- MEMS uređaji i aplikacije
- Akcelerometri MEMS
- MEMS Senzori tlaka
- MEMS mikrofon
- Magnetometar MEMS
- MEMS žiroskop
MEMS označava mikroelektromehaničke sustave i odnosi se na uređaje veličine mikrometara koji imaju i elektroničke komponente i mehaničke pokretne dijelove. MEMS uređaji mogu se definirati kao uređaji koji imaju:
- Veličina u mikrometrima (1 mikrometar do 100 mikrometara)
- Protok struje u sustavu (električni)
- I ima pokretne dijelove u sebi (mehanički)
Ispod je slika Mehaničkog dijela MEMS uređaja pod mikroskopom. Ovo možda ne izgleda nevjerojatno, ali znate li da je veličina zupčanika 10 mikimetara, što je upola manje od ljudske kose. Stoga je vrlo zanimljivo znati kako su tako složene strukture ugrađene u čip veličine samo nekoliko milimetara.
MEMS uređaji i aplikacije
Ova je tehnologija prvi put predstavljena 1965. godine, ali masovna proizvodnja započela je tek 1980. Trenutno je više od 100 milijardi MEMS uređaja trenutno aktivno u raznim aplikacijama i mogu se vidjeti u mobilnim telefonima, prijenosnim računalima, GPS sustavima, automobilima itd.
MEMS tehnologija ugrađena je u mnoge elektroničke komponente i njihov broj raste iz dana u dan. Napredom u razvoju jeftinijih MEMS uređaja možemo ih vidjeti kako u budućnosti preuzimaju mnogo više aplikacija.
Kako MEMS uređaji rade bolje od uobičajenih uređaja, osim ako se ne pojave bolje performanse, MEMS će ostati na tronu. U MEMS tehnologiji najznačajniji elementi su mikro senzori i mikro aktuatori koji su prikladno kategorizirani kao pretvarači. Ti pretvarači pretvaraju energiju iz jednog oblika u drugi. U slučaju mikrosenzora, uređaj tipično pretvara izmjereni mehanički signal u električni signal, a mikroaktuator električni signal u mehanički izlaz.
Nekoliko tipičnih senzora temeljenih na MEMS tehnologiji objašnjeno je u nastavku.
- Akcelerometri
- Senzori tlaka
- Mikrofon
- Magnetometar
- Žiroskop
Akcelerometri MEMS
Prije nego što krenemo u dizajn, razgovarajmo o principu rada koji se koristi pri dizajniranju akcelerometra MEMS, a za to razmotrimo donju postavljenu masnu oprugu.
Ovdje je masa obješena s dvije opruge u zatvorenom prostoru i smatra se da postava miruje. Ako se tijelo iznenada počne pomicati naprijed, tada masa ovješena u tijelu iskušava povratnu silu koja uzrokuje pomicanje u njegovom položaju. I zbog ovog pomicanja opruge se deformiraju kao što je prikazano dolje.
Ovaj fenomen moramo iskusiti i mi kada sjedimo u bilo kojem vozilu u pokretu, poput automobila, autobusa, vlaka itd., Pa se isti fenomen koristi pri dizajniranju akcelerometara.
ali umjesto mase koristit ćemo vodljive ploče kao pokretni dio pričvršćen za opruge. Cjelokupno postavljanje bit će prikazano dolje.
Na dijagramu ćemo razmotriti kapacitet između gornje pokretne ploče i fiksne ploče:
C1 = e 0 A / d1
gdje je d 1 udaljenost između njih.
Ovdje možemo vidjeti da je vrijednost kapaciteta C1 obrnuto proporcionalna udaljenosti između vrha koji pomiče ploču i fiksne ploče.
Kapacitet između donje pokretne ploče i fiksne ploče
C2 = e 0 A / d2
gdje je d 2 udaljenost između njih
Ovdje možemo vidjeti da je vrijednost kapacitivnosti C2 obrnuto proporcionalna udaljenosti između donje pokretne ploče i fiksne ploče.
