0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

MEMS: микроэлектромеханические системы, часть 2

Сайт о нанотехнологиях #1 в России

В первой части рассказа о MEMS мы разобрали несколько примеров микроэлектромеханических сенсоров – устройств, преобразующих механическое воздействие в электрические импульсы. Теперь настало время обсудить MEMS-актуаторы – системы, которые превращают информацию в движение.

Цифровые микрозеркальные устройства

Одни из самых ярких представителей устройств с MEMS-актуаторами – DLP-проекторы (DLP – Digital Light Processing). В основе этих проекторов лежит относительно крупная – по общему размеру готового чипа – микроэлектромеханическая система под названием DMD (Digital Micromirror Device, цифровое микрозеркальное устройство). Это эксклюзивная разработка одного из гигантов полупроводниковой индустрии, компании Texas Instruments.

DMD-чип в сборе. Сравнительно с другими MEMS, устройство достаточно крупное

DMD-чип представляет собой матрицу микрозеркал, количество «боевых единиц» в которой равно разрешению итогового устройства. Скажем, для разрешения 1920х1080 – чуть больше 2 миллионов. Каждое микрозеркало – крошечная алюминиевая пластинка размером порядка 0,00001 на 0,00001 метра. Или, выражаясь в более удобных для микромира величинах – 10×10 микрон.

Сами микрозеркала чрезвычайно миниатюрны. На фото изображена одна из старых матриц с размером ячейки 16х16 микрон. В более новых DMD-чипах зеркала еще меньше

Зеркало покоится на сравнительно массивной площадке, которая прикреплена к более тонкой и более гибкой, чем прочие детали системы, полоске – подвесу – натянутой между опорами. В двух других углах основания, не занятых опорами, расположены электроды, которые за счет кулоновской силы могут притягивать один из краев зеркала. Таким образом, зеркало может наклоняться в одну и в другую сторону: не слишком сильно, обычно угол поворота составляет 12 градусов.

Так устроен каждый из миллионов используемых в микрозеркальной матрице элементов

В одном из этих двух положений зеркальце отражает попадающий на него свет в сторону линзы и далее на экран. В другом положении – направляет световой поток в сторону, на теплоотвод. В первом случае на экране получается белая точка, во втором – черная. В результате слаженного действия всей матрицы создается картинка, состоящая из двух цветов: черного и белого.

Два микрозеркала. Одно в «черном» положении, другое – в «белом». Среднее – «горизонтальное» – положение зеркала занимают только в припаркованном состоянии, когда проектор выключен

Разумеется, такое однобитное изображение – не совсем то, что нужно в XXI веке. Для начала, к чистым черному и белому возникает желание добавить градации серого. Поскольку полупрозрачность, в отличие от ЖК-матриц, здесь использовать нельзя, свет приходится отмерять механически. Для этого зеркальце «мигает» с большой частотой. Эти «подмигивания» способны обеспечить до 1024 градаций серого. Между прочим, это в 16 раз больше, чем у среднестатистической ЖК-матрицы.

Итак, градации серого есть. Остается лишь добавить цвет. Непосредственно DMD-чип к этому уже не имеет почти никакого отношения (равно как не имеют непосредственного отношения к цвету и жидкие кристаллы). Но раз уж мы начали разбираться, как работают DLP-проекторы, то имеет смысл дойти до конца. Для добавления к изображению цветовой составляющей используется колесо с несколькими секторами, каждый из которых представляет собой светофильтр.

Достаточно простое колесико, в нем есть светофильтры только трех стандартных цветов, RGB

Встречаются и более сложные колеса

К базовым красному, синему и зеленому для большей яркости изображения обычно добавляется еще и прозрачный сектор. Иногда для более аккуратной передачи полутонов используются дополнительные светофильтры – как дополнительные ванночки с чернилами у фотопринтеров. Колесо вращается, опять-таки, очень-очень быстро, – микрозеркальная матрица выдает для каждого светофильтра свой кадр.

Общий принцип работы стандартного DLP-проектора – с одним DMD-чипом

В итоге зеркалам приходится «подмигивать» несколько тысяч раз в секунду: для обеспечения градаций серого, по полному «серому» кадру на каждую из цветовых составляющих, да умножить на требуемое количество кадров в секунду. И все это – чистая механика. Миниатюрная настолько, что даже на кончике иглы помещается несколько десятков элементов матрицы.

