Микроелектромеханични системи (компоненти на MEMS) и сензори на тяхна основа

MEMS компоненти (руски MEMS) — означава микроелектромеханични системи. Основната отличителна черта в тях е, че съдържат подвижна 3D структура. Той се движи поради външни влияния. Следователно не само електроните се движат в компонентите на MEMS, но и в съставните части.

MEMS компонентите са един от елементите на микроелектрониката и микромеханиката, често произведени върху силиконова основа. По структура те приличат на едночипови интегрални схеми. Обикновено тези механични части на MEMS са с размери от единици до стотици микрометри, а самият кристал е от 20 μm до 1 mm.

 Фигура 1 е един пример за MEMS структура

Примери за използване:

1. Производство на различни микросхеми.

2. MEMS осцилаторите в някои случаи се заменят кварцови резонатори.

3. Производство на сензори, включително:

• акселерометър;

• жироскоп

• сензор за ъглова скорост;

• магнитометричен сензор;

• барометри;

• анализатори на околната среда;

• измервателни преобразуватели на радиосигнал.

Материали, използвани в структурите на MEMS

Основните материали, от които са направени MEMS компонентите, включват:

1. Силиций. В момента по -голямата част от електронните компоненти са направени от този материал. Той има редица предимства, включително: разпространение, здравина, практически не променя свойствата си при деформация. Фотолитографията, последвана от ецване, е основният метод за производство на силициев MEMS.

2. Полимери. Тъй като силицийът, макар и често срещан материал, е сравнително скъп, в някои случаи могат да се използват полимери за замяната му. Промишлено се произвеждат в големи обеми и с различни характеристики. Основните методи за производство на полимерни MEMS са леене под налягане, щамповане и стереолитография.

Обеми на производство по примера на голям производител

За пример за търсенето на тези компоненти, нека вземем ST Microelectronics. Той прави голяма инвестиция в технологията MEMS, в неговите фабрики и заводи се произвеждат до 3 000 000 елемента на ден.

Фигура 2 — Производствени мощности на компания, разработваща MEMS компоненти

Производственият цикъл е разделен на 5 основни основни етапа:

1. Производство на чипс.

2. Тестване.

3. Опаковане в корпуси.

4. Окончателно тестване.

5. Доставка до дилъри.

Фигура 3 — производствен цикъл

Примери за MEMS сензори от различни типове

Нека да разгледаме някои от популярните MEMS сензори.

Акселерометър Това е устройство, което измерва линейно ускорение. Използва се за определяне на местоположението или движението на обект. Използва се в мобилни технологии, автомобили и др.

Фигура 4 — Три оси, разпознати от акселерометъра

 Фигура 5 — Вътрешна структура на акселерометъра MEMS

 Фигура 6 — Обяснения за структурата на акселерометъра

Характеристики на акселерометъра, използвайки примера на компонента LIS3DH:

1.3 -осен акселерометър.

2. Работи със SPI и I2C интерфейси.

3. Измерване на 4 скали: ± 2, 4, 8 и 16g.

4. Висока разделителна способност (до 12 бита).

5. Ниска консумация: 2 µA в режим на ниска мощност (1Hz), 11 µA в нормален режим (50Hz) и 5 ​​µA в режим на изключване.

6. Гъвкавост на работата:

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

• Пропускателна способност до 2,5 kHz;

• 32-степенно FIFO (16-битово);

• 3 ADC входа;

• Температурен сензор;

• Захранване от 1,71 до 3,6 V;

• Функция за самодиагностика;

• Корпус 3 x 3 x 1 мм. 2.

Жироскоп Това е устройство, което измерва ъгловото изместване. Може да се използва за измерване на ъгъла на въртене около оста. Такива устройства могат да се използват като система за навигация и управление на полета на самолети: самолети и различни БЛА, или за определяне на позицията на мобилни устройства.

Фигура 7 — Данни, измерени с жироскоп

 Фигура 8 — Вътрешна структура

Например, помислете за характеристиките на жироскопа L3G3250A MEMS:

• 3-осен аналогов жироскоп;

• Имунитет към аналогов шум и вибрации;

• 2 измервателни скали: ± 625 ° / s и ± 2500 ° / s;

• Режими на изключване и заспиване;

• Функция за самодиагностика;

• фабрично калибриране;

• Висока чувствителност: 2 mV / ° / s при 625 ° / s

• Вграден нискочестотен филтър

• Стабилност при висока температура (0,08 ° / s / ° C)

• Състояние на висок удар: 10000g за 0.1ms

• Температурен диапазон -40 до 85 ° C

• Захранващо напрежение: 2.4 — 3.6V

• Консумация: 6,3 mA в нормален режим, 2 mA в режим на заспиване и 5 μA в режими на изключване

• Калъф 3,5 x 3 x 1 LGA

изводи

На пазара на сензори MEMS, в допълнение към примерите, разгледани в доклада, има и други елементи, включително:

• Многоосни (например 9-осни) сензори

• Компаси;

• Сензори за измерване на околната среда (налягане и температура);

• Цифрови микрофони и др.

Съвременни промишлени високо прецизни микроелектромеханични системи, които се използват активно в превозни средства и преносими компютри за носене.