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

MEMS: микроэлектромеханические системы, часть 1

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.

Как смартфоны чувствуют мир. Часть 1: акселерометры, гироскопы и другие сенсоры

Оглавление

Что же такое МЭМС (MEMS)? Под этой аббревиатурой скрывается название «микроэлектромеханические системы» (Microelectromechanical systems). Они представляют собой миниатюрные устройства, содержащие микроэлектронные и микромеханические компоненты. Само название МЭМС, скажем прямо, совсем не на слуху у пользователей. Однако каждый день мы пользуемся множеством девайсов, основанных на базе этих решений. Самым простым примером микроэлектромеханической системы может служить акселерометр, который используется во всех современных смартфонах, игровых консолях и жестких дисках. Однако существует множество других систем, применение которых отнюдь не ограничивается потребительской электроникой. Решения на основе МЭМС находят применение в автомобильной промышленности, военной отрасли, а также медицине.

История и архитектура

Для начала немного истории. По большому счету, началом развития МЭМС можно считать 1954 год. Именно тогда был открыт пьезорезистивный эффект кремния и германия, который лег в основу первых датчиков давления и ускорения. Через 20 лет — в 1974 году — компанией National Semiconductor впервые было налажено массовое производство датчиков давления. А в 1990-х годах рынок микроэлектромеханических систем значительно вырос благодаря началу использования различных миниатюрных сенсоров в автомобильной электронике.

MEMS-системы получили приставку «микро-» из-за своих размеров. Составные части таких устройств имеют размеры от 1 до 100 мкм, а размеры готовых систем варьируются от 20 мкм до 1 мм.

В плане архитектуры МЭМС-устройство состоит из нескольких взаимодействующих механических компонентов и микропроцессора, который обрабатывает данные, получаемые от этих компонентов. Какого-то стандарта для механических элементов нет: по своему типу они могут сильно различаться в зависимости от назначения конкретного устройства.

В качестве материалов для производства МЭМС могут использоваться как и традиционный кремний, так и другие материалы: например, полимеры, металлы и керамика. Чаще всего механические системы изготавливаются из кремния. Его основные преимущества заключаются в физических свойствах. Так, кремний очень надежен — он может работать в течение триллионов циклов операций и при этом не разрушаться. Что касается полимеров, то этот материал хорош тем, что его можно производить в больших количествах и, что самое важное, с множеством различных характеристик под конкретные задачи. Ну а металлы (золото, медь, алюминий), в свою очередь, обеспечивают высокие показатели надежности, хоть и уступают по качеству своих физических свойств кремнию.

Стоит отдельно упомянуть и о таких материалах, как нитриды кремния, алюминия и титана. Благодаря своим свойствам они широко используются в микроэлектромеханических системах с пьезоэлектрической архитектурой.

Что касается технологий производства МЭМС, то здесь используется несколько основных подходов. Это объемная микрообработка, поверхностная микрообработка, технология LIGA (Litographie, Galvanoformung и Abformung — литография, гальваностегия, формовка) и глубокое реактивное ионное травление. Объемная обработка считается самым бюджетным способом производства МЭМС. Ее суть заключается в том, что из кремниевой пластины путем химического травления удаляются ненужные участки материала, в результате чего на пластине остаются только необходимые механизмы.

Результат, полученный с помощью объемной обработки

Глубокое реактивное ионное травление почти полностью повторяет процесс объемной микрообработки, за исключением того, что для создания механизмов используется плазменное травление вместо химического. Полной противоположностью этим двум процессам является процесс поверхностной микрообработки, при котором необходимые механизмы «выращиваются» на кремниевой пластине путем последовательного нанесения тонких пленок. И, наконец, технология LIGA использует методы рентгенолитографии и позволяет создавать механизмы, высота которых значительно превышает ширину.

Читать еще:  Визуальные редакторы для быстрого создания сайтов

В целом, все МЭМС можно разделить на две большие категории: сенсоры и актуаторы. Различаются они принципом своей работы. Если задача сенсора состоит в преобразовании физических воздействий в электрические сигналы, то актуатор выполняет прямо противоположную работу, переводя сигнал в какие-либо действия. Тот же акселерометр является сенсором, а в качестве примера устройства, использующего актуаторы, можно привести DLP-проектор (Digital Light Processing).

DLP-проектор BenQ использует актуаторы

Ну а теперь мы поговорим о каждом устройстве в отдельности.

