- MEMS ierīces un lietojumprogrammas
- MEMS akselerometri
- MEMS Spiediena sensori
- MEMS mikrofons
- MEMS magnetometrs
- MEMS žiroskops
MEMS nozīmē Mikroelektromehāniskās sistēmas, un tas attiecas uz mikrometra lieluma ierīcēm, kurām ir gan elektroniskas, gan mehāniskas kustīgas daļas. MEMS ierīces var definēt kā ierīces, kurām ir:
- Izmērs mikrometrā (no 1 līdz 100 mikrometriem)
- Strāvas plūsma sistēmā (elektriskā)
- Un tajā ir kustīgas daļas (mehāniski)
Zemāk redzams MEMS ierīces mehāniskās daļas attēls mikroskopā. Tas, iespējams, neizskatās pārsteidzoši, bet vai jūs zināt, ka zobrata izmērs ir 10 mikometri, kas ir puse no cilvēka matiem. Tāpēc ir diezgan interesanti uzzināt, kā šādas sarežģītas struktūras ir iestrādātas mikroshēmas lielumā tikai dažus milimetrus.
MEMS ierīces un lietojumprogrammas
Šī tehnoloģija pirmo reizi tika ieviesta 1965. gados, bet masveida ražošana nav sākta līdz 1980. gadam. Pašlaik dažādās lietojumprogrammās darbojas vairāk nekā 100 miljardi MEMS ierīču, un tās var redzēt mobilajos tālruņos, klēpjdatoros, GPS sistēmās, automašīnās utt.
MEMS tehnoloģija ir iekļauta daudzos elektroniskajos komponentos, un to skaits katru dienu pieaug. Attīstoties lētāku MEMS ierīču attīstībai, mēs varam redzēt, ka tās nākotnē pārņem daudz vairāk lietojumprogrammu.
Tā kā MEMS ierīču veiktspēja ir labāka par parastajām ierīcēm, ja vien netiek parādīta tehnoloģija ar labāku veiktspēju, MEMS paliks tronī. MEMS tehnoloģijā visievērojamākie elementi ir mikro sensori un mikro izpildmehānismi, kas ir atbilstoši klasificēti kā pārveidotāji. Šie pārveidotāji pārveido enerģiju no vienas formas uz otru. Mikrosensoru gadījumā ierīce parasti pārveido izmērīto mehānisko signālu par elektrisko signālu, un mikroaktivators pārveido elektrisko signālu par mehānisko izvadi.
Tālāk ir paskaidroti daži tipiski sensori, kuru pamatā ir MEMS tehnoloģija.
- Akselerometri
- Spiediena sensori
- Mikrofons
- Magnetometrs
- Žiroskops
MEMS akselerometri
Pirms dizaina uzsākšanas apspriedīsim darba principu, kas izmantots MEMS akselerometra projektēšanā, un apsveriet tālāk parādīto masas atsperi.
Šeit masa tiek apturēta ar divām atsperēm slēgtā telpā, un uzstādīšana tiek uzskatīta par miera stāvoklī. Ja ķermenis pēkšņi sāk virzīties uz priekšu, tad ķermenī suspendētā masa piedzīvo atpaliekošu spēku, kas izraisa pārvietošanos savā stāvoklī. Un šī pārvietojuma dēļ atsperes deformējas, kā parādīts zemāk.
Šī parādība ir jāpiedzīvo arī mums, sēžot jebkurā kustīgā transportlīdzeklī, piemēram, automašīnā, autobusā, vilcienā utt., Tāpēc to pašu parādību izmanto akselerometru projektēšanā.
bet masas vietā mēs izmantosim vadošas plāksnes kā kustīgu daļu, kas piestiprināta pie atsperēm. Visa iestatīšana būs tāda, kā parādīts zemāk.
Diagrammā mēs apsvērsim kapacitāti starp augšējo kustīgo plāksni un fiksēto plāksni:
C1 = e 0 A / d1
kur d 1 ir attālums starp tiem.
Šeit mēs varam redzēt, ka kapacitātes C1 vērtība ir apgriezti proporcionāla attālumam starp plāksnes augšējo kustību un fiksēto plāksni.
Kapacitāte starp apakšējo kustīgo plāksni un fiksēto plāksni
C2 = e 0 A / d2
kur d 2 ir attālums starp tiem
Šeit mēs varam redzēt, ka kapacitātes C2 vērtība ir apgriezti proporcionāla attālumam starp apakšējo kustīgo plāksni un fiksēto plāksni.