Сходу человеческий разум едва ли способен адекватно оценить размер в 10 микрон. Другое дело – фото в масштабе

Лапка муравья. На фото изображена довольно старая модель DMD-чипа, современные микрозеркала Texas Instruments еще миниатюрнее

Похожие на DMD устройства разработаны Фраунгоферовским институтом полупроводниковых технологий (Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie). Используются они исключительно в научных целях. Зеркала в устройствах Фраунгоферовского института более крупные и выполнены несколько более грубо.

Микрозеркальная матрица разработки Фраунгоферовского института полупроводниковых технологий

Микрозеркальные матрицы – частный случай оптических MEMS. Но есть и многие другие микросистемы, работающие со светом. Например, в астрономии существует весьма важная задача борьбы с искажениями, возникающими при прохождении света через неоднородную среду – атмосферу. Та же проблема актуальна и для микроскопии.

Зеркало с изменяемой геометрией, состоящее из 93 элементов

Готовый чип на основе той же системы (размер 5 на 5 см) на фоне более крупного снимка поверхности зеркала

Задача решается с помощью адаптивной оптики – в частности, зеркал с изменяемой геометрией. Разумеется, существуют и макроскопические устройства такого рода. Но MEMS, как обычно, позволяет снизить цены и значительно увеличить компактность – если для телескопов последнее не так уж важно, то для микроскопов это очень даже актуально. Такие MEMS состоят из массива микрозеркал, которые могут наклоняться, подстраивая форму поверхности массива для борьбы с искажениями.

Зеркало с изменяемой геометрией, состоящее из 1020 элементов. Разработка Boston Micromachines Corporation

Еще один интересный случай использования микрозеркал – коммутация оптоволоконных сетей. В сложных системах задействуются зеркала, умеющие поворачиваться не по одной оси, как в DMD-чипе, а сразу по двум осям. Это позволяет создавать коммутаторы с большим количеством обслуживаемых каналов.

Один из вариантов устройства двухосного микрозеркала

Струйные принтеры

Современные принтеры оперируют с каплями краски объемом порядка пиколитра. А что такое пиколитр? Это шарик диаметром около 13 микрон. В одном кубическом миллиметре таких капелек помещается с десяток тысяч! Для того чтобы сформировать столь малый объем жидкости – и сформировать его строго в нужный момент – очевидно, требуется тончайшая механика. Так что и тут работает MEMS.

Капли чернил на бумаге

Происходит это следующим образом. Печатающая головка представляет собой массив из множества микроотверстий. Под отверстиями – миниатюрные полости, в которые чернила поступают из основного резервуара картриджа.

Крупный план одной дюзы печатающей головки струйного принтера

Сами собой чернила через дюзы не выливаются: диаметр отверстий настолько мал, что сила поверхностного натяжения не дает жидкости просто так вытечь наружу. Краску необходимо выдавить принудительно. Для этого можно воспользоваться несколькими различными технологиями.

Например, можно разместить в микрополости пьезоэлемент. Примерно такой же, как те, что используются в зажигалках. Только процесс в данном случае идет в обратную сторону. В зажигалках пьезоэлемент вырабатывает электричество от деформации (следующей от нажатия кнопки) кристалла. В печатающей головке принтера на пьезокристалл подается ток, вследствие чего кристалл увеличивается в объеме и толкает мембрану, которая, в свою очередь, выталкивает краску наружу. Именно такой метод использует компания Epson.

Более популярный подход, который практикуют компании HP, Canon и Lexmark: термоструйная печать. В полости размещается нагревательный элемент, который мгновенно нагревает чернила до очень высокой температуры. Жидкость вскипает, увеличивается в объеме и выплескивается из полости на поверхность.

Читать еще:  Transistor — маленькая жемчужина

В печатающих головках используются дюзы разных размеров

Одна из ячеек печатающей головки HP 60 в разрезе

Что любопытно, струйная печать может служить не только конечной целью производства MEMS, но и промежуточным этапом. Дело в том, что при современном уровне развития технологий струйной печати, она вполне подходит для изготовления микроструктур. Говоря по-простому, с помощью струйных принтеров можно печатать те или иные микроэлектронные или микроэлектромеханические устройства. Просто для этого надо использовать не обычные чернила, а растворы тех веществ, из которых можно изготовить требующуюся структуру.

