- Zařízení a aplikace MEMS
- MEMS akcelerometry
- MEMS tlakové senzory
- Mikrofon MEMS
- MEMS magnetometr
- MEMS gyroskop
MEMS je zkratka pro Micro-Electro-Mechanical Systems a týká se zařízení o velikosti mikrometrů, která mají jak elektronické součástky, tak mechanické pohyblivé části. Zařízení MEMS lze definovat jako zařízení, která mají:
- Velikost v mikrometrech (1 mikrometr až 100 mikrometrů)
- Tok proudu v systému (elektrický)
- A má uvnitř pohyblivé části (mechanické)
Níže je obrázek mechanické části zařízení MEMS pod mikroskopem. To nemusí vypadat úžasně, ale víte, že velikost zařízení je 10 milimetrů, což je polovina velikosti lidských vlasů. Je tedy docela zajímavé vědět, jak jsou takové složité struktury zabudovány do čipu o velikosti jen několik milimetrů.
Zařízení a aplikace MEMS
Tato technologie byla poprvé představena v roce 1965, ale masová výroba začala až v roce 1980. V současné době existuje více než 100 miliard zařízení MEMS, která jsou v současné době aktivní v různých aplikacích a lze je vidět v mobilních telefonech, laptopech, systémech GPS, automobilech atd.
Technologie MEMS je začleněna do mnoha elektronických součástek a jejich počet každým dnem roste. S pokrokem ve vývoji levnějších zařízení MEMS můžeme vidět, že v budoucnu převezmou mnohem více aplikací.
Jelikož zařízení MEMS fungují lépe než normální zařízení, pokud do hry nevstoupí výkonnější technologie, MEMS zůstane na trůnu. V technologii MEMS jsou nejpozoruhodnější prvky mikro čidla a mikro akční členy, které jsou vhodně kategorizovány jako snímače. Tyto převodníky převádějí energii z jedné formy do druhé. V případě mikrosenzorů zařízení obvykle převádí měřený mechanický signál na elektrický signál a mikroaktivátor převádí elektrický signál na mechanický výstup.
Níže je vysvětleno několik typických senzorů založených na technologii MEMS.
- Akcelerometry
- Snímače tlaku
- Mikrofon
- Magnetometr
- Gyroskop
MEMS akcelerometry
Než se pustíme do návrhu, pojďme diskutovat o principu práce použitém při navrhování akcelerometru MEMS, a proto zvažte nastavení hmotnostní pružiny zobrazené níže.
Zde je hmota zavěšena dvěma pružinami v uzavřeném prostoru a nastavení je považováno za klidové. Nyní, když se tělo náhle začne pohybovat dopředu, pak hmota zavěšená v těle zažívá zpětnou sílu, která způsobí posunutí v jeho poloze. A díky tomuto posunutí se pružiny deformují, jak je znázorněno níže.
Tento jev také musíme zažít, když sedíme v jakémkoli jedoucím vozidle, jako je auto, autobus a vlak atd., Takže stejný jev se používá i při navrhování akcelerometrů.
ale místo hmoty použijeme vodivé desky jako pohyblivou část připevněnou k pružinám. Celé nastavení bude zobrazeno níže.
V diagramu budeme uvažovat kapacitu mezi horní pohyblivou deskou a pevnou deskou:
C1 = e 0 A / d1
kde d 1 je vzdálenost mezi nimi.
Zde vidíme, že hodnota C1 kapacity je nepřímo úměrná vzdálenosti mezi horním pohybem desky a pevnou deskou.
Kapacita mezi spodní pohyblivou deskou a pevnou deskou
C2 = e 0 A / d2
kde d 2 je vzdálenost mezi nimi
Zde vidíme, že hodnota kapacity C2 je nepřímo úměrná vzdálenosti mezi spodní pohyblivou deskou a pevnou deskou.