Kada tijelo miruje, gornja i donja ploča bit će na jednakoj udaljenosti od fiksne ploče, tako da će kapacitet C1 biti jednak kapacitetu C2. Ali ako se tijelo iznenada pomakne naprijed, ploče se pomaknu, kao što je prikazano dolje.
U to se vrijeme kapacitet C1 povećava kako se smanjuje udaljenost između gornje ploče i fiksne ploče. S druge strane kapacitivnost, C2 se smanjuje kako se povećava udaljenost između donje ploče i fiksne ploče. Ovo povećanje i smanjenje kapacitivnosti linearno je proporcionalno ubrzanju na glavnom tijelu pa je veće ubrzanje veće promjene, a niže ubrzanje manje promjene.
Ova promjenjiva kapacitivnost može se povezati s RC oscilatorom ili drugim krugom kako bi se dobilo odgovarajuće očitanje struje ili napona. Nakon dobivanja željene vrijednosti napona ili struje te podatke možemo lako koristiti za daljnju analizu.
Iako se ova postavka može koristiti za uspješno mjerenje ubrzanja , glomazna je i nije praktična. Ali ako koristimo MEMS tehnologiju, možemo smanjiti cijelu postavku na veličinu od nekoliko mikrometara što će uređaj učiniti primjenjivijim.
Na gornjoj slici možete vidjeti stvarne postavke korištene u MEMS akcelerometru. Ovdje su višestruke kondenzatorske ploče organizirane u vodoravnom i okomitom smjeru za mjerenje ubrzanja u oba smjera. Kondenzatorska ploča veličine je do nekoliko mikrometara, a cjelokupna će postava iznositi do nekoliko milimetara, tako da ovaj MEMS akcelerometar možemo lako koristiti u prijenosnim uređajima na baterije, poput pametnih telefona.
MEMS Senzori tlaka
Svi znamo da će se, kada se na objekt izvrši pritisak, naprezati dok ne dosegne točku loma. Ovo naprezanje je izravno proporcionalno primijenjenom tlaku do određene granice i ovo se svojstvo koristi za izradu MEMS osjetnika tlaka. Na donjoj slici možete vidjeti strukturni dizajn MEMS osjetnika tlaka.
Ovdje su dvije provodničke ploče postavljene na stakleno tijelo i između njih će biti vakuum. Jedna ploča vodiča je fiksna, a druga ploča fleksibilna za kretanje pod pritiskom. Sada, ako uzmete mjerač kapacitivnosti i napravite očitanje između dva izlazna terminala, tada možete primijetiti vrijednost kapacitivnosti između dvije paralelne ploče, to je zato što cijela postavka djeluje kao kondenzator paralelne ploče. Budući da djeluje kao paralelni pločasti kondenzator, tada se, kao i obično, na njega sada primjenjuju sva svojstva tipičnog kondenzatora. U uvjetima ostatka nazovimo kapacitet između dvije ploče da bude C1.
deformirat će se i približiti donjem sloju kao što je prikazano na slici. Budući da se slojevi približavaju, povećava se kapacitet između dva sloja. Dakle, veće udaljenosti smanjuju kapacitet i smanjuju udaljenost veće kapacitete. Ako spojimo ovaj kapacitet na RC rezonator, tada možemo dobiti frekvencijske signale koji predstavljaju tlak. Ovaj se signal može dati mikrokontroleru za daljnju obradu i obradu podataka.
MEMS mikrofon
Dizajn MEMS mikrofona sličan je osjetniku tlaka, a donja slika prikazuje unutarnju strukturu mikrofona.
Uzmimo u obzir da postavka miruje i da je u tim uvjetima kapacitet između fiksne ploče i dijafragme C1.
Ako u okolini postoji buka, zvuk u uređaj ulazi kroz ulaz. Ovaj zvuk uzrokuje titranje dijafragme, zbog čega se udaljenost između dijafragme i fiksne ploče kontinuirano mijenja. To zauzvrat dovodi do kontinuirane promjene kapacitivnosti C1. Ako povežemo ovaj promjenjivi kapacitet s odgovarajućim procesorskim čipom, možemo dobiti električni izlaz za promjenjivi kapacitet. Budući da se promjenjivi kapacitet u prvom redu izravno odnosi na buku, ovaj se električni signal može koristiti kao pretvoreni oblik ulaznog zvuka.
