- Устройства и приложения на MEMS
- Акселерометри MEMS
- MEMS Сензори за налягане
- MEMS микрофон
- MEMS магнитометър
- MEMS Жироскоп
MEMS означава Micro-Electro-Mechanical Systems и се отнася до устройства с размер на микрометър, които имат както електронни компоненти, така и механични движещи се части. Устройствата MEMS могат да бъдат определени като устройства, които имат:
- Размер в микрометър (1 микрометър до 100 микрометра)
- Потокът на ток в системата (електрически)
- И има движещи се части вътре (механични)
По-долу е изображението на Механичната част на устройство MEMS под микроскоп. Това може да не изглежда невероятно, но знаете ли, че размерът на съоръжението е 10 микометра, което е половината от размера на човешката коса. Така че е доста интересно да се знае как такива сложни конструкции са вградени в чип с размер само няколко милиметра.
Устройства и приложения на MEMS
Тази технология е въведена за първи път през 1965 г., но масовото производство започва едва през 1980 г. Понастоящем има повече от 100 милиарда устройства MEMS, които в момента са активни в различни приложения и те могат да се видят в мобилни телефони, лаптопи, GPS системи, автомобили и др.
Технологията MEMS е включена в много електронни компоненти и броят им нараства от ден на ден. С напредъка в разработването на по-евтини MEMS устройства можем да видим как те поемат много повече приложения в бъдеще.
Тъй като MEMS устройствата се представят по-добре от нормалните устройства, освен ако не влезе в действие по-ефективна технология, MEMS ще остане на трона. В технологията MEMS най-забележителните елементи са микросензори и микро изпълнителни механизми, които са подходящо категоризирани като преобразуватели. Тези преобразуватели преобразуват енергията от една форма в друга. В случай на микросензори, устройството обикновено преобразува измерения механичен сигнал в електрически сигнал, а микроактуаторът преобразува електрически сигнал в механичен изход.
Няколко типични сензора, базирани на технологията MEMS, са обяснени по-долу.
- Акселерометри
- Сензори за налягане
- Микрофон
- Магнитометър
- Жироскоп
Акселерометри MEMS
Преди да се заемем с дизайна, нека обсъдим принципа на работа, използван при проектирането на акселерометъра MEMS и за това да разгледаме масова пружина, показана по-долу.
Тук маса е окачена с две пружини в затворено пространство и се счита, че устройството е в покой. Сега, ако тялото внезапно започне да се движи напред, тогава масата, окачена в тялото, изпитва обратна сила, която причинява изместване в неговото положение. И поради това преместването пружини се деформират, както е показано по-долу.
Този феномен също трябва да бъде изпитан от нас, когато седим във всяко движещо се превозно средство като кола, автобус, влак и т.н., така че същото явление се използва при проектирането на акселерометрите.
но вместо маса, ще използваме проводими плочи като движеща се част, прикрепена към пружините. Цялата настройка ще бъде както е показано по-долу.
На диаграмата ще разгледаме капацитета между горната подвижна плоча и неподвижната плоча:
C1 = e 0 A / d1
където d 1 е разстоянието между тях.
Тук можем да видим, че стойността на капацитета C1 е обратно пропорционална на разстоянието между върха на движещата се плоча и неподвижната плоча.
Капацитетът между долната подвижна плоча и неподвижната плоча
C2 = e 0 A / d2
където d 2 е разстоянието между тях
Тук можем да видим, че стойността на капацитета C2 е обратно пропорционална на разстоянието между долната подвижна плоча и неподвижната плоча.
Когато тялото е в покой, горната и долната плочи ще бъдат на еднакво разстояние от неподвижната плоча, така че капацитетът C1 ще бъде равен на капацитета C2. Но ако тялото внезапно се придвижи напред, тогава плочите се изместват, както е показано по-долу.
По това време капацитетът C1 се увеличава, тъй като разстоянието между горната плоча и неподвижната плоча намалява. От друга страна капацитетът, C2 намалява, тъй като разстоянието между долната плоча и неподвижната плоча се увеличава. Това увеличаване и намаляване на капацитета е линейно пропорционално на ускорението на основното тяло, така че по-голямото ускорение е по-голямо и изменението е по-ниско, а по-малко е ускорението.
Този променлив капацитет може да бъде свързан към RC осцилатор или друга верига, за да се получи съответното отчитане на ток или напрежение. След получаване на желаната стойност на напрежението или тока можем лесно да използваме тези данни за допълнителен анализ.
Въпреки че тази настройка може да се използва за успешно измерване на ускорението, тя е обемиста и не е практична. Но ако използваме технологията MEMS, можем да намалим цялата настройка до размер от няколко микрометра, което прави устройството по-приложимо.
На горната фигура можете да видите действителната настройка, използвана в акселерометър MEMS. Тук множествените кондензаторни плочи са организирани както в хоризонтална, така и във вертикална посока, за да се измери ускорението в двете посоки. Кондензаторната плоча е с размер до няколко микрометра и цялата настройка ще бъде с размер до няколко милиметра, така че можем лесно да използваме този акселерометър MEMS в преносими устройства, работещи с батерии, като смартфони.
MEMS Сензори за налягане
Всички знаем, че когато се упражни натиск върху даден обект, той ще се напряга, докато достигне точката на счупване. Това напрежение е право пропорционално на приложеното налягане до определена граница и това свойство се използва за проектиране на сензор за налягане MEMS. На фигурата по-долу можете да видите конструктивния дизайн на сензор за налягане MEMS.
