Sistemes microelectromecànics (components MEMS) i sensors basats en ells

Components MEMS (MEMS rus): significa sistemes microelectromecànics. La principal característica distintiva d'ells és que contenen una estructura 3D mòbil. Es mou per influències externes. Per tant, no només els electrons es mouen en components MEMS, sinó també en les parts constituents.

Els components MEMS són un dels elements de la microelectrònica i la micromecànica, sovint fabricats sobre un substrat de silici. En estructura, s'assemblen a circuits integrats d'un sol xip. Normalment, aquestes peces mecàniques MEMS varien en mida des d'unitats fins a centenars de micròmetres, i el propi cristall és de 20 μm a 1 mm.

La figura 1 és un exemple d'estructura MEMS

Exemples d'ús:

1. Producció de diversos microcircuits.

2. Els oscil·ladors MEMS de vegades es substitueixen ressonadors de quars.

3. Producció de sensors, incloent:

• acceleròmetre;

• giroscopi

• sensor de velocitat angular;

• sensor magnetomètric;

• baròmetres;

• analistes ambientals;

• transductors de mesura de senyal de ràdio.

Materials utilitzats en estructures MEMS

Els principals materials dels quals estan fets els components MEMS inclouen:

1. Silici. Actualment, la majoria dels components electrònics estan fets d'aquest material. Té una sèrie d'avantatges, que inclouen: dispersió, resistència, pràcticament no canvia les seves propietats durant la deformació. La fotolitografia seguida de gravat és el mètode de fabricació principal per a MEMS de silici.

2. Polímers. Com que el silici, tot i que és un material comú, és relativament car, en alguns casos es poden utilitzar polímers per substituir-lo. Es produeixen industrialment en grans volums i amb diferents característiques. Els principals mètodes de fabricació de MEMS de polímers són l'emmotllament per injecció, l'estampació i l'estereolitografia.

Volums de producció basats en l'exemple d'un gran fabricant

Per a un exemple de la demanda d'aquests components, prenguem ST Microelectronics. Fa una gran inversió en tecnologia MEMS, les seves fàbriques i plantes produeixen fins a 3.000.000 d'elements al dia.

Figura 2 — Instal·lacions de producció d'una empresa que desenvolupa components MEMS

El cicle de producció es divideix en 5 etapes principals:

1. Producció de xips.

2. Proves.

3. Embalatge en estoigs.

4. Prova final.

5. Lliurament a distribuïdors.

Figura 3 — Cicle de producció

Exemples de sensors MEMS de diferents tipus

Fem una ullada a alguns dels sensors MEMS més populars.

Acceleròmetre Aquest és un dispositiu que mesura l'acceleració lineal. S'utilitza per determinar la ubicació o el moviment d'un objecte. S'utilitza en tecnologia mòbil, cotxes i més.

Figura 4 — Tres eixos reconeguts per l'acceleròmetre

Figura 5 — Estructura interna de l'acceleròmetre MEMS

Figura 6 — Estructura de l'acceleròmetre explicada

Funcions de l'acceleròmetre utilitzant l'exemple del component LIS3DH:

Acceleròmetre de 1,3 eixos.

2. Funciona amb interfícies SPI i I2C.

3. Mesura a 4 escales: ± 2, 4, 8 i 16g.

4. Alta resolució (fins a 12 bits).

5. Baix consum: 2 µA en mode de baixa potència (1 Hz), 11 µA en mode normal (50 Hz) i 5 µA en mode d'apagada.

6. Flexibilitat laboral:

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

• Ample de banda de fins a 2,5 kHz;

• FIFO de 32 nivells (16 bits);

• 3 entrades ADC;

• sensor de temperatura;

• Font d'alimentació de 1,71 a 3,6 V;

• Funció d'autodiagnòstic;

• Estoig 3 x 3 x 1 mm. 2.

Giroscopi És un aparell que mesura el desplaçament angular. Es pot utilitzar per mesurar l'angle de gir al voltant de l'eix. Aquests dispositius es poden utilitzar com a sistema de navegació i control de vol per a aeronaus: avions i diversos UAV, o per determinar la posició dels dispositius mòbils.

Figura 7 — Dades mesurades amb un giroscopi

Figura 8 — Estructura interna

Per exemple, tingueu en compte les característiques del giroscopi MEMS L3G3250A:

• giroscopi analògic de 3 eixos;

• Immunitat al soroll i vibració analògics;

• 2 escales de mesura: ± 625 ° / s i ± 2500 ° / s;

• Modes d'apagat i repòs;

• Funció d'autodiagnòstic;

• calibratge de fàbrica;

• Alta sensibilitat: 2 mV / ° / s a ​​625 ° / s

• Filtre de pas baix integrat

• Estabilitat a alta temperatura (0,08 ° / s / ° C)

• Estat d'alt impacte: 10.000 g en 0,1 ms

• Interval de temperatures -40 a 85 °C

• Tensió d'alimentació: 2,4 - 3,6 V

• Consum: 6,3 mA en mode normal, 2 mA en mode repòs i 5 μA en modes d'apagada

• Caixa 3,5 x 3 x 1 LGA

conclusions

Al mercat de sensors MEMS, a més dels exemples tractats a l'informe, hi ha altres elements que inclouen:

• Sensors multieix (per exemple, 9 eixos).

• Brúixoles;

• Sensors per mesurar l'ambient (pressió i temperatura);

• Micròfons digitals i molt més.

Sistemes microelectromecànics industrials moderns d'alta precisió que s'utilitzen activament en vehicles i ordinadors portàtils.