Magnetometar MEMS
MEMS magnetometar koristi se za mjerenje zemaljskog magnetskog polja. Uređaj je izrađen na osnovi Hallovog efekta ili Magneto otpornog efekta. Većina MEMS magnetometara koristi Hall Effect, pa ćemo razmotriti kako se ova metoda koristi za mjerenje jakosti magnetskog polja. Za to razmotrimo vodljivu ploču i imamo krajeve jedne strane spojene na bateriju kako je prikazano na slici.
Ovdje možete vidjeti smjer strujanja elektrona, koji je od negativnog do pozitivnog terminala. Ako se magnet približi vrhu vodiča, elektroni i protoni u vodiču raspoređuju se kao što je prikazano na donjoj slici.
Ovdje se protoni koji nose pozitivan naboj okupljaju na jednoj strani ravnine, dok se elektroni koji nose negativni naboj okupljaju na točno suprotnoj strani. U ovom trenutku, ako uzmemo voltmetar i spojimo na oba kraja, dobit ćemo očitanje. Ovo očitanje napona V1 proporcionalno je jačini polja koju provodi vodič na vrhu. Kompletni fenomen stvaranja napona primjenom struje i magnetskog polja naziva se Hallov efekt.
Ako je jednostavni sustav dizajniran pomoću MEMS-a, temeljen na gore navedenom modelu, dobit ćemo pretvarač koji osjeti snagu polja i daje linearno proporcionalni električni izlaz.
MEMS žiroskop
MEMS žiroskop je vrlo popularan i koristi se u mnogim primjenama. Na primjer, MEMS žiroskop možemo pronaći u avionima, GPS sustavima, pametnim telefonima itd. MEMS žiroskop dizajniran je na temelju Coriolisovog efekta. Da bismo razumjeli princip i rad MEMS žiroskopa, pogledajmo njegovu unutarnju strukturu.
Ovdje su S1, S2, S3 i S4 opruge koje se koriste za spajanje vanjske petlje i druge petlje. Dok su S5, S6, S7 i S8 opruge koje se koriste za spajanje druge petlje i mase 'M'. Ova masa će rezonirati duž osi y kako je prikazano uputama na slici. Također, ovaj se rezonantni učinak obično postiže korištenjem elektrostatičke sile privlačenja u MEMS uređajima.
U uvjetima mirovanja, kapacitet između bilo koje dvije ploče na gornjem sloju ili dnu bit će jednak i ostat će isti dok se ne promijeni udaljenost između tih ploča.
Pretpostavimo ako postavimo ovu postavku na rotirajući disk, tada će doći do određene promjene u položaju ploča kao što je prikazano dolje.
Kada je instalacija instalirana na rotirajućem disku, kao što je prikazano, tada će rezoniranje mase unutar postaja iskusiti silu koja uzrokuje pomicanje u unutarnjem programu. Možete vidjeti da su sve četiri opruge od S1 do S4 deformirane zbog ovog pomaka. Ova sila koja rezultira rezonantnom masom kada se iznenada stavi na rotirajući disk može se objasniti Coriolisovim učinkom.
Ako preskočimo složene detalje, onda se može zaključiti da zbog nagle promjene smjera postoji pomak u unutarnjem sloju. Ovo pomicanje također uzrokuje promjenu udaljenosti između ploča kondenzatora na donjem i gornjem sloju. Kao što je objašnjeno u prethodnim primjerima, promjena udaljenosti uzrokuje promjenu kapacitivnosti.
A ovaj parametar možemo koristiti za mjerenje brzine vrtnje diska na kojem je uređaj postavljen.
Mnogi drugi MEMS uređaji dizajnirani su pomoću MEMS tehnologije i njihov se broj također svakodnevno povećava. Ali svi ti uređaji imaju određenu sličnost u radu i dizajnu, pa razumijevanjem nekoliko gore spomenutih primjera možemo lako razumjeti rad drugih sličnih MEMS uređaja.