Mikroelektromekaniska system (MEMS-komponenter) och sensorer baserade på dem

MEMS-komponenter (ryska MEMS) — betyder mikroelektromekaniska system. Den huvudsakliga utmärkande egenskapen i dem är att de innehåller en rörlig 3D-struktur. Den rör sig på grund av yttre påverkan. Därför rör sig inte bara elektroner i MEMS-komponenter, utan också i de ingående delarna.

MEMS-komponenter är ett av delarna av mikroelektronik och mikromekanik, ofta tillverkade på ett kiselsubstrat. Till sin struktur liknar de integrerade kretsar med ett chip. Dessa MEMS mekaniska delar varierar vanligtvis i storlek från enheter till hundratals mikrometer, och själva kristallen är från 20 μm till 1 mm.

Figur 1 är ett exempel på en MEMS-struktur

Användningsexempel:

1. Tillverkning av olika mikrokretsar.

2. MEMS-oscillatorer byts ibland ut kvartsresonatorer.

3. Tillverkning av sensorer, inklusive:

• accelerometer;

• gyroskop

• vinkelhastighetssensor;

• magnetometrisk sensor;

• barometrar;

• miljöanalytiker;

• radiosignalmätgivare.

Material som används i MEMS-strukturer

De huvudsakliga materialen från vilka MEMS-komponenter är gjorda inkluderar:

1. Kisel. För närvarande är majoriteten av elektroniska komponenter gjorda av detta material. Det har ett antal fördelar, inklusive: spridning, styrka, praktiskt taget inte ändra dess egenskaper under deformation. Fotolitografi följt av etsning är den primära tillverkningsmetoden för kisel-MEMS.

2. Polymerer. Eftersom kisel, även om det är ett vanligt material, är relativt dyrt, kan i vissa fall polymerer användas för att ersätta det. De tillverkas industriellt i stora volymer och med olika egenskaper. De huvudsakliga tillverkningsmetoderna för polymer MEMS är formsprutning, stämpling och stereolitografi.

Produktionsvolymer baserade på exemplet med en stor tillverkare

För ett exempel på efterfrågan på dessa komponenter, låt oss ta ST Microelectronics. Den gör en stor investering i MEMS-teknik, dess fabriker och anläggningar producerar upp till 3 000 000 element per dag.

Figur 2 — Produktionsanläggningar för ett företag som utvecklar MEMS-komponenter

Produktionscykeln är uppdelad i 5 huvudstadier:

1. Tillverkning av chips.

2. Testning.

3. Packning i lådor.

4. Slutprovning.

5. Leverans till återförsäljare.

Figur 3 — produktionscykel

Exempel på MEMS-sensorer av olika typer

Låt oss ta en titt på några av de populära MEMS-sensorerna.

Accelerometer Detta är en enhet som mäter linjär acceleration. Den används för att bestämma platsen eller rörelsen av ett föremål. Det används inom mobilteknik, bilar med mera.

Figur 4 — Tre axlar som identifieras av accelerometern

Figur 5 — Intern struktur för MEMS-accelerometern

Figur 6 — Accelerometerstruktur förklaras

Accelerometerfunktioner med hjälp av LIS3DH-komponentexemplet:

1,3 -axel accelerometer.

2. Fungerar med SPI- och I2C-gränssnitt.

3. Mätning på 4 skalor: ± 2, 4, 8 och 16g.

4. Hög upplösning (upp till 12 bitar).

5. Låg förbrukning: 2 µA i lågeffektläge (1Hz), 11 µA i normalläge (50Hz) och 5 µA i avstängningsläge.

6. Arbetsflexibilitet:

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

• Bandbredd upp till 2,5 kHz;

• 32-nivå FIFO (16-bitar);

• 3 ADC-ingångar;

• Temperatursensor;

• 1,71 till 3,6 V strömförsörjning;

• Självdiagnosfunktion;

• Boett 3 x 3 x 1 mm. 2.

Gyroskop Det är en anordning som mäter vinkelförskjutning. Den kan användas för att mäta rotationsvinkeln runt axeln. Sådana enheter kan användas som ett navigations- och flygkontrollsystem för flygplan: flygplan och olika UAV, eller för att bestämma positionen för mobila enheter.

Figur 7 — Data mätt med ett gyroskop

Figur 8 — Intern struktur

Tänk till exempel på egenskaperna hos L3G3250A MEMS-gyroskopet:

• 3-axligt analogt gyroskop;

• Immunitet mot analogt brus och vibrationer;

• 2 mätskalor: ± 625 ° / s och ± 2500 ° / s;

• Avstängning och vilolägen;

• Självdiagnosfunktion;

• fabrikskalibrering;

• Hög känslighet: 2 mV / ° / s vid 625 ° / s

• Inbyggt lågpassfilter

• Stabilitet vid hög temperatur (0,08 ° / s / ° C)

• Högt slag: 10 000 g på 0,1 ms

• Temperaturområde -40 till 85 °C

• Matningsspänning: 2,4 — 3,6V

• Förbrukning: 6,3 mA i normalt läge, 2 mA i viloläge och 5 μA i avstängningsläge

• Fodral 3,5 x 3 x 1 LGA

Slutsatser

På MEMS-sensormarknaden, utöver de exempel som diskuteras i rapporten, finns det andra element, inklusive:

• Fleraxliga (t.ex. 9-axliga) sensorer

• Passare;

• Sensorer för mätning av miljön (tryck och temperatur);

• Digitala mikrofoner och mer.

Moderna industriella högprecisionsmikroelektromekaniska system som aktivt används i fordon och bärbara bärbara datorer.