Акселерометры

Самым распространенным МЭМС-устройством является акселерометр. Как уже говорилось выше, сфера его использования чрезвычайно обширна. Она охватывает мобильные телефоны, ноутбуки, игровые приставки, а также более серьезные устройства, такие как автомобили. Само предназначение акселерометра заключается в измерении кажущегося ускорения. В случае с мобильными телефонами он используется для многих целей. Например, для смены ориентации экрана. Или же выполнения каких-либо функций при «встряхивании» устройства. Кроме этого, не стоит забывать и об играх — они, пожалуй, составляют основную сферу применения акселерометров. Нынче уже сложно представить «продвинутую» игрушку, в которой не было бы реализовано управление посредством наклона телефона. Одним словом, акселерометр стал неотъемлемой частью смартфонов. Кстати, впервые он был установлен в мобильный телефон Nokia 5500. Благодаря акселерометру телефон можно было использовать как шагомер. Любители утренних пробежек были в восторге! Но, конечно, только после выхода Apple iPhone акселерометры достигли пика популярности. Да и в целом интерес к MEMS начал расти вместе с развитием платформ iOS и Android.

Nokia 5500 — первый телефон с акселерометром

Акселерометры также имеются в различных контроллерах игровых консолей, будь то обыкновенный геймпад или несколько иное устройство, например, контроллер движения PlayStation Move. Кстати, акселерометр используется и в анонсированном на днях шлеме виртуальной реальности Sony Project Morpheus.

Особое значение имеет акселерометр, применяемый в ноутбуках, а точнее, в их жестких дисках. Всем известно, что винчестеры — устройства довольно хрупкие, и в случае с лэптопами вероятность их повреждения возрастает в разы. Так, при падении ноутбука акселерометр фиксирует резкое изменение ускорения и отдает команду на парковку головки жесткого диска, предотвращая и повреждение устройства, и потерю данных.

Акселерометр InvenSense MPU-6500

По схожему принципу акселерометр влияет на работу автомобильного видеорегистратора. При резком ускорении, торможении и перестроении транспортного средства видеозапись помечается специальным маркером, который защищает ее от стирания и перезаписи, что значительно облегчает дальнейшие разборы дорожно-транспортных происшествий.

В целом самым большим и перспективным рынком для акселерометров и других МЭМС является автомобильная промышленность. Дело в том, что в отличие от рынка мобильных и игровых устройств, где акселерометры используются в развлекательных целях, в автомобилях на работе акселерометра основываются буквально все системы безопасности. С их помощью работают система развертывания подушек безопасности, антиблокировочная система тормозов, система стабилизации, адаптивный круиз-контроль, адаптивная подвеска, система Traction Control — и это далеко не полный список! Учитывая, что производители автомобилей уделяют особое внимание безопасности, количество применяемых акселерометров и других МЭМС будет лишь расти.

Краш-тест автомобиля Opel Vectra. В 90-е годы подушки безопасности зачастую были только опцией

Но несмотря на то, что рамки использования акселерометра довольно четко определены, разработчики продолжают думать над тем, в каких еще целях можно применять это устройство. Например, ученые из Национального института геофизики и вулканологии Италии Антонио Д’Аллесандро (Antonino D’Alessandro) и Джузеппе Д’Анна (Giuseppe D’Anna) предложили использовать акселерометр мобильного телефона как датчик землетрясений. Очень интересно! Исследования проводились с акселерометром iPhone, и результаты сравнивались с показаниями полноценного датчика землетрясений компании Kinemetrics. Как оказалось, мобильный гаджет способен улавливать сильные землетрясения силой более 5 баллов по шкале Рихтера, но только если он находится вблизи эпицентра подземных толчков. Результаты не настолько впечатляют, однако ученые уверены: чувствительность акселерометров будет только расти, и в будущем они смогут определять и менее сильные землетрясения. Остается лишь вопрос: зачем акселерометру телефона измерять силу подземных толчков, когда есть датчики землетрясения? Все дело в том, что ученые ставят своей целью создание в будущем целой сети из смартфонов в сейсмически активных районах. В теории, при землетрясениях данные со смартфонов будут поступать в аналитический центр, что позволит определять наиболее пострадавшие от стихии районы и правильно координировать спасательные операции. Идея более чем интересная и, главное, действительно востребованная в некоторых уголках мира, однако сейчас сложно представить, как она будет реализована на практике.