Kad ķermenis ir miera stāvoklī, augšējā un apakšējā plāksne atradīsies vienādā attālumā no fiksētās plāksnes, tāpēc kapacitāte C1 būs vienāda ar kapacitāti C2. Bet, ja ķermenis pēkšņi virzās uz priekšu, plāksnes tiek pārvietotas, kā parādīts zemāk.
Šajā laikā kapacitāte C1 palielinās, samazinoties attālumam starp augšējo un fiksēto plāksni. No otras puses, kapacitāte C2 samazinās, palielinoties attālumam starp apakšējo plāksni un fiksēto plāksni. Šis kapacitātes pieaugums un samazinājums ir lineāri proporcionāls paātrinājumam uz galvenā korpusa, tāpēc lielāks paātrinājums ir augstākas izmaiņas un zemāks paātrinājums ir mazāks.
Šo mainīgo kapacitāti var savienot ar RC oscilatoru vai citu ķēdi, lai iegūtu atbilstošu strāvas vai sprieguma nolasījumu. Pēc vēlamās sprieguma vai strāvas vērtības iegūšanas mēs tos varam viegli izmantot turpmākai analīzei.
Lai gan šo iestatījumu var veiksmīgi izmantot paātrinājuma mērīšanai, tas ir apjomīgs un nav praktisks. Bet, ja mēs izmantojam MEMS tehnoloģiju, mēs varam samazināt visu iestatījumu līdz dažu mikrometru lielumam, padarot ierīci piemērotāku.
Iepriekš redzamajā attēlā jūs varat redzēt faktisko iestatījumu, kas izmantots MEMS akselerometrā. Šeit vairākas kondensatora plāksnes ir sakārtotas gan horizontālā, gan vertikālā virzienā, lai izmērītu paātrinājumu abos virzienos. Kondensatora plāksne ir izmērā līdz dažiem mikrometriem, un visa iestatīšana būs līdz dažiem milimetriem, tāpēc šo MEMS akselerometru mēs varam viegli izmantot ar akumulatoru darbināmās portatīvajās ierīcēs, piemēram, viedtālruņos.
MEMS Spiediena sensori
Mēs visi zinām, ka, izdarot spiedienu uz objektu, tas sasprindzinās, līdz tas sasniedz lūzuma punktu. Šis celms ir tieši proporcionāls pielietotajam spiedienam līdz noteiktai robežai, un šo īpašību izmanto, lai izveidotu MEMS spiediena sensoru. Zemāk redzamajā attēlā jūs varat redzēt MEMS spiediena sensora konstrukcijas konstrukciju.
Šeit divas vadītāja plāksnes ir uzmontētas uz stikla korpusa, un starp tām būs vakuums. Viena vadītāja plāksne ir fiksēta, un otra plāksne ir elastīga, lai pārvietotos zem spiediena. Tagad, ja ņemat kapacitātes mērītāju un nolasāt starp diviem izejas spailēm, varat novērot kapacitātes vērtību starp divām paralēlām plāksnēm, tas ir tāpēc, ka visa iestatīšana darbojas kā paralēlas plāksnes kondensators. Tā kā tas darbojas kā paralēla plāksnes kondensators, tad, kā parasti, visas tipiskā kondensatora īpašības attiecas uz to tagad. Atpūtas apstākļos sauksim kapacitāti starp divām plāksnēm par C1.
tas deformēsies un pārvietosies tuvāk apakšējam slānim, kā parādīts attēlā. Tā kā slāņi tuvojas, kapacitāte starp diviem slāņiem palielinās. Tātad lielāki attālumi samazina kapacitāti un mazāku attālumu. Ja mēs savienojam šo kapacitāti ar RC rezonatoru, mēs varam iegūt frekvences signālus, kas atspoguļo spiedienu. Šo signālu var dot mikrokontrollerim turpmākai apstrādei un datu apstrādei.
MEMS mikrofons
MEMS mikrofona dizains ir līdzīgs spiediena sensoram, un zemāk redzamajā attēlā parādīta mikrofona iekšējā struktūra.
Pieņemsim, ka uzstādīšana ir miera stāvoklī, un šajos apstākļos kapacitāte starp fiksēto plāksni un diafragmu ir C1.
Ja vidē ir troksnis, skaņa ierīcē nonāk caur ieeju. Šī skaņa liek diafragmai vibrēt, liekot nepārtraukti mainīties attālumam starp diafragmu un fiksēto plāksni. Tas savukārt liek kapacitātei C1 nepārtraukti mainīties. Ja mēs savienojam šo mainīgo kapacitāti ar atbilstošo apstrādes mikroshēmu, mēs varam iegūt elektrisko jaudu mainīgajai kapacitātei. Tā kā mainīgā kapacitāte, pirmkārt, tieši attiecas uz troksni, šo elektrisko signālu var izmantot kā ieejas skaņas pārveidotu formu.