Když je tělo v klidu, horní i spodní deska budou ve stejné vzdálenosti od pevné desky, takže kapacita C1 bude rovná kapacitě C2. Pokud se však tělo najednou posune dopředu, desky se posunou, jak je znázorněno níže.
V tomto okamžiku se kapacita C1 zvětšuje, jak se zmenšuje vzdálenost mezi horní deskou a pevnou deskou. Na druhou stranu se kapacita C2 zmenšuje, jak se zvětšuje vzdálenost mezi spodní deskou a pevnou deskou. Toto zvýšení a snížení kapacity je lineárně úměrné zrychlení na hlavním těle, takže čím vyšší je zrychlení, tím větší je změna a nižší zrychlení, tím menší je změna.
Tuto proměnlivou kapacitu lze připojit k RC oscilátoru nebo jinému obvodu, aby bylo možné získat odpovídající hodnotu proudu nebo napětí. Po získání požadované hodnoty napětí nebo proudu můžeme tato data snadno použít pro další analýzu.
I když toto nastavení lze použít k úspěšnému měření zrychlení, je objemné a nepraktické. Pokud ale použijeme technologii MEMS, můžeme celé nastavení zmenšit na velikost několika mikrometrů, díky čemuž bude zařízení použitelnější.
Na výše uvedeném obrázku vidíte skutečné nastavení použité v akcelerometru MEMS. Zde je několik desek kondenzátorů uspořádáno jak ve vodorovném, tak ve svislém směru pro měření zrychlení v obou směrech. Deska kondenzátoru je dimenzována na několik mikrometrů a celé nastavení bude mít velikost až několika milimetrů, takže můžeme tento akcelerometr MEMS snadno používat v bateriových přenosných zařízeních, jako jsou smartphony.
MEMS tlakové senzory
Všichni víme, že když na objekt působí tlak, bude se napínat, dokud nedosáhne bodu zlomu. Toto přetvoření je přímo úměrné aplikovanému tlaku až do určitého limitu a tato vlastnost se používá k návrhu tlakového senzoru MEMS. Na následujícím obrázku vidíte konstrukční návrh tlakového snímače MEMS.
Zde jsou dvě vodivé desky namontovány na skleněné tělo a mezi nimi bude vakuum. Jedna deska vodiče je pevná a druhá deska je pružná pro pohyb pod tlakem. Nyní, když vezmete kapacitní měřič a odečtete mezi dvěma výstupními svorkami, můžete sledovat hodnotu kapacity mezi dvěma paralelními deskami, je to proto, že celé nastavení funguje jako paralelní deskový kondenzátor. Jelikož funguje jako paralelní deskový kondenzátor, platí pro něj nyní jako obvykle všechny vlastnosti typického kondenzátoru. V klidovém stavu označme kapacitu mezi dvěma deskami za C1.
deformuje se a posune blíže ke spodní vrstvě, jak je znázorněno na obrázku. Protože se vrstvy přibližují, zvyšuje se kapacita mezi dvěma vrstvami. Takže vyšší vzdálenosti snižují kapacitu a menší vzdálenost zvyšují kapacitu. Pokud tuto kapacitu připojíme k RC rezonátoru, můžeme získat frekvenční signály představující tlak. Tento signál může být předán mikrokontroléru pro další zpracování a zpracování dat.
Mikrofon MEMS
Konstrukce mikrofonu MEMS je podobná tlakovému senzoru a níže uvedený obrázek ukazuje vnitřní strukturu mikrofonu.
Uvažujme, že nastavení je v klidu a za těchto podmínek je kapacita mezi pevnou deskou a membránou C1.
Pokud je v prostředí hluk, zvuk vstupuje do zařízení vstupem. Tento zvuk způsobí, že membrána vibruje, čímž se vzdálenost mezi membránou a pevnou deskou neustále mění. To zase způsobí kontinuální změnu kapacity C1. Pokud spojíme tuto měnící se kapacitu s odpovídajícím zpracovávacím čipem, můžeme získat elektrický výstup pro měnící se kapacitu. Protože změna kapacity přímo souvisí se šumem, lze tento elektrický signál použít jako převedenou formu vstupního zvuku.