«Пайка» контактов на этом снимке произведена с помощью пьезоструйной печати

Микроскопический логотип Texas Instruments напечатан каплями диаметром 60 микрон

Правда, есть технологические ограничения: в классических методах струйной печати не может быть получена капля размера меньшего, чем диаметр отверстия, из которого она вытекает – при таких размерах вернее будет сказать «выдавливается». Впрочем, если есть желание получить очень маленькую каплю, то выход есть.

Если капилляр с проводящей жидкостью поместить в электрическое поле, то форма поверхности жидкости будет отличаться от нормальной формы, обусловленной поверхностным натяжением. По мере увеличения напряжения она будет все ближе к конусу (так называемому конусу Тейлора), а при достижении некоего порогового значения напряжения с конца этого конуса начнут отрываться мельчайшие капли – их размер будет значительно меньше диаметра капилляра.

На сегодня на этом и закончим. А в следующей части статьи рассмотрим самые необычные и впечатляющие концепты микроэлектромеханических систем. А также разберемся, как все эти замечательные устройства производятся. Оставайтесь с нами!

Микроэлектромеханические системы (MEMS-компоненты) и датчики на их основе

MEMS-компоненты (рус. МЕМС) – расшифровываются, как микроэлектромеханические системы. Основной отлиительной особенностью в них является, то что они содержат в себе подвижную 3D-структуру. Она движется за счет внешнего воздействия. Следовательно, движутся в МЕМС-компонентах не только электроны, но и составные части.

MEMS-компоненты – это один из элементов микроэлектроники и микромеханики, изготовленный зачастую на кремниевой подложке. По структуре они напоминают однокристальные ИМС. Обычно эти механические части МЕМС имеют размеры от единиц до сотен микрометров, а сам кристалл от 20 мкм до 1 мм.

Рисунок 1 – один из примеров структуры MEMS

1. Изготовление различных микросхем.

2. МЭМС-осцилляторы в некоторых случаях заменяют кварцевые резонаторы.

3. Изготовление датчиков, среди которых:

датчик угловых скоростей;

измерительные преобразователи радиосигнала.

Материалы, применяемые в MEMS-структурах

К основным материалам, из которых изготавливаются МЕМС-компоненты относят:

1. Кремний. В настоящее время подавляющее большинство электронных компонентнов изготавливаются именно из этого материала. У него целый ряд преимуществ, среди которых: распространенность, прочность, при деформации практически не изменяет свойств (не появляется гистерезис). Основным способом изготовления кремниевых МЕМС является фотолитография с последующим травлением.

2. Полимеры. Так как кремний хоть и распространенный материал, но сравнительно дорогой, для его замены в некоторых случаях могут использоваться полимеры. Они производятся промышленностью в больших объемах и с разнообразными характеристиками. Основные методы изготовления полимерных МЕМС – это литьевое формирование, штамповка, стереолитография.

Производственные объемы на примере крупного производителя

Для примера востребованности этих компонентов приведем компанию ST Microelectronics. Она производит крупные инвестиции в МЕМС-технологии, в день на её фабриках и заводах производится до 3 000 000 элементов в день.

Рисунок 2 – производственные мощностя компании разрабатывающей MEMS-компоненты

Производственный цикл разбит на 5 основных крупных этапов:

1. Производство чипов.

3. Упаковка в корпуса.

4. Финальное тестирование.

5. Поставка дилерам.

Рисунок 3 – цикл производства

Примеры МЕМС-датчиков разных типов

Рассмотрим несколько популярных МЕМС-датчиков.

Акселерометр – это прибор, который измеряет линейное ускорение. Его используют для определения метоположения или движение объекта. Используется в мобильной технике, автомобилях и прочем.

Рисунок 4 – три оси распознаваемые акселерометром

Рисунок 5 – внутренняя структура МЕМС-акселерометра

Рисунок 6 – пояснения к структуре акселерометра

Характеристики акселерометра на примере компонента LIS3DH:

1. 3 осевой акселерометр.

2. Работает с интерфейсами SPI и I2C.

3. Измерение по 4м шкалам: ±2, 4, 8 и 16g.

4. Высокое разрешение (до 12 бит).

5. Низкое потребление: 2 мкA в режиме Low power mode (1Гц), 11мкA в режиме Normal (50Гц) и 5мкA в режиме Power Down.

6. Гибкость работы:

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

Пропускная способность до 2.5 КГц;

32-уровневый FIFO (16-бит);

Питание от 1.71 до 3.6 В;

Корпус 3 x 3 x 1 мм. 2.