MEMS magnetometrs
MEMS magnetometru izmanto zemes magnētiskā lauka mērīšanai. Ierīce ir konstruēta, pamatojoties uz Hall efektu vai Magneto Resistive Effect. Lielākā daļa MEMS magnetometru izmanto Hall efektu, tāpēc mēs apspriedīsim, kā šo metodi izmanto magnētiskā lauka stipruma mērīšanai. Apsveriet tam vadošu plāksni un vienas malas galus savieno ar akumulatoru, kā parādīts attēlā.
Šeit jūs varat redzēt elektronu plūsmas virzienu, kas ir no negatīvās spailes līdz pozitīvajai spailei. Tagad, ja magnēts tiek novadīts pie vadītāja augšdaļas, elektroni un protoni vadītājā sadalās, kā parādīts zemāk redzamajā attēlā.
Šeit protoni, kuriem ir pozitīvs lādiņš, tiek sapulcināti vienā plaknes pusē, savukārt elektroni, kas nes negatīvo lādiņu, tiek savākti tieši pretējā pusē. Šajā laikā, ja mēs ņemam voltmetru un savienojam abos galos, mēs saņemsim rādījumu. Šis sprieguma rādījums V1 ir proporcionāls lauka intensitātei, ko piedzīvo vadītājs augšpusē. Pilnīgu sprieguma radīšanas parādību, izmantojot strāvu un magnētisko lauku, sauc par Hall efektu.
Ja, izmantojot MEMS, ir izveidota vienkārša sistēma, pamatojoties uz iepriekš minēto modeli, mēs iegūsim devēju, kas uztver lauka intensitāti un nodrošina lineāri proporcionālu elektrisko jaudu.
MEMS žiroskops
MEMS žiroskops ir ļoti populārs un tiek izmantots daudzās lietojumprogrammās. Piemēram, MEMS žiroskopu varam atrast lidmašīnās, GPS sistēmās, viedtālruņos utt. MEMS žiroskops ir veidots, pamatojoties uz Koriolisa efektu. Lai izprastu MEMS žiroskopa principu un darbību, apskatīsim tā iekšējo struktūru.
Šeit S1, S2, S3 un S4 ir atsperes, ko izmanto ārējās un otrās cilpas savienošanai. Kamēr S5, S6, S7 un S8 ir atsperes, ko izmanto, lai savienotu otro cilpu un masu “M”. Šī masa būs rezonējoša pa y asi, kā parādīts attēla virzienos. Arī šis rezonācijas efekts parasti tiek sasniegts, izmantojot MEMS ierīcēs piesaistīto elektrostatisko spēku.
Atpūtas apstākļos kapacitāte starp jebkurām divām plāksnēm uz augšējā slāņa vai apakšas būs vienāda, un tā paliks nemainīga, līdz mainīsies attālums starp šīm plāksnēm.
Pieņemsim, ka, ja mēs uzstādīsim šo iestatījumu uz rotējošā diska, tad būs zināmas izmaiņas plākšņu stāvoklī, kā parādīts zemāk.
Kad uzstādīšana ir uzstādīta uz rotējoša diska, kā parādīts, tad masas rezonējošā iestatījuma iekšpusē piedzīvos spēku, kas izraisa pārvietošanos iekšējā iestatījumā. Jūs varat redzēt, ka visas četras atsperes S1 līdz S4 ir deformētas šīs pārvietošanās dēļ. Šo spēku, ko izsauc rezonējoša masa, pēkšņi novietojot uz rotējošā diska, var izskaidrot ar Koriolisa efektu.
Ja mēs izlaižam sarežģītās detaļas, tad var secināt, ka pēkšņas virziena maiņas dēļ iekšējā slānī ir pārvietošanās. Šī pārvietošana arī maina attālumu starp kondensatora plāksnēm gan apakšējā, gan augšējā slānī. Kā paskaidrots iepriekšējos piemēros, attāluma maiņa izraisa kapacitātes maiņu.
Un šo parametru mēs varam izmantot, lai izmērītu diska, uz kura atrodas ierīce, rotācijas ātrumu.
Daudzas citas MEMS ierīces ir veidotas, izmantojot MEMS tehnoloģiju, un to skaits arī katru dienu pieaug. Bet visām šīm ierīcēm ir zināma darba un dizaina līdzība, tāpēc, izprotot dažus iepriekš minētos piemērus, mēs varam viegli saprast citu līdzīgu MEMS ierīču darbību.