Теперь поговорим о самой конструкции акселерометра. Существует несколько видов устройств в зависимости от их архитектуры. Работа акселерометра может основываться на конденсаторном принципе. Подвижная часть такой системы представляет собой обыкновенный грузик, который смещается в зависимости от наклона устройства. По мере его смещения изменяется емкость конденсатора, а именно меняется напряжение. Исходя из этих данных, можно получить смещение грузика, а вместе с тем и искомое ускорение.

MEMS: микроэлектромеханические системы, часть 1

Наномир на данный момент является своего рода фронтиром – передним краем науки, который пока еще только покоряют ученые-пионеры. А вот микромир уже достаточно давно освоен и в нем вовсю идет строительство. Пожалуй, самым впечатляющим типом микроструктур, которые создаются людьми, являются MEMS – микроэлектромеханические системы.

Обычно MEMS делят на два типа: сенсоры – измерительные устройства, которые переводят те или иные физические воздействия в электрический сигнал, и актуаторы (исполнительные устройства) – системы, которые занимаются обратной задачей, то есть переводом сигналов в те или иные действия. В этой части статьи поговорим о первой категории MEMS.

Пожалуй, самыми «трендовыми» из MEMS-сенсоров являются датчики движения. Они в последнее время постоянно на слуху: телефоны, коммуникаторы, игровые приставки, фотокамеры и ноутбуки все чаще и чаще снабжаются акселерометрами (датчиками ускорения) и гироскопами (датчиками поворота).

В мобильных телефонах и видеоприставках чувствительность к движениям пользователя используется в основном, что называется, «для прикола». А вот в портативных компьютерах акселерометры выполняют очень даже полезную функцию: улавливают момент, когда жесткий диск может подвергнуться повреждению из-за удара и паркуют его, диска, головки. В фототехнике использование датчиков движения не менее актуально – именно на их основе работают честные системы стабилизации изображения.

Классический гироскоп образца XIX века. Засунуть такой в iPhone или джойстик Wii довольно-таки затруднительно

Впрочем, рассуждать о том, что в реальности полезнее – активные игры на Wii, функция автоматического поворота картинки на iPhone, защита винчестера или возможность снимать фотографии без смазывания – дело неблагодарное. Покупателям нравится и то, и другое, и третье, и четвертое. Поэтому производители в последнее время стараются как можно более плотно использовать датчики движения.

Благо, возможностей у них для этого предостаточно: автопроизводители (из массовых индустрий они первыми опробовали данного рода устройства) уже несколько десятилетий активно эксплуатируют датчики движения, например, в подушках безопасности и антиблокировочных системах тормозов.

Так что соответствующие чипы давно разработаны, выпускаются целым рядом крупных и сравнительно мелких компаний и производятся в таких количествах, что цены давно и надежно сбиты до минимума. Типичный MEMS-акселерометр сегодня обходится в несколько долларов за штуку.

И места занимает – всего ничего. Для примера, размер корпуса пьезогироскопа Epson XV-8000 составляет 6×4,8×3,3 мм, а трехосного акселерометра LIS302DL производства ST Microelectronics – всего лишь 3x5x0,9 мм. Причем речь именно о размерах готового устройства с корпусом и контактами – сам кристалл еще меньше.

Датчик движения Epson XV-8000. И это далеко не самый компактный MEMS-сенсор

На сегодняшний день наиболее популярны датчики движения, основанные на конденсаторном принципе. Подвижная часть системы – классический грузик на подвесах. При наличии ускорения грузик смещается относительно неподвижной части акселерометра. Обкладка конденсатора, прикрепленная к грузику, смещается относительно обкладки на неподвижной части. Емкость меняется, при неизменном заряде меняется напряжение – это изменение можно измерить и рассчитать смещение грузика. Откуда, зная его массу и параметры подвеса, легко найти и искомое ускорение.

Основной принцип работы конденсаторных акселерометров

Это теория. На практике, MEMS-акселерометры устроены таким образом, что отделить друг от друга составные части – грузик, подвес, корпус и обкладки конденсатора – не так-то просто. Собственно, изящество MEMS в том и заключается, что в большинстве случаев в одной детали здесь удается (а вернее, попросту приходится) комбинировать сразу несколько предметов.