Гироскоп – это прибор который измеряет угловое перемещение. С его помощью можно измерять угол вращения округ оси. Такие приборы могут использовать в качестве системы навигации и управления полетом летательных аппаратов: самолетов и различных БПЛА или для определения положения мобильных устройств.

Рисунок 7 – данные измеряемые гироскопом

Рисунок 8 – внутренняя структура

Для примера рассмотрим характеристики МЕМС-гироскопа L3G3250A:

3-Осевой Аналоговый Гироскоп;

Иммунитет к аналоговому шуму и вибрациям;

2 шкалы измерения: ±625°/с и ±2500°/с;

Power down и Sleep режимы;

Высокая чувствительность: 2 мВ/°/с при 625°/с

Встроенный фильтр нижних частот

Высокая температурная стабильность (0.08°/с/°C)

Высокое шоковое состояние: 10000g в течении 0.1 мс

Температурный диапазон от -40 до 85°C

Напряжение питания: 2.4 — 3.6В

Потребление: 6.3 мA в Normal, 2 мA в Sleep и 5 мкA в Power Down режимах

Корпус 3.5 x 3 x 1 LGA

На рынке МЕМС-датчиков кроме рассмотренных в докладе примеров есть и другие элементы, среди которых:

Многоосевые (например, 9-осевые) датчики;

Датчики для измерения окружающей среды (давления и температуры);

Цифровые микрофоны и прочее.

Современная промышленная высокоточные микроэлектромеханические системы, которые активно применяются в транспортных средствах и портативных носимых компьютерах.

MEMS: микроэлектромеханические системы, часть 2

В первой части рассказа о MEMS мы разобрали несколько примеров микроэлектромеханических сенсоров – устройств, преобразующих механическое воздействие в электрические импульсы. Теперь настало время обсудить MEMS-актуаторы – системы, которые превращают информацию в движение.

Одни из самых ярких представителей устройств с MEMS-актуаторами – DLP-проекторы (DLP – Digital Light Processing). В основе этих проекторов лежит относительно крупная – по общему размеру готового чипа – микроэлектромеханическая система под названием DMD (Digital Micromirror Device, цифровое микрозеркальное устройство). Это эксклюзивная разработка одного из гигантов полупроводниковой индустрии, компании Texas Instruments.

DMD-чип представляет собой матрицу микрозеркал, количество «боевых единиц» в которой равно разрешению итогового устройства. Скажем, для разрешения 1920х1080 – чуть больше 2 миллионов. Каждое микрозеркало – крошечная алюминиевая пластинка размером порядка 0,00001 на 0,00001 метра. Или, выражаясь в более удобных для микромира величинах – 10×10 микрон.

В одном из этих двух положений зеркальце отражает попадающий на него свет в сторону линзы и далее на экран. В другом положении – направляет световой поток в сторону, на теплоотвод. В первом случае на экране получается белая точка, во втором – черная. В результате слаженного действия всей матрицы создается картинка, состоящая из двух цветов: черного и белого.

Разумеется, такое однобитное изображение – не совсем то, что нужно в XXI веке. Для начала, к чистым черному и белому возникает желание добавить градации серого. Поскольку полупрозрачность, в отличие от ЖК-матриц, здесь использовать нельзя, свет приходится отмерять механически. Для этого зеркальце «мигает» с большой частотой. Эти «подмигивания» способны обеспечить до 1024 градаций серого. Между прочим, это в 16 раз больше, чем у среднестатистической ЖК-матрицы.

Итак, градации серого есть. Остается лишь добавить цвет. Непосредственно DMD-чип к этому уже не имеет почти никакого отношения (равно как не имеют непосредственного отношения к цвету и жидкие кристаллы). Но раз уж мы начали разбираться, как работают DLP-проекторы, то имеет смысл дойти до конца. Для добавления к изображению цветовой составляющей используется колесо с несколькими секторами, каждый из которых представляет собой светофильтр.

К базовым красному, синему и зеленому для большей яркости изображения обычно добавляется еще и прозрачный сектор. Иногда для более аккуратной передачи полутонов используются дополнительные светофильтры – как дополнительные ванночки с чернилами у фотопринтеров. Колесо вращается, опять-таки, очень-очень быстро, – микрозеркальная матрица выдает для каждого светофильтра свой кадр.

Читать еще:  ZOTAC выпустила мини-ПК MAGNUS EN980 с СЖО и поддержкой VR

В итоге зеркалам приходится «подмигивать» несколько тысяч раз в секунду: для обеспечения градаций серого, по полному «серому» кадру на каждую из цветовых составляющих, да умножить на требуемое количество кадров в секунду. И все это – чистая механика. Миниатюрная настолько, что даже на кончике иглы помещается несколько десятков элементов матрицы.