MEMS magnetometr
Magnetometr MEMS se používá k měření magnetického pole Země. Zařízení je konstruováno na základě Hall Effect nebo Magneto Resistive Effect. Většina magnetometrů MEMS používá Hallův efekt, proto probereme, jak se tato metoda používá k měření síly magnetického pole. Zvažme proto vodivou desku a nechme konce jedné strany připojit k baterii, jak je znázorněno na obrázku.
Zde vidíte směr toku elektronů, který je od záporného pólu ke kladnému pólu. Nyní, pokud se magnet přiblíží k horní části vodiče, elektrony a protony ve vodiči se distribuují, jak je znázorněno na následujícím obrázku.
Zde se protony nesoucí kladný náboj shromažďují na jedné straně letadla, zatímco elektrony nesoucí záporný náboj se shromažďují na přesně opačné straně. V tomto okamžiku, když vezmeme voltmetr a připojíme se na obou koncích, dostaneme údaj. Toto čtení napětí V1 je úměrné intenzitě pole, kterou zažívá vodič nahoře. Úplný fenomén generování napětí aplikací proudu a magnetického pole se nazývá Hallův efekt.
Pokud je jednoduchý systém navržen pomocí MEMS, na základě výše uvedeného modelu, získáme převodník, který snímá intenzitu pole a poskytuje lineárně proporcionální elektrický výstup.
MEMS gyroskop
Gyroskop MEMS je velmi populární a používá se v mnoha aplikacích. Například gyroskop MEMS najdeme v letadlech, systémech GPS, smartphonech atd. MEMS gyroskop je navržen na základě Coriolisova efektu. Pro pochopení principu a fungování gyroskopu MEMS se podívejme na jeho vnitřní strukturu.
Zde S1, S2, S3 a S4 jsou pružiny používané pro připojení vnější smyčky a druhé smyčky. Zatímco S5, S6, S7 a S8 jsou pružiny používané pro připojení druhé smyčky a hmoty „M“. Tato hmota bude rezonovat podél osy y, jak ukazuje směry na obrázku. Tohoto rezonančního efektu se také obvykle dosahuje použitím elektrostatické přitažlivé síly v zařízeních MEMS.
Za klidových podmínek bude kapacita mezi libovolnými dvěma deskami na horní vrstvě nebo na dně stejná a zůstane stejná, dokud nedojde ke změně vzdálenosti mezi těmito deskami.
Předpokládejme, že pokud tuto sestavu namontujeme na rotující disk, dojde k určité změně polohy desek, jak je znázorněno níže.
Když je instalace nainstalována na rotující disk, jak je znázorněno, pak hmota rezonující uvnitř instalace zažije sílu způsobující posunutí ve vnitřní sestavě. Můžete vidět, že se všechny čtyři pružiny S1 až S4 deformují kvůli tomuto posunutí. Tuto sílu, kterou zažívá rezonující hmota, když je náhle umístěna na rotující disk, lze vysvětlit Coriolisovým efektem.
Pokud přeskočíme složité podrobnosti, lze dojít k závěru, že z důvodu náhlé změny směru je ve vnitřní vrstvě přítomný posun. Toto posunutí také způsobí změnu vzdálenosti mezi deskami kondenzátoru ve spodní i horní vrstvě. Jak bylo vysvětleno v předchozích příkladech, změna vzdálenosti způsobí změnu kapacity.
Tento parametr můžeme použít k měření rychlosti otáčení disku, na kterém je zařízení umístěno.
Mnoho dalších zařízení MEMS je navrženo pomocí technologie MEMS a jejich počet se také každým dnem zvyšuje. Ale všechna tato zařízení mají určitou podobnost v práci a designu, takže pochopením několika výše zmíněných příkladů můžeme snadno pochopit fungování jiných podobných zařízení MEMS.