- MEMS-laitteet ja -sovellukset
- MEMS-kiihtyvyysmittarit
- MEMS-paineanturit
- MEMS-mikrofoni
- MEMS-magneettimittari
- MEMS-gyroskooppi
MEMS tarkoittaa mikroelektromekaanisia järjestelmiä ja se viittaa mikrometrin kokoisiin laitteisiin, joissa on sekä elektronisia komponentteja että mekaanisia liikkuvia osia. MEMS-laitteet voidaan määritellä laitteiksi, joilla on:
- Koko mikrometreinä (1--100 mikrometriä)
- Virran virtaus järjestelmässä (sähkö)
- Ja siinä on liikkuvia osia (mekaaninen)
Alla on kuva MEMS-laitteen mekaanisesta osasta mikroskoopilla. Tämä ei välttämättä näytä hämmästyttävältä, mutta tiedätkö, että vaihde on 10 mikrometriä, joka on puolet hiusten koosta. Joten on varsin mielenkiintoista tietää, kuinka tällaiset monimutkaiset rakenteet upotetaan sirun kokoisiksi vain muutaman millimetrin pituisiksi.
MEMS-laitteet ja -sovellukset
Tämä tekniikka otettiin ensimmäisen kerran käyttöön 1965-luvulla, mutta massatuotanto on aloitettu vasta vuonna 1980. Tällä hetkellä yli 100 miljardia MEMS-laitetta on tällä hetkellä aktiivinen eri sovelluksissa, ja ne näkyvät matkapuhelimissa, kannettavissa tietokoneissa, GPS-järjestelmissä, autoissa jne.
MEMS-tekniikka on sisällytetty moniin elektronisiin komponentteihin, ja niiden määrä kasvaa päivä päivältä. Halvempien MEMS-laitteiden kehittämisen myötä voimme nähdä, että ne ottavat tulevaisuudessa haltuunsa monia muita sovelluksia.
Kun MEMS-laitteet toimivat normaalia paremmin, ellei parempaa tekniikkaa tule peliin, MEMS pysyy valtaistuimella. MEMS-tekniikassa merkittävimpiä elementtejä ovat mikroanturit ja mikrotoimilaitteet, jotka on luokiteltu asianmukaisesti antureiksi. Nämä anturit muuttavat energiaa muodosta toiseen. Mikrosensoreiden tapauksessa laite muuntaa mitatun mekaanisen signaalin tyypillisesti sähköiseksi signaaliksi ja mikro-toimilaite muuntaa sähköisen signaalin mekaaniseksi ulostuloksi.
Muutama tyypillinen MEMS-tekniikkaan perustuva anturi selitetään alla.
- Kiihtyvyysmittarit
- Paineanturit
- Mikrofoni
- Magnetometri
- Gyroskooppi
MEMS-kiihtyvyysmittarit
Ennen kuin menee suunnitteluun olkaamme keskustella toimintaperiaate suunnitellessa käytettyjen MEMS kiihtyvyysanturi ja siitä pitävät massa-jousi perustaa alla.
Täällä massa ripustetaan kahdella jousella suljetussa tilassa ja kokoonpanon katsotaan olevan levossa. Jos keho alkaa yhtäkkiä liikkua eteenpäin, kehossa suspendoitunut massa kokee taaksepäin suuntautuvan voiman, joka aiheuttaa siirtymän asennossaan. Tämän takia jouset vääntyvät alla olevan kuvan mukaisesti.
Tämä ilmiö on myös kokenut, kun istumme missä tahansa liikkuvassa ajoneuvossa, kuten autossa, bussissa, junassa jne., Joten samaa ilmiötä käytetään kiihtyvyysmittareiden suunnittelussa.
mutta massan sijaan käytämme johtavia levyjä liikkuvana osana jousiin. Koko asennus tapahtuu alla esitetyllä tavalla.
Kaaviossa tarkastellaan ylimmän liikkuvan levyn ja kiinteän levyn välistä kapasitanssia:
C1 = e 0 A / d1
missä d 1 on niiden välinen etäisyys.
Tässä voimme nähdä, että kapasitanssi C1-arvo on kääntäen verrannollinen levyn yläosassa liikkuvan ja kiinteän levyn väliseen etäisyyteen.
Pohjan liikkuvan levyn ja kiinteän levyn välinen kapasitanssi
C2 = e 0 A / d2
missä d 2 on niiden välinen etäisyys
Täällä voimme nähdä, että kapasitanssi C2 on kääntäen verrannollinen pohjassa liikkuvan levyn ja kiinteän levyn väliseen etäisyyteen.