Похожие на DMD устройства разработаны Фраунгоферовским институтом полупроводниковых технологий (Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie). Используются они исключительно в научных целях. Зеркала в устройствах Фраунгоферовского института более крупные и выполнены несколько более грубо.

Микрозеркальные матрицы – частный случай оптических MEMS. Но есть и многие другие микросистемы, работающие со светом. Например, в астрономии существует весьма важная задача борьбы с искажениями, возникающими при прохождении света через неоднородную среду – атмосферу. Та же проблема актуальна и для микроскопии.

Задача решается с помощью адаптивной оптики – в частности, зеркал с изменяемой геометрией. Разумеется, существуют и макроскопические устройства такого рода. Но MEMS, как обычно, позволяет снизить цены и значительно увеличить компактность – если для телескопов последнее не так уж важно, то для микроскопов это очень даже актуально. Такие MEMS состоят из массива микрозеркал, которые могут наклоняться, подстраивая форму поверхности массива для борьбы с искажениями.

Еще один интересный случай использования микрозеркал – коммутация оптоволоконных сетей. В сложных системах задействуются зеркала, умеющие поворачиваться не по одной оси, как в DMD-чипе, а сразу по двум осям. Это позволяет создавать коммутаторы с большим количеством обслуживаемых каналов.

Современные принтеры оперируют с каплями краски объемом порядка пиколитра. А что такое пиколитр? Это шарик диаметром около 13 микрон. В одном кубическом миллиметре таких капелек помещается с десяток тысяч! Для того чтобы сформировать столь малый объем жидкости – и сформировать его строго в нужный момент – очевидно, требуется тончайшая механика. Так что и тут работает MEMS.

Происходит это следующим образом. Печатающая головка представляет собой массив из множества микроотверстий. Под отверстиями – миниатюрные полости, в которые чернила поступают из основного резервуара картриджа.

Сами собой чернила через дюзы не выливаются: диаметр отверстий настолько мал, что сила поверхностного натяжения не дает жидкости просто так вытечь наружу. Краску необходимо выдавить принудительно. Для этого можно воспользоваться несколькими различными технологиями.

Например, можно разместить в микрополости пьезоэлемент. Примерно такой же, как те, что используются в зажигалках. Только процесс в данном случае идет в обратную сторону. В зажигалках пьезоэлемент вырабатывает электричество от деформации (следующей от нажатия кнопки) кристалла. В печатающей головке принтера на пьезокристалл подается ток, вследствие чего кристалл увеличивается в объеме и толкает мембрану, которая, в свою очередь, выталкивает краску наружу. Именно такой метод использует компания Epson.

Более популярный подход, который практикуют компании HP, Canon и Lexmark: термоструйная печать. В полости размещается нагревательный элемент, который мгновенно нагревает чернила до очень высокой температуры. Жидкость вскипает, увеличивается в объеме и выплескивается из полости на поверхность.

MEMS: микроэлектромеханические системы, часть 2

Группа Компаний Остек

Сайты направлений

Технологические решения для производства радиоэлектронной аппаратуры

Решения для производств электротехнических компонентов

Решения для производств электронных компонентов

Технологические материалы для производства радиоэлектронной аппаратуры

Комплексное оснащение производств и научно-исследовательских предприятий

Разработка и производство вакуумного и специализированного технологического оборудования

Решения для электрического контроля качества изделий

Комплексные проекты создания и развития производственных предприятий

Решения для организации испытаний и тестирования

Ostec Marketing. Агентство промышленного маркетинга

Ostec Group (English version)

Промо сайты

Цифровая система управления производством

Направление цифровых производственных технологий

Как техника чувствует мир. Часть 2

Оглавление

Как вы помните, в первой части нашей статьи мы рассказали о таких MEMS-сенсорах, как акселерометры, гироскопы, микрофоны, барометры и магнитометры. Принцип их работы состоит в том, что они преобразуют физические воздействия в электрические сигналы. Однако есть и вторая большая категория MEMS-устройств под названием актуаторы, которые работают иначе, преобразуя электрические импульсы в какие-либо действия. Именно о них мы и поговорим во сегодня, а также уделим внимание разработкам в области медицины и другим необычным проектам.

