezonatoare cu cuarț.

3. Producția de senzori, inclusiv:

• accelerometru;

• giroscop

• senzor de viteza unghiulara;

• senzor magnetometric;

• barometre;

• analiști de mediu;

• traductoare de măsurare a semnalului radio.

Materiale utilizate în structurile MEMS

Principalele materiale din care sunt fabricate componentele MEMS includ:

1. Siliciu. În prezent, majoritatea componentelor electronice sunt realizate din acest material. Are o serie de avantaje, printre care: răspândire, rezistență, practic nu își schimbă proprietățile în timpul deformării. Fotolitografia urmată de gravare este metoda principală de fabricare pentru MEMS de siliciu.

2. Polimeri. Deoarece siliciul, deși este un material obișnuit, este relativ scump, în unele cazuri se pot folosi polimeri pentru a-l înlocui. Sunt produse industrial în volume mari și cu caracteristici diferite. Principalele metode de fabricație pentru MEMS polimeri sunt turnarea prin injecție, ștanțarea și stereolitografia.

Volume de producție bazate pe exemplul unui mare producător

Pentru un exemplu al cererii pentru aceste componente, să luăm ST Microelectronics. Face o investiție mare în tehnologia MEMS, fabricile și fabricile sale produc până la 3.000.000 de elemente pe zi.

Figura 2 — Facilități de producție ale unei companii care dezvoltă componente MEMS

Ciclul de producție este împărțit în 5 etape principale principale:

1. Producția de chipsuri.

2. Testare.

3. Ambalare în cutii.

4. Testarea finală.

5. Livrare către dealeri.

Figura 3 — ciclul de producție

Exemple de senzori MEMS de diferite tipuri

Să aruncăm o privire la câțiva dintre senzorii MEMS populari.

Accelerometru Acesta este un dispozitiv care măsoară accelerația liniară. Este folosit pentru a determina locația sau mișcarea unui obiect. Este folosit în tehnologia mobilă, mașini și multe altele.

Figura 4 — Trei axe recunoscute de accelerometru

Figura 5 — Structura internă a accelerometrului MEMS

Figura 6 — Structura accelerometrului explicată

Caracteristicile accelerometrului folosind exemplul de componentă LIS3DH:

Accelerometru cu axe 1.3.

2. Funcționează cu interfețe SPI și I2C.

3. Masurare pe 4 scale: ± 2, 4, 8 si 16g.

4. Rezoluție înaltă (până la 12 biți).

5. Consum redus: 2 µA în modul de putere redusă (1Hz), 11 µA în modul normal (50Hz) și 5 µA în modul de oprire.

6. Flexibilitatea muncii:

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

• Lățime de bandă de până la 2,5 kHz;

• FIFO pe 32 de niveluri (16 biți);

• 3 intrari ADC;

• Senzor de temperatura;

• sursa de alimentare de la 1,71 la 3,6 V;

• Funcția de autodiagnosticare;

• Carcasa 3 x 3 x 1 mm. 2.

Giroscop Este un dispozitiv care măsoară deplasarea unghiulară. Poate fi folosit pentru a măsura unghiul de rotație în jurul axei. Astfel de dispozitive pot fi utilizate ca sistem de navigație și control al zborului pentru avioane: avioane și diferite UAV-uri sau pentru determinarea poziției dispozitivelor mobile.

Figura 7 — Date măsurate cu un giroscop

Figura 8 — Structura internă

De exemplu, luați în considerare caracteristicile giroscopului MEMS L3G3250A:

• giroscop analog cu 3 axe;

• Imunitate la zgomot analogic și vibrații;

• 2 scale de măsurare: ± 625 °/s și ± 2500 °/s;

• Moduri de oprire și repaus;

• Funcția de autodiagnosticare;

• calibrare din fabrică;

• Sensibilitate ridicată: 2 mV / ° / s la 625 ° / s

• Filtru trece-jos încorporat

• Stabilitate la temperaturi ridicate (0,08 ° / s / ° C)

• Stare de impact ridicat: 10000 g în 0,1 ms

• Interval de temperatură -40 până la 85 °C

• Tensiune de alimentare: 2,4 — 3,6 V

• Consum: 6,3 mA în modul normal, 2 mA în modul repaus și 5 μA în modurile de oprire

• Carcasa 3,5 x 3 x 1 LGA

concluzii

Pe piața senzorilor MEMS, pe lângă exemplele discutate în raport, există și alte elemente, inclusiv:

• Senzori cu mai multe axe (de exemplu, 9 axe).

• Busole;

• Senzori pentru măsurarea mediului (presiune și temperatură);

• Microfoane digitale și multe altele.

Sisteme microelectromecanice industriale moderne de înaltă precizie care sunt utilizate în mod activ în vehicule și computere portabile portabile.