Относительно простой, но чрезвычайно миниатюрный и чувствительный MEMS-акселерометр разработки Sandia Labs

Зачастую, современные MEMS-гироскопы устроены идентично акселерометрам. Просто в них значения ускорений по осям пересчитываются в значения углов поворота – конструкция примерно та же, но на выходе другая величина.

Гироскоп L3G4200D производства ST Microelectronics используется в iPhone 4

Тот же STM L3G4200D, фотография с большим увеличением

Однако встречаются и гироскопы, устройство которых «заточено» именно под вращение. Такие MEMS – одни из красивейших.

Еще один гироскоп ST Microelectronics – LYPR540AH

Крупный план STM LYPR540AH. Толщина деталей этой ажурной конструкции – около 3 микрон!

Еще один MEMS-гироскоп

Помимо конденсаторных датчиков, существуют MEMS-акселерометры, использующие иные принципы. Например, датчики, основанные на пьезоэффекте. Вместо смещения обкладок конденсатора, в акселерометрах такого типа происходит давление грузика на пьезокристалл. Основной принцип тот же, что и в пьезозажигалках – под воздействием деформации пьезоэлемент вырабатывает ток. Из значения напряжения, зная параметры системы, можно найти силу, с которой грузик давит на кристалл – и, соответственно, рассчитать искомое ускорение.

Читать еще:  Unreal Tournament 3 – нереальная игра

Основной принцип работы акселерометров на пьезоэлементах

Есть и более экзотический тип MEMS-акселерометров – термальные датчики ускорения. В них в качестве основного объекта используется горячий пузырек воздуха. При движении пузырек отклоняется от центра системы, это отслеживается датчиками температуры. Чем дальше сместился пузырек – тем больше величина ускорения.

Двухосный термальный акслерометр

Менее популярный в статьях и обсуждениях, но гораздо более массовый тип MEMS-устройств – микроскопические микрофоны. Опять-таки, наиболее распространенными системами этого типа являются те, которые основаны на конденсаторном принципе.

Устроены они – проще некуда. Принципиально важных элементов в таком микрофоне всего два: это гибкая обкладка – мембрана, и более толстая, неподвижная обкладка. Под воздействием давления воздуха мембрана смещается, изменяется емкость между обкладками – при постоянном заряде изменяется напряжение. Эти данные пересчитываются в амплитуды и частоты звуковой волны.

Чтобы минимизировать влияние давления воздуха на неподвижную обкладку, эта обкладка перфорируется. Кроме того, под ней делается сравнительно большая ниша с обязательным вентиляционным отверстием. Идея в том, что единственным подвижным элементом в системе в идеале должна быть мембрана – и только она.

микроэлектромеханический микрофон под микроскопом. Диаметр мембраны чуть больше половины миллиметра

Как и в случае с акселерометрами, здесь может быть использован пьезоэффект — в этом случае под мембраной ставится пьезокристалл. Дальше – как и в случае пьезоакселерометров: давление воздуха передается мембраной на пьезоэлемент, под этим воздействием кристалл вырабатывает ток. Напряжение измеряется и переводится в амплитуду и частоту звука.

Самый миниатюрный MEMS-микрофон компании Akustica (площадь кристалла – 1 кв.мм) теряется рядом со своими более крупными родственниками

То, что годится для звука, подходит и для измерения давления в иных областях. Похожие на микрофоны MEMS-системы могут использоваться в качестве датчиков давления. Несложно догадаться, что применение такие сенсоры находят в уйме областей.

Но можно выделить одну область, которая является наиболее интересной и наиболее специфичной для датчиков давления, основанных на MEMS-технологии. Это медицина. Здесь размер действительно имеет значение. Если в какой-нибудь трубопровод вполне можно встроить «обычный», макроскопический датчик, то с кровеносным сосудом такой фокус, очевидно, не получится. Тут нужны очень и очень компактные решения.

Ультракомпактный и высокоточный датчики давления на фоне одноцентовой монеты (по размеру она примерно эквивалентна нынешним русским 50 копейкам)

Разумеется, в медицине востребованы не только датчики давления. Существует множество микроскопических биодатчиков, измеряющих массу разнообразных величин – от температуры до уровня глюкозы. Есть и более неожиданные устройства, вроде микроскопических систем подачи лекарств. И, разумеется, есть куча интереснейших прототипов, многие из которых в принципе не имеют аналогов среди макроустройств.