Технология DLP

И открывает наш список разработка компании Texas Instruments — технология под названием DLP (Digital Light Processing). Как заявляются сами разработчики, она является основой для наборов микросхем, использующихся в различных светотехнических системах. Работа технологии DLP обеспечивается специальными цифровыми микрозеркальными устройствами DMD (Digital Micromirror Device). Главной областью применения считаются, конечно же, проекторы.

DLP-проектор Acer H5360BD

Архитектурно каждый чип DMD представляет собой массив микрозеркал, который используется для пространственной модуляции света. Их количество напрямую зависит от нужного разрешения. Так, DMD-чип, работающий в Full HD разрешении (1920×1080), содержит более двух миллионов микрозеркал. Соответственно, для меньшего разрешения необходимо меньшее количество элементов, для более высокого — большее.

Само микрозеркало представляет собой небольшую квадратную алюминиевую пластинку со стороной размером 16 мкм. Под каждым микрозеркалом располагается ячейка памяти, к которой и привязано конкретное зеркало. Во время работы DMD-контроллер загружает в ячейку «0» или «1». После того, как ячейка памяти заполняется, на микрозеркало воздействует электрический импульс, и оно отклоняется на угол в диапазоне от -12 до +12 градусов. При этом положение зеркальца при -12 градусах соответствует выключенному состоянию пиксела, а +12 — включенному. Иначе говоря, в этих положениях пиксел окрашивается в черный или белый цвет. Кроме черного и белого цветов, микрозеркала могут отображать до 1024 оттенков серого цвета. Для этого используется мерцание, которое обеспечивается их включением/выключением с определенной частотой.

Слева изображен чип DLP, справа — микрозеркала

В итоге получается, что DMD обеспечивает лишь черно-белое изображение. Но ведь DLP-проекторы показывают цветную картинку! Каким же образом окрашивается производимое DMD-чипами изображение?

Процесс окрашивания уже не имеет никакого отношения к MEMS. В случае с DLP-проекторами для этого используется цветовое колесо, которое располагается между лампой, излучающей белый свет, и чипом DLP. Колесо, как правило, имеет четыре цветовых сектора: красный, зеленый, синий и белый (прозрачный). По большому счету, можно было бы обойтись лишь «обоймой» из RGB-цветов, однако прозрачный фильтр позволяет значительно улучшить отображение полутонов. Окончательное изображение формируется путем последовательного отображения на экране синей, зеленой, красной и прозрачной картинок. Человеческий глаз воспринимает эту композицию как цветное изображение.

Стоит отметить, что микрозеркала используются не только в DLP-системах. Массивы зеркал также применяются в микроскопах и телескопах. В обоих случаях они используются для борьбы с искажениями. Например, в случае с телескопом искажения возникают при прохождении света через атмосферу. А применяемые в устройстве массивы зеркал могут изменять свое положение для получения четкого, неискаженного изображения.

Кроме этого, микрозеркала нашли себе применение в оптических коммутаторах. Применяемые в этих устройствах зеркала имеют такую же конструкцию, как и в случае с DLP-проекторами, однако они умеют поворачиваться сразу по двум осям в отличие от одноосевых. Такие коммутаторы обеспечивают очень большую полосу пропускания, однако в то же время требуют сложного программного обеспечения для корректной работы.

MEMS и дисплеи

Особенности архитектуры MEMS-дисплеев и DLP-систем могут во многом пересекаться, но мы намеренно вынесли тему экранов в отдельную заметку. Разработка MEMS-дисплеев началась относительно недавно, и лишь на выставке CEATEC осенью 2013 года компании Qualcomm и Sharp представили прототип такого устройства.

В отличие от современных жидкокристаллических мониторов, в разработке Sharp/Qualcomm отсутствуют привычные нам RGB-светофильтры. На смену им пришла индивидуальная светодиодная подсветка для каждого отдельного пиксела. Она с большой частотой мерцает не только красным, синим или зеленым цветом, но и белым. Белый цвет был добавлен с той же целью, что и в DLP-проекторах — для лучшей передачи полутонов. Ну а в качестве затворов пикселов используются микроэлектромеханические системы, в связи с чем устройство и было названо MEMS-дисплеем.

