Micro-elektromechanische systemen (MEMS-componenten) en daarop gebaseerde sensoren

MEMS-componenten (Russische MEMS) — betekent micro-elektromechanische systemen. Het belangrijkste onderscheidende kenmerk is dat ze een beweegbare 3D-structuur bevatten. Het beweegt door invloeden van buitenaf. Daarom bewegen niet alleen elektronen in MEMS-componenten, maar ook in de samenstellende delen.

MEMS-componenten zijn een van de elementen van micro-elektronica en micromechanica, vaak vervaardigd op een siliciumsubstraat. Qua structuur lijken ze op geïntegreerde schakelingen met één chip. Meestal variëren deze mechanische MEMS-onderdelen in grootte van eenheden tot honderden micrometers, en het kristal zelf is van 20 μm tot 1 mm.

Figuur 1 is een voorbeeld van een MEMS-structuur

Gebruiksvoorbeelden:

1. Productie van verschillende microschakelingen.

2. MEMS-oscillatoren worden soms vervangen kwarts resonatoren.

3. Productie van sensoren, waaronder:

• versnellingsmeter;

• gyroscoop

• hoeksnelheidssensor;

• magnetometrische sensor;

• barometers;

• milieuanalisten;

• meetomvormers voor radiosignalen.

Materialen die worden gebruikt in MEMS-structuren

De belangrijkste materialen waaruit MEMS-componenten zijn gemaakt, zijn onder meer:

1. Silicium. Momenteel worden de meeste elektronische componenten van dit materiaal gemaakt. Het heeft een aantal voordelen, waaronder: spreiding, sterkte, verandert praktisch zijn eigenschappen niet tijdens vervorming. Fotolithografie gevolgd door etsen is de primaire fabricagemethode voor silicium MEMS.

2. Polymeren. Aangezien silicium, hoewel een veelgebruikt materiaal, relatief duur is, kunnen in sommige gevallen polymeren worden gebruikt om het te vervangen. Ze worden industrieel geproduceerd in grote volumes en met verschillende kenmerken. De belangrijkste fabricagemethoden voor polymeer MEMS zijn spuitgieten, stempelen en stereolithografie.

Productievolumes naar het voorbeeld van een grote fabrikant

Als voorbeeld van de vraag naar deze componenten nemen we ST Microelectronics. Het doet een grote investering in MEMS-technologie, zijn fabrieken en fabrieken produceren tot 3.000.000 elementen per dag.

Figuur 2 — Productiefaciliteiten van een bedrijf dat MEMS-componenten ontwikkelt

De productiecyclus is verdeeld in 5 hoofdfasen:

1. Productie van chips.

2. Testen.

3. Verpakken in kisten.

4. Laatste testen.

5. Levering aan dealers.

Figuur 3 — productiecyclus

Voorbeelden van MEMS-sensoren van verschillende typen

Laten we eens kijken naar enkele van de populaire MEMS-sensoren.

Versnellingsmeter Dit is een apparaat dat lineaire versnelling meet. Het wordt gebruikt om de locatie of beweging van een object te bepalen. Het wordt gebruikt in mobiele technologie, auto's en meer.

Figuur 4 — Drie assen herkend door de versnellingsmeter

Figuur 5 — Interne structuur van de MEMS-versnellingsmeter

Figuur 6 — Versnellingsmeterstructuur uitgelegd

Accelerometer-functies met behulp van het voorbeeld van de LIS3DH-component:

1.3-assige versnellingsmeter.

2. Werkt met SPI- en I2C-interfaces.

3. Meting op 4 schalen: ± 2, 4, 8 en 16g.

4. Hoge resolutie (tot 12 bits).

5. Laag verbruik: 2 µA in energiezuinige modus (1Hz), 11 µA in normale modus (50Hz) en 5 µA in uitschakelmodus.

6. Werkflexibiliteit:

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

• Bandbreedte tot 2,5 kHz;

• FIFO met 32 ​​niveaus (16-bits);

• 3 ADC-ingangen;

• Temperatuursensor;

• 1,71 tot 3,6 V voeding;

• Zelfdiagnosefunctie;

• Kast 3 x 3 x 1 mm. 2.

Gyroscoop Het is een apparaat dat hoekverplaatsing meet. Het kan worden gebruikt om de rotatiehoek rond de as te meten. Dergelijke apparaten kunnen worden gebruikt als navigatie- en vluchtcontrolesysteem voor vliegtuigen: vliegtuigen en verschillende UAV's, of voor het bepalen van de positie van mobiele apparaten.

Figuur 7 — Gegevens gemeten met een gyroscoop

Figuur 8 — Interne structuur

Overweeg bijvoorbeeld de kenmerken van de L3G3250A MEMS-gyroscoop:

• 3-assige analoge gyroscoop;

• Immuniteit voor analoge ruis en trillingen;

• 2 meetschalen: ± 625°/s en ± 2500°/s;

• Uitschakel- en slaapstanden;

• Zelfdiagnosefunctie;

• fabriekskalibratie;

• Hoge gevoeligheid: 2 mV/°/s bij 625°/s

• Ingebouwde laagdoorlaatfilter

• Stabiliteit bij hoge temperatuur (0,08 ° / s / ° C)

• Staat met hoge impact: 10000 g in 0,1 ms

• Temperatuurbereik -40 tot 85 °C

• Voedingsspanning: 2,4 - 3,6V

• Verbruik: 6,3 mA in normale modus, 2 mA in slaapmodus en 5 μA in uitschakelmodus

• Behuizing 3,5 x 3 x 1 LGA

conclusies

In de MEMS-sensormarkt zijn er, naast de voorbeelden die in het rapport worden besproken, nog andere elementen, waaronder:

• Meerassige (bijv. 9-assige) sensoren

• Kompassen;

• Sensoren voor het meten van de omgeving (druk en temperatuur);

• Digitale microfoons en meer.

Moderne industriële micro-elektromechanische systemen met hoge precisie die actief worden gebruikt in voertuigen en draagbare draagbare computers.