Прототип щипцов для микрохирургии глаза. Размеры головки щипцов – порядка 1,5х1,5 миллиметра. Толщина губ – несколько десятков микрон. Человеческий волос этими щипцами подцепить не получится – он для них слишком толстый

Что ж, разговор о MEMS-сенсорах мы на этом завершим. Впереди у нас еще более интересная и захватывающая тема: MEMS-актуаторы. Печатающие головки струйных принтеров, микрозеркальные матрицы, элементы оптико-волоконных сетей и многое другое. Обещаем: скучно не будет!

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.

Конструктивные особенности и основные характеристики микроэлектромеханических устройств 3 3.1 Технология MEMS

Микроэлектромеханические системы (MEMS) — технологии и устройства, объединяющие в себе микроэлектронные и микромеханические компоненты. MEMS устройства обычно изготавливают на кремниевой подложке с помощью технологии микрообработки, аналогично технологии изготовления однокристальных интегральных микросхем. Типичные размеры микромеханических элементов лежат в диапазоне от 1 микрометра до 100 микрометров, тогда как размеры кристалла MEMS микросхемы имеют размеры от 20 микрометров до одного миллиметра.

Многие из существующих инноваций не используют в полной мере свой потенциал вплоть до появления на рынке принципиально новых разработок. Так, одной из ключевых технологий вплоть до 2012 г. аналитическая компания Gartner называет технологию микро-электромеханических систем — MEMS (Micro-Electro Mechanical Systems). Согласно последним прогнозам In-Stat/MDR, рынок MEMS растет на 13,2% каждый год. Кстати, эту отрасль ИТ-индустрии в Японии называют микромашинами (Micromachines), а в Европе — микросистемными технологиями (Micro System Technology). По мнению аналитиков из Gartner, микро-электромеханические системы позволят с минимальными затратами повысить чувствительность и механическую отдачу устройств на уровне кристаллов.

Можно сказать, что MEMS — это множество микроустройств самой разнообразной конструкции и назначения, в производстве которых используются модифицированные технологические приемы микроэлектроники. Действительно, микро-электромеханические системы получаются путем комбинирования механических элементов, датчиков и электроники на общем кремниевом основании посредством технологий микропроизводства. Все элементы могут быть реализованы в виде единого изделия, причем сразу десятками или сотнями, как микросхемы на кремниевой пластине. В основе этого лежит апробированная традиционная технология производства полупроводниковых интегральных микросхем.

В истории развития MEMS-технологии, по мнению ведущих современных специалистов, можно выделить четыре этапа.

На первом непродолжительном этапе — исследовательском (с середины 50-х до начала 60-х годов прошлого столетия) основные усилия к формированию облика будущей технологии приложили как научные подразделения крупных компаний (в первую очередь знаменитая Bell Laboratories), так и собственно промышленные компании и академическая наука. Специфика этого периода заключается в том, что главное внимание уделялось востребованным во времена холодной войны технологиям двойного назначения, прежде всего созданию точных и дешевых датчиков различных типов (проектирование перспективных реактивных боевых самолетов, например, требовало значительного числа экспериментов), пригодных к массовому производству.

Читать еще:  Первый в мире игровой браузер Opera GX уже можно скачать

Неудивительно, что второй этап развития технологии связывают исключительно с мощными промышленными (точнее, с военно-промышленными) компаниями: такие гранды, как Fairchild, Westinghouse, Honeywell, спешили коммерциализировать первые экспериментальные наработки. На коммерциализацию ушло довольно много времени, и только к началу 70-х годов академическая наука стала получать целевое финансирование от промышленности для решения задач сокращения стоимости и расширения областей применения MEMS-устройств. Еще через десять лет этот этап также был преодолен — и наступила пора микромашинного производства. Можно считать, что с конца девяностых годов прошлого века началась микромеханическая эпоха.

Многие эксперты, включая специалистов одной из ведущих фирм в этой области — Integrated Sensing Systems — полагают, что MEMS-технология привносит буквально революционные изменения в каждую область применения путем совмещения микроэлектроники на основе кремния с микромеханической технологией, что позволяет реализовать систему на одном кристалле SoC (Systems-on-a-Chip). Так, технология MEMS дала новый импульс развитию систем инерциальной навигации и интегрированных систем, открыв путь к разработке «умных» изделий, увеличив вычислительные способности микродатчиков и расширив возможности дизайна таких систем.