Читать еще:  Картинки с выставки. Лучшие девушки Computex 2017

Опытный образец, представленный на выставке, имел диагональ размером 7 дюймов и разрешение 1280×800 пикселов. Но даже прототип устройства выгодно отличался на фоне ЖК-дисплеев своими насыщенными цветами. При этом, по заявлению разработчиков, за счет применения светодиодной подсветки и отказа от светофильтров, а также применения MEMS-затворов энергопотребление таких дисплеев будет примерно на 15% ниже, чем у жидкокристаллических устройств. Единственным существенным недостатком дисплея Sharp/Qualcomm стал «эффект радуги», который также наблюдается у некоторых DLP-проекторов. Суть эффекта заключается в том, что время от времени пользователь видит на экране переливающиеся цвета — точно как в радуге. Однако в Sharp заявили, что знают о проблеме, и пообещали устранить эффект до запуска дисплея в серийное производство.

Также стоит отметить, что в дисплее используется технология IGZO. Это значит, что при производстве прозрачных тонкопленочных транзисторов экрана используются оксиды индия, галлия и цинка. Эти материалы обладают значительно более подвижными электронами, что позволяет уменьшать размер пиксела, а также время отклика экрана.

К сожалению, пока неизвестно, как скоро MEMS-дисплеи поступят в серийное производство. По слухам, до конца года на рынке появится устройство, использующее решение Sharp/Qualcomm. Однако планы имеют тенденцию меняться.

MEMS и принтеры

Свое применение микроэлектромеханические системы нашли и в струйных принтерах. Наиболее известной технологией печати MEMS является Memjet.

Свое начало Memjet берет в далеком 2002 году. Именно тогда была создана одноименная компания. Возглавил ее основатель австралийской фирмы Silverbrook Research Киа Силвербрук. Компания Memjet объединила небольшую группу ученых под руководством Силвербрука, перед которыми была поставлена задача: изобрести революционную технологию печати. Спустя 5 лет, в 2007 году, была представлена технология Memjet.

Memjet C6010 — принтер, использующий технологию Memjet

Главная особенность технологии заключается в использовании печатающих головок на основе MEMS. Применение микроэлектромеханических систем позволило расположить сразу 70 400 дюз, генерирующих чернильные капли. А это примерно в 17 раз больше, чем в печатающих головках большинства современных струйных принтеров! Столь большое количество дюз обеспечивает очень высокую производительность. Расчетная скорость печати Memjet составляет 60 страниц формата А4 в минуту при разрешении 1600×800 dpi. Одна печатающая головка на базе MEMS имеет длину 222,8 мм и выстреливает свыше 700 млн чернильных капель в секунду. Интересно, что объемом одной такой капли составляет всего лишь 1,1-1,2 пиколитра. Для наглядности: диаметр такой капли составляет 13 мкм! В печатающей головке предусмотрено пять каналов для чернил пяти цветов, которые можно компоновать в различных комбинациях.

Стоит отметить, что применение Memjet отнюдь не ограничивается печатью формата А4. Технология также поддерживает широкоформатную печать шириной более одного метра без необходимости перемещения печатающей каретки. Это становится возможным благодаря расположению друг за другом нескольких печатающих головок.

Digitrode

цифровая электроника вычислительная техника встраиваемые системы

Что такое МЭМС технологии и МЭМС компоненты

Что такое МЭМС?

МЭМС (MEMS) или микроэлектромеханические системы – это концепция создания электронных компонентов, которая стала популярной в последнее время благодаря повышающейся степени миниатюризации.

МЭМС представляет собой технологию, которая позволяет миниатюризировать механические структуры и полностью интегрировать их с электрическими схемами, что приводит к одному физическому устройству, которое на самом деле больше похоже на систему, где «система» определяет, что механические компоненты и электрические компоненты работают вместе для реализации желаемой функциональности. Таким образом, это микро (т. е. очень маленькая) электрическая и механическая система.

Микромеханика и электрические цепи

Механические компоненты и системы обычно считаются менее технологически продвинутыми, чем сопоставимые решения, основанные главным образом на электрических явлениях, но это не означает, что механический подход повсеместно уступает. Механическое реле, например, намного старше, чем устройства на основе транзисторов, которые обеспечивают аналогичную функциональность, но механические реле все еще широко используются.

Тем не менее, типичные механические устройства всегда будут иметь недостаток в том, что они безнадежно громоздки по сравнению с электронными компонентами, имеющимися в интегральных схемах. Ограничения пространства данного приложения могут привести к тому, что электрические компоненты будут предпочтительными или требуемыми, даже если механическая реализация привела бы к более простой структуре или более высокой производительности.

