Mikroelektromekanik sistemler (MEMS bileşenleri) ve bunlara dayalı sensörler

MEMS bileşenleri (Rusça MEMS) — mikroelektromekanik sistemler anlamına gelir. İçlerindeki ana ayırt edici özellik, hareketli bir 3 boyutlu yapı içermeleridir. Dış etkiler nedeniyle hareket eder. Bu nedenle, sadece elektronlar MEMS bileşenlerinde değil, aynı zamanda onu oluşturan parçalarda da hareket eder.

MEMS bileşenleri, genellikle bir silikon substrat üzerinde üretilen mikroelektronik ve mikromekaniğin unsurlarından biridir. Yapı olarak tek çipli entegre devrelere benzerler. Tipik olarak, bu MEMS mekanik parçalarının boyutları birimlerden yüzlerce mikrometreye kadar değişir ve kristalin kendisi 20 μm ila 1 mm arasındadır.

Şekil 1, bir MEMS yapısının bir örneğidir

Kullanım örnekleri:

1. Çeşitli mikro devrelerin üretimi.

2. MEMS osilatörleri bazen değiştirilir kuvars rezonatörler.

3. Aşağıdakileri içeren sensörlerin üretimi:

• ivmeölçer;

• jiroskop

• açısal hız sensörü;

• manyetometrik sensör;

• barometreler;

• çevresel analistler;

• radyo sinyali ölçüm transdüserleri.

MEMS yapılarında kullanılan malzemeler

MEMS bileşenlerinin yapıldığı ana malzemeler şunları içerir:

1. Silikon. Şu anda, elektronik bileşenlerin çoğu bu malzemeden yapılmıştır. Aşağıdakiler de dahil olmak üzere bir dizi avantajı vardır: yayılma, mukavemet, deformasyon sırasında özelliklerini pratik olarak değiştirmez. Fotolitografi ve ardından aşındırma, silikon MEMS için birincil üretim yöntemidir.

2. Polimerler. Silisyum yaygın bir malzeme olmasına rağmen nispeten pahalı olduğundan, bazı durumlarda onun yerine polimerler kullanılabilir. Endüstriyel olarak büyük hacimlerde ve farklı özelliklerde üretilirler. Polimer MEMS için ana üretim yöntemleri enjeksiyon kalıplama, damgalama ve stereolitografidir.

Büyük bir üretici örneğine dayalı üretim hacimleri

Bu bileşenlere olan talebe bir örnek olarak ST Mikroelektronik'i ele alalım. MEMS teknolojisine büyük yatırım yapmakta, fabrika ve tesislerinde günde 3.000.000 adede kadar element üretmektedir.

Şekil 2 — MEMS bileşenleri geliştiren bir şirketin üretim tesisleri

Üretim döngüsü 5 ana aşamaya ayrılmıştır:

1. Cips üretimi.

2. Test.

3. Kutularda paketleme.

4. Son testler.

5. Bayilere teslimat.

Şekil 3 — üretim döngüsü

Farklı türlerdeki MEMS sensörlerine örnekler

Bazı popüler MEMS sensörlerine bir göz atalım.

İvmeölçer Bu, doğrusal ivmeyi ölçen bir cihazdır. Bir nesnenin yerini veya hareketini belirlemek için kullanılır. Mobil teknolojide, arabalarda ve daha fazlasında kullanılır.

Şekil 4 — İvmeölçer tarafından tanınan üç eksen

Şekil 5 — MEMS ivme ölçerin iç yapısı

Şekil 6 — İvmeölçer yapısının açıklaması

LIS3DH bileşen örneğini kullanan ivmeölçer özellikleri:

1.3 eksenli ivmeölçer.

2. SPI ve I2C arayüzleri ile çalışır.

3. 4 ölçekte ölçüm: ± 2, 4, 8 ve 16g.

4. Yüksek çözünürlük (12 bite kadar).

5. Düşük tüketim: Düşük güç modunda (1Hz) 2 µA, normal modda (50Hz) 11 µA ve kapatma modunda 5 µA.

6. Çalışma esnekliği:

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

• 2,5 kHz'e kadar bant genişliği;

• 32 seviyeli FIFO (16 bit);

• 3 ADC girişi;

• Sıcaklık sensörü;

• 1,71 - 3,6 V güç kaynağı;

• Kendi kendine teşhis işlevi;

• Kasa 3 x 3 x 1 mm. 2.

Jiroskop Açısal yer değiştirmeyi ölçen bir cihazdır. Eksen etrafındaki dönüş açısını ölçmek için kullanılabilir. Bu tür cihazlar, uçaklar için bir navigasyon ve uçuş kontrol sistemi olarak kullanılabilir: uçaklar ve çeşitli İHA'lar veya mobil cihazların konumunu belirlemek için.

Şekil 7 — Bir jiroskop ile ölçülen veriler

Şekil 8 — İç yapı

Örneğin, L3G3250A MEMS jiroskopunun özelliklerini göz önünde bulundurun:

• 3 eksenli analog jiroskop;

• Analog gürültü ve titreşime karşı bağışıklık;

• 2 ölçüm skalası: ± 625 °/s ve ± 2500 °/s;

• Kapatma ve uyku modları;

• Kendi kendine teşhis işlevi;

• fabrika kalibrasyonu;

• Yüksek hassasiyet: 625°/s'de 2 mV/°/s

• Dahili alçak geçiren filtre

• Yüksek sıcaklıkta kararlılık (0,08°/s/°C)

• Yüksek darbe durumu: 0.1ms'de 10000g

• Sıcaklık aralığı -40 ila 85 °C

• Besleme gerilimi: 2,4 — 3,6V

• Tüketim: Normal modda 6,3 mA, uyku modunda 2 mA ve kapatma modlarında 5 μA

• Kasa 3,5 x 3 x 1 LGA

sonuçlar

MEMS sensör pazarında, raporda tartışılan örneklere ek olarak, aşağıdakileri içeren başka unsurlar da vardır:

• Çok eksenli (örn. 9 eksenli) sensörler

• pusulalar;

• Ortamı ölçmek için sensörler (basınç ve sıcaklık);

• Dijital mikrofonlar ve daha fazlası.

Araçlarda ve taşınabilir giyilebilir bilgisayarlarda aktif olarak kullanılan modern endüstriyel yüksek hassasiyetli mikroelektromekanik sistemler.