Кремниевая объемная микрообработка включает технологию глубинного объемного травления. При таком процессе объемная структура получается внутри подложки благодаря ее анизотропным свойствам, т. е. различной скорости травления кристалла в зависимости от направления кристаллографических осей. Объемную структуру можно получить и методом наращивания, когда несколько подложек сплавляются и образуют вертикальные связи на атомарном уровне.

При поверхностной микромеханической обработке трехмерная структура образуется за счет последовательного наложения основных тонких пленок и удаления вспомогательных слоев в соответствии с требуемой топологией. Преимущество данной технологии — возможность многократного удаления (растворения) вспомогательных слоев без повреждения взаимосвязей базовых слоев. А главная ее особенность состоит в том, что она совместима с полупроводниковой технологией, поскольку для микрообработки используется обычная КМОП-технология.

Сотрудники Sandia National Laboratories разработали образец датчика, который может обнаруживать перемещение в менее чем 1 нм (рисунок 1). Основная часть прибора представляет собой решетку, изготовленную из двух перекрывающихся гребенок (поперечный размер 50 мкм): одна неподвижная, другая прикреплена к пружине. Расстояние между зубцами гребенки составляет от 600 до 900 нм, что сопоставимо с длиной волны видимого света. Даже при незначительном перемещении прибора подвижная гребенка совершает колебания, расширяя или сужая решетку, образованную пересекающимися зубцами. Изменение зазоров решетки влияет на ее оптические свойства, и лазерный луч, отражаясь от перекрывающихся зубцов, будет заметно ярким или тусклым. Считается возможным использовать такой детектор как основу навигационного прибора, который сможет работать независимо от спутниковой сети глобальной системы позиционирования.

Рисунок 2.1 — Датчик MEMS LLNL 100 (в сравнении с монетой)

Традиционно системы позиционирования на базе движения страдают от накопления мелких ошибок. С течением времени эти ошибки могут привести к показаниям, отклоняющимся на мили от действительного положения объекта.Позиционное фиксирование, обеспечивает гораздо более медленную деградацию характеристик. Кроме того, прибор может работать под водой и в туннеле, куда GPS-сигнал не проходит.

Когда меньше — лучше

Какие бывают и для чего используются микроэлектромеханические системы

Sandia National Laboratories

Электроника активно движется по пути миниатюризации составляющих ее компонентов. Это позволяет снизить энергопотребление и в несколько раз уменьшить размеры готового электронного устройства. Именно благодаря миниатюризации люди сегодня пользуются смартфонами, умеющими не только звонить и отправлять сообщения, но и считать шаги, показывать стороны света и даже измерять напряженность окружающего магнитного поля. Миниатюризация и развитие электроники позволили диабетикам отказаться от неточного определения уровня глюкозы в крови с помощью тест-полосок в пользу небольших устройств-глюкометров.

Потенциальную возможность создания микроскопических механических систем ученые предсказали еще в 1950-х годах, однако существовавшие тогда технологии не позволяли реализовать такие системы. Но уже в 1980-х годах стали возможны первые их образцы. Тогда же американское Агентство перспективных оборонных разработок Пентагона, интересовавшееся возможностью миниатюризации военной электроники, предложило название для новых устройств — microelectromechanical systems (MEMS), или микроэлектромеханические системы (МЭМС). Впрочем, сегодня в военной технике такие системы практически не используются из-за их уязвимости к внешним воздействиям и небольшой точности.

Отчасти миниатюризация мобильных устройств обязана появлению микроэлектромеханических систем. Это миниатюрные устройства размером от пары десятков микрометров до одного миллиметра, в которых установлены еще меньшие электрические и механические компоненты. Размеры этих компонентов обычно варьируют от одного микрометра до пары сотен микрометров. Но если не брать в расчет размеры, то МЭМС похожи на обычные механизмы, окружающие нас в повседневной жизни, например, счетчики электричества, и работают по тому же принципу. Так, в 2012 году Сандийские лаборатории в США создали МЭМС-редуктор, позволяющий увеличить передаваемую от микродвигателя мощность в три миллиона раз.

Сегодня МЭМС используются в большом количестве устройств: автомобильных системах курсовой устойчивости, в жестких дисках ноутбуков, смартфонах, потребительских дронах, датчиках давления и печатающих головках струйных принтеров. Например, в жесткие диски встроены МЭМС-акселерометры. Если с их помощью прошивка жесткого диска определит состояние свободное падение, она отдаст команду на парковку головок в безопасной зоне, чтобы при ударе о землю они не коснулись «блинов» и не повредили важную информацию. Именно МЭМС-акселерометры в наших фотоаппаратах определяют горизонтальное или вертикальное положение камеры.