Технология MEMS представляет собой концептуально прямое решение этой дилеммы: если мы модифицируем механические устройства таким образом, чтобы они были не только очень маленькими, но и полностью совместимы с технологическими процессами с интегральной схемой, мы можем в определенной степени получить лучшее из обоих миров.

Ниже показано изображение физической шестерни и цепи. Этот механизм движется и функционирует так, как вы ожидаете, от обычного механизма с цепью. Однако звенья в цепи имеют длину около 50 мкм, т. е. это меньше диаметра человеческого волоса.

Как делают МЭМС компоненты?

Выше было написано, что технология МЭМС представляет собой концептуально прямое решение. Как и следовало ожидать, идея создания микроскопического механического устройства намного проще, чем его создание.

Крошечные механические структуры в устройстве МЭМС изготовлены на основе физически модифицированного кремния (или другого материала подложки) с использованием специализированных методов, о которых точнее известно компаниям-производителям. Эти кремниевые механические структуры затем объединяются с кремниевыми интегральными схемами, и полученная электромеханическая система корпусируется и продается как единое устройство.

МЭМС-устройства используют микромашинные структуры, датчики и исполнительные механизмы. Датчики позволяют МЭМС обнаруживать тепловые, механические, магнитные, электромагнитные или химические изменения, которые могут быть преобразованы электронными схемами в пригодные для использования данные, а исполнительные механизмы создают физические изменения, а не просто измеряют их.

Пример МЭМС устройства

Давайте рассмотрим пример функциональности и внутренней структуры устройства МЭМС.

Приведенный выше рисунок представляет физическую структуру микромашинных ключей (коммутаторов, переключателей). Здесь мы видим четыре пучка переключателей, каждый из которых имеет пять контактов (использование нескольких контактов – это метод снижения сопротивления на входе). Пучки переключателей приводятся в действие приложенным напряжением.

А здесь мы увидели переключатель МЭМС (справа) и связанную схему драйвера (слева), взаимосвязанные и размещенные в корпусе QFN. Схема драйвера позволяет стандартному цифровому устройству, например микроконтроллеру, эффективно управлять коммутатором, потому что он обеспечивает все необходимое для генерации фазового сигнала высокого напряжения, который способствует эффективной и надежной работе переключателя.

Приложения МЭМС: где используются МЭМС-устройства

Технология МЭМС может быть включена в широкий спектр электронных компонентов. Компании, которые делают эти компоненты, предположительно утверждают, что реализация МЭМС превосходит все, что использовалось до того, как версия МЭМС стала доступной. Было бы трудно проверить достаточное количество этих претензий, чтобы оправдать обобщенное утверждение в соответствии с тем, что «устройства МЭМС предлагают значительно лучшую производительность, чем устройства, отличные от МЭМС». Однако общее впечатление инженеров заключается в том, что во многих ситуациях МЭМС действительно является значительным шагом вперед и если производительность или простота внедрения являются приоритетом в вашем проекте, то стоит сначала посмотреть на МЭМС-устройства.

В контексте электротехники технология МЭМС, как правило, используется в четырех категории продуктов: аудио, датчики, переключатели, осцилляторы (генераторы тактовых сигналов). Конечно, могут быть некоторые менее распространенные продукты, которые не вписываются в одну из этих категорий, но они встречаются довольно редко.

МЭМС в аудио

В сфере звукового оборудования мы можем найти МЭМС-микрофоны и колонки на основе МЭМС.

МЭМС-датчики

Датчики являются доминирующим применением методов МЭМС; существуют сделанные на основе МЭМС гироскопы, инклинометры, акселерометры, датчики расхода, датчики газа, датчики давления и датчики магнитного поля.

МЭМС-ключи

Электрически управляемые переключатели представляют собой довольно интересное применение технологии МЭМС. Например ADGM1004 производства компании Analog Devices легко контролировать, он работает с частотами от 0 Гц до более 10 ГГц, имеет ток утечки менее 1 нА в выключенном состоянии и обеспечивает очень быстрое время срабатывания.

МЭМС-осцилляторы

Объединение микромощного резонатора с возбуждающей схемой и поддерживающей схемой приводит к созданию МЭМС-генератора тактовых импульсов. Вот, например, осциллятор SiT2024B компании SiTime.

Такие устройства могут быть отличным выбором для требовательных приложений. Основываясь на информации SiTime, такой МЭМС-генератор может серьезно опередить кварцевые генераторы в плане производительности.

Ссылка на основную публикацию
Статьи c упоминанием слов:
Adblock
detector