Kun runko on levossa, sekä ylempi että alempi levy ovat yhtä kaukana kiinteästä levystä, joten kapasitanssi C1 on yhtä suuri kuin kapasitanssi C2. Mutta jos runko yhtäkkiä liikkuu eteenpäin, levyt siirtyvät alla olevan kuvan mukaisesti.
Tällöin kapasitanssi C1 kasvaa, kun ylälevyn ja kiinteän levyn välinen etäisyys pienenee. Toisaalta kapasitanssi C2 pienenee, kun pohjalevyn ja kiinteän levyn välinen etäisyys kasvaa. Tämä kapasitanssin kasvu ja lasku on lineaarisesti verrannollinen päärungon kiihtyvyyteen, joten suurempi kiihtyvyys on suurempi muutos ja pienempi kiihtyvyys pienempi muutos.
Tämä vaihteleva kapasitanssi voidaan kytkeä RC-oskillaattoriin tai toiseen piiriin sopivan virran tai jännitteen lukemisen saamiseksi. Saatuamme halutun jännitteen tai virta-arvon voimme käyttää näitä tietoja helposti analysoida.
Vaikka tätä asetusta voidaan käyttää kiihtyvyyden mittaamiseen onnistuneesti, se on iso eikä käytännöllinen. Mutta jos käytämme MEMS-tekniikkaa, voimme pienentää koko kokoonpanon muutaman mikrometrin kokoon, jolloin laite soveltuu paremmin.
Yllä olevasta kuvasta näet todellisen MEMS-kiihtyvyysmittarissa käytetyn asennuksen. Tässä useita kondensaattorilevyjä on järjestetty sekä vaaka- että pystysuunnassa kiihtyvyyden mittaamiseksi molempiin suuntiin. Kondensaattorilevy on kooltaan muutama mikrometri ja koko kokoonpano tulee kooltaan muutamaan millimetriin, joten voimme käyttää tätä MEMS-kiihtyvyysanturia akkukäyttöisissä kannettavissa laitteissa, kuten älypuhelimissa, helposti.
MEMS-paineanturit
Me kaikki tiedämme, että kun esineeseen kohdistetaan painetta, se venyy, kunnes se saavuttaa murtumispisteen. Tämä rasitus on suoraan verrannollinen käytettyyn paineeseen tiettyyn rajaan saakka, ja tätä ominaisuutta käytetään MEMS-paineanturin suunnittelussa. Alla olevasta kuvasta näet MEMS-paineanturin rakennesuunnittelun.
Täällä kaksi johdinlevyä on asennettu lasirunkoon, ja niiden välillä on tyhjiö. Yksi johtolevy on kiinnitetty ja toinen levy on joustava liikkumaan paineen alaisena. Nyt kun otat kapasitanssimittarin ja otat lukeman kahden lähtöliittimen välillä, voit tarkkailla kahden rinnakkaisen levyn välistä kapasitanssiarvoa, koska koko kokoonpano toimii yhdensuuntaisena levykondensaattorina. Koska se toimii rinnakkaislevykondensaattorina, tavalliseen tapaan kaikki tyypillisen kondensaattorin ominaisuudet koskevat sitä nyt. Lepotilassa kutsutaan kahden levyn välinen kapasitanssi C1: ksi.
se muuttuu ja siirtyy lähemmäksi alempaa kerrosta kuvan osoittamalla tavalla. Koska kerrokset lähestyvät, kahden kerroksen kapasitanssi kasvaa. Joten korkeammat etäisyydet pienentävät kapasitanssia ja pienentävät kapasitanssia. Jos yhdistämme tämän kapasitanssin RC-resonaattoriin, voimme saada taajuussignaaleja, jotka edustavat painetta. Tämä signaali voidaan antaa mikro-ohjaimelle jatkokäsittelyä ja datan käsittelyä varten.
MEMS-mikrofoni
MEMS-mikrofonin rakenne on samanlainen kuin paineanturi, ja alla olevassa kuvassa näkyy mikrofonin sisäinen rakenne.
Katsotaanpa, että asetus on levossa ja näissä olosuhteissa kiinteän levyn ja kalvon välinen kapasitanssi on C1.
Jos ympäristössä on kohinaa, ääni tulee laitteeseen sisääntulon kautta. Tämä ääni saa kalvon värisemään, jolloin kalvon ja kiinteän levyn välinen etäisyys muuttuu jatkuvasti. Tämä puolestaan aiheuttaa kapasitanssin C1 muutoksen jatkuvasti. Jos yhdistämme tämän muuttuvan kapasitanssin vastaavaan prosessisiruun, voimme saada muuttuvan kapasitanssin sähkötehon. Koska kapasitanssin muutos liittyy ensinnäkin suoraan meluun, tätä sähköistä signaalia voidaan käyttää muunnettuna tuloäänenä.