Готовое МЭМС-устройство представляет собой чип, в котором одновременно находятся движущаяся механическая система и электронная система, отвечающая за обработку сигналов. Так, в МЭМС-акселерометре расположены микроскопические грузики на подвесе с конденсаторной обкладкой. Ответная часть конденсаторной обкладки расположена на неподвижной части системы, а все вместе они образуют конденсатор. Если датчик должен измерять ускорение по трем осям, то и грузиков в нем присутствует три. При ускорении тот или иной грузик немного смещается, и при этом обкладка конденсатора на грузике сдвигается относительно обкладки конденсатора на неподвижной части системы.

Во время работы конденсатор акселерометра заряжается. При сдвигании его обкладок при неизменном заряде изменяется напряжение на выходе. Его уже измеряет специальный чип, интегрированный в корпус МЭМС-устройства. Впоследствии с учетом этих измерений, а также заранее известных массы грузика и параметров подвеса, чип устройства выдает готовое значение ускорения по той или иной оси. И уже это значение используется в смартфоне, фотоаппарате, автомобиле или квадрокоптере для подсчета шагов, стабилизации изображения, предотвращения заноса и выравнивания полета.

В некоторых случаях решить задачу одной только механикой и обкладками конденсатора невозможно. В частности, всевозможные пьезоэлектрические лаборатории-на-чипе, призванные определять, скажем, наличие антигена или какого-либо белка в биологической жидкости, используют специальное вещество, притягивающее нужные молекулы. Пьезоэлектрические МЭМС-биосенсоры содержат в себе кристалл, покрытый реагентом и деформирующийся под воздействием электрического поля. Частота таких деформаций постоянно измеряется. Если вещество на кристалле притянет большое количество молекул из анализируемой жидкости, частота деформаций изменится.

Сегодня существует множество способов производить МЭМС. Наиболее распространенным из них является осаждение на подложке слоев материала и так называемых жертвенных слоев на подложку, фотолитография (создание нужного рисунка на поверхности) и последующее травление в жидком растворе или с помощью плазмы. В результате травления, участки слоев материала, покрытые рисунком, сохраняются, а незащищенные участки и жертвенные слои исчезают. Так появляется готовая микромеханическая система, которую затем уже интегрируют в готовое МЭМС-устройство. Обычно для производства МЭМС использую кремний, но в последнее время проводятся опыты и с другими материалами, включая керамику.

С каждым днем МЭМС-устройства становятся все сложнее. Если первые такие системы не имели практического применения и были призваны лишь показать технологии миниатюризации, то сегодня существуют уже сложные МЭМС-устройства, способные выполнять несколько задач. Так, в Сандийских лабораториях разработали оптический МЭМС-затвор, в котором сочетаются два микродвигателя, направляющая шестеренка и непосредственно затвор, выполненный в виде большой шестерни. Возвратно-поступательные движения с микродвигателей через направляющие с шестеренкой передаются на затвор, благодаря чему тот может может поворачиваться с очень большой скоростью.

По мере развития технологий МЭМС, такие системы становятся все надежнее и защищеннее. Если изначально тот же акселерометр при равном ускорении одинаковой направленности мог выдавать довольно сильно отклоняющиеся друг от друга значения (поэтому для повышения точности использовалось усредненное значение нескольких сотен измерений), то теперь такие отклонения стали достаточно малы. Настолько малы, что в марте прошлого года военные заказали американской компании Northrop Grumman разработку МЭМС-акселерометров и гироскопов для компактной системы инерциальной навигации. По мнению военных, они могут работать точнее современных лазерных систем инерциальной навигации.

МЭМС-насос. Он представляет собой канал для тока жидкости, проходящий через лопатки турбины. Та, в свою очередь, соединена с микродвигателем. При подаче питания на такое устройство микродвигатель начинает вращаться, приводя в движение микротурбину, которая начинает перекачивать жидкость. Для МЭМС-насосов исследователи видят несколько областей применения, включая постоянную адресную подачу микроскопических доз лекарств и перекачку электролита в емких аккумуляторах.

Ссылка на основную публикацию
Статьи c упоминанием слов:
Adblock
detector