Тук две проводникови плочи са монтирани върху стъклено тяло и между тях ще има вакуум. Едната проводникова плоча е фиксирана, а другата плоча е гъвкава за движение под налягане. Сега, ако вземете измервателен капацитет и вземете отчитане между два изходни терминала, тогава можете да наблюдавате стойност на капацитета между две успоредни плочи, това е така, защото цялата настройка действа като кондензатор на успоредна плоча. Тъй като той действа като паралелен кондензатор, тогава, както обикновено, всички свойства на типичния кондензатор се отнасят за него сега. В условията на почивка нека наречем капацитета между две плочи да бъде C1.
той ще се деформира и ще се приближи до долния слой, както е показано на фигурата. Тъй като слоевете се приближават, капацитетът между два слоя се увеличава. Така че по-високите разстояния намаляват капацитета и намаляват разстоянието, по-голям капацитета. Ако свържем този капацитет към RC резонатор, тогава можем да получим честотни сигнали, представляващи налягането. Този сигнал може да бъде подаден на микроконтролер за по-нататъшна обработка и обработка на данни.
MEMS микрофон
Дизайнът на MEMS микрофона е подобен на сензора за налягане и фигурата по-долу показва вътрешната структура на микрофона.
Нека помислим, че настройката е в покой и при тези условия капацитетът между неподвижната плоча и диафрагмата е C1.
Ако в околната среда има шум, тогава звукът влиза в устройството през вход. Този звук кара диафрагмата да вибрира, като разстоянието между диафрагмата и неподвижната плоча се променя непрекъснато. Това от своя страна води до промяна на капацитета C1 непрекъснато. Ако свържем този променящ се капацитет към съответния процесорен чип, можем да получим електрическата мощност за променящия се капацитет. Тъй като променящият се капацитет на първо място е пряко свързан с шума, този електрически сигнал може да се използва като преобразувана форма на входния звук.
MEMS магнитометър
MEMS магнитометърът се използва за измерване на земното магнитно поле. Устройството е конструирано на базата на Hall Effect или Magneto Resistive Effect. Повечето магнитометри на MEMS използват ефект на Hall, така че ще обсъдим как този метод се използва за измерване на силата на магнитното поле. За това нека разгледаме проводяща плоча и да имаме краищата на едната страна, свързани с батерия, както е показано на фигурата.
Тук можете да видите посоката на потока на електроните, която е от отрицателния извод към положителния извод. Сега, ако магнитът се доближи до върха на проводника, тогава електроните и протоните в проводника се разпределят, както е показано на фигурата по-долу.
Тук протоните, носещи положителен заряд, се събират от едната страна на равнината, докато електроните, носещи отрицателен заряд, се събират от точно противоположната страна. По това време, ако вземем волтметър и се свържем в двата края, ще получим отчитане. Това отчитане на напрежението V1 е пропорционално на силата на полето, изпитвано от проводника отгоре. Пълното явление на генериране на напрежение чрез прилагане на ток и магнитно поле се нарича ефект на Хол.
Ако се използва проста система, използваща MEMS, базирана на горния модел, тогава ще получим преобразувател, който усеща напрегнатостта на полето и осигурява линейно пропорционална електрическа мощност.
MEMS Жироскоп
Жироскопът MEMS е много популярен и се използва в много приложения. Например, можем да намерим MEMS жироскоп в самолети, GPS системи, смартфони и др. MEMS жироскопът е проектиран въз основа на ефекта на Кориолис. За да разберем принципа и работата на MEMS жироскопа, нека разгледаме вътрешната му структура.
Тук S1, S2, S3 и S4 са пружините, използвани за свързване на външния контур и втория контур. Докато S5, S6, S7 и S8 са пружини, използвани за свързване на втория контур и маса „M“. Тази маса ще резонира по оста y, както е показано от указанията на фигурата. Също така този резонансен ефект обикновено се постига чрез използване на електростатичната сила на привличане в MEMS устройства.
При условия на покой, капацитетът между всякакви две плочи на горния слой или дъното ще бъде еднакъв и ще остане същият, докато няма промяна в разстоянието между тези плочи.
Да предположим, че ако монтираме това устройство на въртящ се диск, ще има известна промяна в позицията на плочите, както е показано по-долу.
Когато инсталацията е инсталирана на въртящ се диск, както е показано, тогава масовото резониране вътре в инсталацията ще изпитва сила, предизвикваща изместването във вътрешната настройка. Можете да видите всички четири пружини S1 до S4 да се деформират поради това изместване. Тази сила, изпитвана от резонираща маса при внезапно поставяне върху въртящ се диск, може да се обясни с ефекта на Кориолис.
Ако пропуснем сложните детайли, може да се заключи, че поради внезапната промяна на посоката във вътрешния слой има изместване. Това изместване също води до промяна на разстоянието между кондензаторните плочи както на долния, така и на горния слой. Както е обяснено в предишните примери, промяната в разстоянието води до промяна на капацитета.
И можем да използваме този параметър за измерване на скоростта на въртене на диска, на който е поставено устройството.
Много други MEMS устройства са проектирани с помощта на MEMS технология и броят им също се увеличава всеки ден. Но всички тези устройства имат определено сходство в работата и дизайна, така че чрез разбирането на малкото примери, споменати по-горе, можем лесно да разберем работата на други подобни MEMS устройства.