- Пристрої та програми MEMS
- Акселерометри MEMS
- MEMS Датчики тиску
- Мікрофон MEMS
- Магнітометр MEMS
- Гіроскоп MEMS
MEMS розшифровується як мікроелектромеханічні системи, і це стосується мікрометричних пристроїв, що мають як електронні компоненти, так і механічні рухомі частини. Пристрої MEMS можна визначити як пристрої, які мають:
- Розмір в мікрометрах (від 1 мкм до 100 мкм)
- Потік струму в системі (електричний)
- І має рухомі частини всередині (механічні)
Нижче зображено механічну частину пристрою MEMS під мікроскопом. Це може виглядати не приголомшливо, але чи знаєте ви, що розмір шестерні становить 10 мікрометрів, що вдвічі менше розміру людського волосся. Отож цікаво дізнатись, як такі складні конструкції вбудовані в мікросхему розміром лише кілька міліметрів.
Пристрої та програми MEMS
Ця технологія була вперше представлена в 1965-х роках, але серійне виробництво розпочалося лише до 1980 року. В даний час існує більше 100 мільярдів пристроїв MEMS, які в даний час працюють у різних додатках, і їх можна побачити в мобільних телефонах, ноутбуках, системах GPS, автомобілях тощо.
Технологія MEMS вбудована в багато електронних компонентів, і їх кількість зростає з кожним днем. З розвитком розробки дешевих пристроїв MEMS, ми можемо бачити, як вони в майбутньому переймають набагато більше додатків.
Оскільки пристрої MEMS працюють краще, ніж звичайні пристрої, якщо не увійде в дію краща технологія, MEMS залишиться на престолі. У технології MEMS найбільш помітними елементами є мікродатчики та мікроприводи, які відповідно класифікуються як перетворювачі. Ці перетворювачі перетворюють енергію з однієї форми в іншу. У випадку мікросенсорів пристрій, як правило, перетворює виміряний механічний сигнал в електричний сигнал, а мікроактуатор - електричний сигнал в механічний вихід.
Кілька типових датчиків, заснованих на технології MEMS, пояснюються нижче.
- Акселерометри
- Датчики тиску
- Мікрофон
- Магнітометр
- Гіроскоп
Акселерометри MEMS
Перш ніж займатися розробкою, давайте обговоримо принцип роботи, який застосовується при проектуванні акселерометра MEMS, і для цього розглянемо встановлену нижче пружину.
Тут маса підвішена двома пружинами в закритому просторі, і установка вважається спокійною. Тепер, якщо тіло раптово починає рухатися вперед, тоді маса, підвішена в тілі, відчуває зворотну силу, яка викликає зміщення в його положенні. І через це переміщення пружини деформуються, як показано нижче.
Це явище також повинно відчуватися нами, сидячи в будь-якому рухомому транспортному засобі, як автомобіль, автобус, поїзд тощо, тому те саме явище використовується при проектуванні акселерометрів.
але замість маси ми будемо використовувати струмопровідні пластини як рухому частину, прикріплену до пружин. Вся установка буде такою, як показано нижче.
На схемі ми розглянемо ємність між верхньою рухомою пластиною і нерухомою пластиною:
C1 = e 0 A / d1
де d 1 - відстань між ними.
Тут ми бачимо, що значення ємності C1 обернено пропорційне відстані між верхнім рухом пластини та нерухомою пластиною.
Ємність між нижньою рухомою пластиною та нерухомою пластиною
C2 = e 0 A / d2
де d 2 - відстань між ними
Тут ми бачимо, що значення ємності С2 обернено пропорційне відстані між нижньою рухомою пластиною та нерухомою пластиною.
Коли тіло перебуває в стані спокою, і верхня, і нижня пластини будуть знаходитися на однаковій відстані від нерухомої пластини, тому ємність С1 буде дорівнює ємності С2. Але якщо тіло раптово рухається вперед, тоді пластини зміщуються, як показано нижче.
У цей час ємність C1 збільшується, оскільки відстань між верхньою та нерухомою пластинами зменшується. З іншого боку, ємність C2 зменшується із збільшенням відстані між нижньою та нерухомою пластинами. Це збільшення та зменшення ємності лінійно пропорційне прискоренню на основному корпусі, тому, чим вище прискорення, тим більша зміна і меншим прискоренням менша зміна.
Цю різну ємність можна підключити до RC-генератора або іншої схеми, щоб отримати відповідне значення струму або напруги. Отримавши бажане значення напруги або струму, ми можемо легко використовувати ці дані для подальшого аналізу.
Хоча цю установку можна використовувати для успішного вимірювання прискорення, вона громіздка і не практична. Але якщо ми використовуємо технологію MEMS, ми можемо зменшити всю установку до кількох мікрометрів, роблячи пристрій більш придатним.
На малюнку вище ви можете побачити фактичну настройку, яка використовується в акселерометрі MEMS. Тут множинні конденсаторні пластини розташовані як у горизонтальному, так і у вертикальному напрямку для вимірювання прискорення в обох напрямках. Пластина конденсатора має розмір до декількох мікрометрів, а вся установка - до декількох міліметрів, тому ми можемо легко використовувати цей акселерометр MEMS у портативних пристроях, що працюють від акумуляторів, таких як смартфони.
MEMS Датчики тиску
Ми всі знаємо, що при тиску на предмет він буде напружуватися, поки не досягне точки руйнування. Ця деформація прямо пропорційна прикладеному тиску до певної межі, і ця властивість використовується для проектування датчика тиску MEMS. На малюнку нижче ви можете побачити конструкцію датчика тиску MEMS.