MEMS-magneettimittari
MEMS-magnetometriä käytetään maan magneettikentän mittaamiseen. Laite on rakennettu Hall-efektin tai Magneto-resistiivisen vaikutuksen perusteella. Useimmat MEMS-magneettimittarit käyttävät Hall-efektiä, joten keskustelemme siitä, miten tätä menetelmää käytetään magneettikentän voimakkuuden mittaamiseen. Tarkastellaan tätä varten johtavaa levyä ja liitetään toisen sivun päät akkuun kuvan osoittamalla tavalla.
Täältä näet elektronien virtaussuunnan, joka on negatiivisesta napasta positiiviseen napaan. Jos magneetti viedään lähelle johtimen yläosaa, johtimen elektronit ja protonit jakautuvat alla olevan kuvan mukaisesti.
Tällöin positiivista varausta kantavat protonit kerääntyvät tason toiselle puolelle, kun taas negatiivista varausta kantavat elektronit kerääntyvät täsmälleen vastakkaiselle puolelle. Tällä hetkellä, jos otamme voltimittarin ja yhdistämme molemmista päistä, saamme lukeman. Tämä jännitelukema V1 on verrannollinen kentän voimakkuuteen, jonka johtimen kärki kokee. Jännitteenmuodostuksen täydellistä ilmiötä virran ja magneettikentän avulla kutsutaan Hall-efektiksi.
Jos yksinkertainen järjestelmä suunnitellaan käyttämällä MEMS: ää, yllä olevan mallin perusteella, saadaan anturi, joka tunnistaa kentän voimakkuuden ja tuottaa lineaarisesti suhteellisen sähkötehon.
MEMS-gyroskooppi
MEMS-gyroskooppi on erittäin suosittu ja sitä käytetään monissa sovelluksissa. Esimerkiksi voimme löytää MEMS-gyroskoopin lentokoneista, GPS-järjestelmistä, älypuhelimista jne. MEMS-gyroskooppi on suunniteltu Coriolis-efektin perusteella. MEMS-gyroskoopin periaatteen ja toiminnan ymmärtämiseksi tarkastellaan sen sisäistä rakennetta.
Tässä S1, S2, S3 ja S4 ovat jouset, joita käytetään ulomman silmukan ja toisen silmukan liittämiseen. S5, S6, S7 ja S8 ovat jousia, joita käytetään toisen silmukan ja massan 'M' liittämiseen. Tämä massa resonoi y-akselia pitkin, kuten kuvion suunnat osoittavat. Myös tämä resonaatiovaikutus saavutetaan yleensä käyttämällä sähköstaattista vetovoimaa MEMS-laitteissa.
Lepo-olosuhteissa kahden ylimmän kerroksen tai pohjan levyn välinen kapasitanssi on sama, ja se pysyy samana, kunnes näiden levyjen välinen etäisyys muuttuu.
Oletetaan, että jos asennamme tämän kokoonpanon pyörivälle levylle, levyjen sijainti muuttuu alla esitetyllä tavalla.
Kun asennus on asennettu pyörivälle levylle kuvan osoittamalla tavalla, kokoonpanon sisällä resonoiva massa kokee voiman, joka aiheuttaa siirtymän sisäasennuksessa. Näet, että kaikki neljä jousta S1 - S4 ovat muodonmuutoksia tämän siirtymän takia. Tämä voiman aiheuttama resonoiva massa, kun se asetetaan yhtäkkiä pyörivälle levylle, voidaan selittää Coriolis-efektillä.
Jos ohitamme monimutkaiset yksityiskohdat, voidaan päätellä, että äkillisen suunnanmuutoksen takia sisemmässä kerroksessa on siirtymä. Tämä siirtymä aiheuttaa myös kondensaattorilevyjen välisen etäisyyden muutoksen sekä ala- että yläkerroksessa. Kuten aikaisemmissa esimerkeissä on selitetty, etäisyyden muutos aiheuttaa kapasitanssin muutoksen.
Ja voimme käyttää tätä parametria mittaamaan levyn pyörimisnopeuden, jolle laite asetetaan.
Monet muut MEMS-laitteet on suunniteltu MEMS-tekniikkaa käyttäen, ja myös niiden määrä kasvaa päivittäin. Mutta kaikilla näillä laitteilla on tietty samankaltaisuus työskentelyssä ja suunnittelussa, joten ymmärtämällä muutamia edellä mainittuja esimerkkejä voimme helposti ymmärtää muiden vastaavien MEMS-laitteiden toiminnan.