Mikroelektromehaanilised süsteemid (MEMS komponendid) ja nendel põhinevad andurid

MEMS-i komponendid (vene MEMS) — tähendab mikroelektromehaanilisi süsteeme. Nende peamine eristav omadus on see, et need sisaldavad teisaldatavat 3D-struktuuri. See liigub välismõjude mõjul. Seetõttu ei liigu MEMS-i komponentides mitte ainult elektronid, vaid ka koostisosad.

MEMS-i komponendid on üks mikroelektroonika ja mikromehaanika elemente, mida sageli toodetakse ränisubstraadil. Oma struktuurilt meenutavad need ühekiibiliste integraallülitustega. Tavaliselt on nende MEMS-i mehaaniliste osade suurus ühikutest sadade mikromeetriteni ja kristall ise on 20 μm kuni 1 mm.

Joonis 1 on MEMS-i struktuuri näide

Kasutusnäited:

1. Erinevate mikroskeemide tootmine.

2. MEMS-ostsillaatoreid vahetatakse mõnikord välja kvartsresonaatorid.

3. Andurite tootmine, sealhulgas:

• kiirendusmõõtur;

• güroskoop

• nurkkiiruse andur;

• magnetomeetriline andur;

• baromeetrid;

• keskkonnaanalüütikud;

• raadiosignaali mõõtmise muundurid.

MEMS-struktuurides kasutatavad materjalid

Peamised materjalid, millest MEMS-i komponendid valmistatakse, on järgmised:

1. Räni. Praegu on suurem osa elektroonikakomponentidest valmistatud sellest materjalist. Sellel on mitmeid eeliseid, sealhulgas: levik, tugevus, praktiliselt ei muuda selle omadusi deformatsiooni ajal. Fotolitograafia, millele järgneb söövitamine, on räni MEMS-i peamine tootmismeetod.

2. Polümeerid. Kuna räni, kuigi levinud materjal, on suhteliselt kallis, võib mõnel juhul selle asendamiseks kasutada polümeere. Neid toodetakse tööstuslikult suurtes kogustes ja erinevate omadustega. Polümeer-MEMS-i peamised tootmismeetodid on survevalu, stantsimine ja stereolitograafia.

Tootmismahud suurtootja näitel

Näitena nende komponentide nõudluse kohta võtame ST Microelectronicsi. See teeb suure investeeringu MEMS-tehnoloogiasse, selle tehased ja tehased toodavad kuni 3 000 000 elementi päevas.

Joonis 2 – MEMS-komponente arendava ettevõtte tootmisrajatised

Tootmistsükkel on jagatud 5 põhietappi:

1. Laastude tootmine.

2. Testimine.

3. Karpide pakkimine.

4. Lõplik testimine.

5. Tarnimine edasimüüjatele.

Joonis 3 — tootmistsükkel

Erinevat tüüpi MEMS-andurite näited

Vaatame mõnda populaarset MEMS-andurit.

Kiirendusmõõtur See on seade, mis mõõdab lineaarset kiirendust. Seda kasutatakse objekti asukoha või liikumise määramiseks. Seda kasutatakse mobiiltehnoloogias, autodes ja mujal.

Joonis 4 – kiirendusmõõturi tuvastatud kolm telge

Joonis 5 – MEMS-kiirendusmõõturi sisemine struktuur

Joonis 6 – kiirendusmõõturi struktuuri selgitus

Kiirendusmõõturi funktsioonid, kasutades LIS3DH komponendi näidet:

1,3-teljeline kiirendusmõõtur.

2. Töötab SPI ja I2C liidestega.

3. Mõõtmine 4 skaalal: ± 2, 4, 8 ja 16g.

4. Kõrge eraldusvõime (kuni 12 bitti).

5. Madal tarbimine: 2 µA väikese energiatarbega režiimis (1 Hz), 11 µA tavarežiimis (50 Hz) ja 5 µA väljalülitusrežiimis.

6. Töö paindlikkus:

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

• Ribalaius kuni 2,5 kHz;

• 32-tasemeline FIFO (16-bitine);

• 3 ADC sisendit;

• Temperatuuriandur;

• 1,71 kuni 3,6 V toiteallikas;

• enesediagnostika funktsioon;

• Korpus 3 x 3 x 1 mm. 2.

Güroskoop See on seade, mis mõõdab nurknihet. Seda saab kasutada telje ümber pöördenurga mõõtmiseks. Selliseid seadmeid saab kasutada lennukite: lennukite ja erinevate UAV-de navigatsiooni- ja lennujuhtimissüsteemina või mobiilsete seadmete asukoha määramiseks.

Joonis 7 – güroskoobiga mõõdetud andmed

Joonis 8 – Sisemine struktuur

Mõelge näiteks güroskoop L3G3250A MEMS omadustele:

• 3-teljeline analooggüroskoop;

• Analoogmüra ja vibratsioonikindlus;

• 2 mõõteskaalat: ± 625 ° / s ja ± 2500 ° / s;

• Väljalülitus- ja puhkerežiimid;

• enesediagnostika funktsioon;

• tehase kalibreerimine;

• Kõrge tundlikkus: 2 mV / ° / s 625 ° / s juures

• Sisseehitatud madalpääsfilter

• Stabiilsus kõrgel temperatuuril (0,08 ° / s / ° C)

• Suure löögi olek: 10 000 g 0,1 ms jooksul

• Temperatuurivahemik -40 kuni 85 °C

• Toitepinge: 2,4 — 3,6V

• Tarbimine: 6,3 mA tavarežiimis, 2 mA puhkerežiimis ja 5 μA väljalülitusrežiimis

• Korpus 3,5 x 3 x 1 LGA

järeldused

MEMS-andurite turul on lisaks aruandes käsitletud näidetele ka teisi elemente, sealhulgas:

• Mitmeteljelised (nt 9-teljelised) andurid

• Kompassid;

• Andurid keskkonna (rõhu ja temperatuuri) mõõtmiseks;

• Digitaalsed mikrofonid ja palju muud.

Kaasaegsed tööstuslikud ülitäpsed mikroelektromehaanilised süsteemid, mida kasutatakse aktiivselt sõidukites ja kaasaskantavates arvutites.