Тут дві скляні пластини встановлені на скляному корпусі, і між ними буде вакуум. Одна пластина провідника закріплена, а друга пластина гнучка для переміщення під тиском. Тепер, якщо взяти лічильник ємності та зняти показання між двома вихідними клемами, то можна спостерігати значення ємності між двома паралельними пластинами, це тому, що вся установка діє як конденсатор паралельної пластини. Оскільки він діє як паралельний пластинковий конденсатор, тоді, як зазвичай, до нього зараз застосовуються всі властивості типового конденсатора. За умови відпочинку назвемо ємність між двома пластинами С1.
він деформується і наблизиться до нижнього шару, як показано на малюнку. Оскільки шари наближаються, ємність між двома шарами збільшується. Отже, чим більша відстань, тим менша ємність, а менша - тим більша ємність. Якщо ми підключимо цю ємність до RC-резонатора, то ми можемо отримати частотні сигнали, що представляють тиск. Цей сигнал може передаватися мікроконтролеру для подальшої обробки та обробки даних.
Мікрофон MEMS
Конструкція мікрофона MEMS схожа на датчик тиску, і на малюнку нижче показано внутрішню структуру мікрофона.
Давайте розглянемо, що установка перебуває в стані спокою, і в цих умовах ємність між нерухомою пластиною та діафрагмою становить C1.
Якщо в навколишньому середовищі є шум, тоді звук надходить у пристрій через вхідний отвір. Цей звук призводить до вібрації діафрагми, завдяки чому відстань між діафрагмою та нерухомою пластиною постійно змінюється. Це, в свою чергу, призводить до постійної зміни ємності C1. Якщо ми підключимо цю мінливу ємність до відповідної обробної мікросхеми, ми можемо отримати електричну потужність для мінливої мінливості. Оскільки мінлива ємність в першу чергу безпосередньо пов’язана з шумом, цей електричний сигнал може бути використаний як перетворена форма вхідного звуку.
Магнітометр MEMS
Магнітометр MEMS використовується для вимірювання магнітного поля Землі. Пристрій побудований на основі ефекту Холла або резистивного ефекту магніто. У більшості магнітометрів MEMS використовується ефект Холла, тому ми обговоримо, як цей метод використовується для вимірювання напруженості магнітного поля. Для цього давайте розглянемо струмопровідну пластину, а кінці однієї сторони з’єднані з батареєю, як показано на малюнку.
Тут ви можете бачити напрямок потоку електронів, який знаходиться від негативного терміналу до позитивного терміналу. Тепер, якщо магніт підводиться до вершини провідника, тоді електрони і протони в провіднику розподіляються, як показано на малюнку нижче.
Тут протони, що несуть позитивний заряд, збираються з однієї сторони площини, тоді як електрони, що несуть негативний заряд, збираються з абсолютно протилежної сторони. У цей час, якщо ми візьмемо вольтметр і з’єднаємо його з обох кінців, то отримаємо показники. Це значення напруги V1 пропорційне напруженості поля, яке відчуває провідник зверху. Повне явище генерації напруги шляхом застосування струму та магнітного поля називається ефектом Холла.
Якщо проста система розроблена за допомогою MEMS, заснованої на наведеній вище моделі, ми отримаємо перетворювач, який відчуває напруженість поля і забезпечує лінійно пропорційну електричну потужність.
Гіроскоп MEMS
Гіроскоп MEMS дуже популярний і використовується в багатьох додатках. Наприклад, ми можемо знайти гіроскоп MEMS у літаках, системах GPS, смартфонах тощо. Гіроскоп MEMS розроблений на основі ефекту Коріоліса. Щоб зрозуміти принцип і роботу гіроскопа MEMS, давайте розглянемо його внутрішню структуру.
Тут S1, S2, S3 і S4 - це пружини, що використовуються для з'єднання зовнішньої петлі та другої петлі. У той час як S5, S6, S7 і S8 - це пружини, що використовуються для з'єднання другої петлі та маси 'M'. Ця маса буде резонувати вздовж осі y, як показано напрямками на малюнку. Крім того, цей резонансний ефект зазвичай досягається використанням електростатичної сили притягання в пристроях MEMS.
В умовах спокою ємність між будь-якими двома пластинами на верхньому шарі або дні буде однаковою, і вона залишатиметься незмінною, поки не буде змінюватися відстань між цими пластинами.
Припустимо, якщо ми встановимо цю установку на обертовий диск, то відбудеться певна зміна положення пластин, як показано нижче.
Коли установка встановлена на обертовому диску, як показано, тоді масовий резонанс всередині установки буде відчувати силу, що спричиняє зміщення у внутрішній установці. Ви можете побачити, що всі чотири пружини S1 до S4 деформуються через це переміщення. Цю силу, що виникає при резонансній масі при раптовому розміщенні на обертовому диску, можна пояснити ефектом Коріоліса.
Якщо пропустити складні деталі, то можна зробити висновок, що через раптову зміну напрямку у внутрішньому шарі присутній зміщення. Це зміщення також спричиняє зміну відстані між пластинами конденсатора як на нижньому, так і на верхньому шарах. Як пояснювалося в попередніх прикладах, зміна відстані призводить до зміни ємності.
І ми можемо використовувати цей параметр для вимірювання швидкості обертання диска, на якому розміщений пристрій.
Багато інших пристроїв MEMS розроблені з використанням технології MEMS, і їх кількість також збільшується щодня. Але всі ці пристрої мають певну схожість у роботі та дизайні, тому, розуміючи кілька прикладів, згаданих вище, ми можемо легко зрозуміти роботу інших подібних пристроїв MEMS.