Термин MEMS означает Micro-Electro-Mechanical Systems (микроэлектромеханические системы или, на русском, сокращенно МЭМС). MEMS — это комбинация устройств микрометрового размера, состоящих как из электронных компонентов, так и из механических движущихся частей. Это миниатюрные машины микроскопического масштаба, то есть физические размеры MEMS могут быть от одного микрометра до нескольких миллиметров. С помощью технологии MEMS мы можем создавать очень маленькие и полностью функциональные механические структуры, которые относительно просты и не имеют движущихся элементов, или чрезвычайно сложные электромеханические системы.

О том, как подключать эти MEMS устройства к плате Arduino, можно прочитать в этой статье.

Обзор технологии МЭМС

Технология MEMS включает в себя различные методы микропроизводства, используемые для производства устройств MEMS. Технология MEMS была впервые представлена ​​в 1965-х годах, но массовое производство началось только в 1980 году. В настоящее время в различных приложениях активно используется более 100 миллиардов устройств MEMS, их можно увидеть в мобильных телефонах, ноутбуках, системах GPS, автомобилях и т. д.

Технология MEMS внедрена во многие электронные компоненты, и их число растет с каждым днем. С развитием разработки более дешевых устройств MEMS мы можем увидеть, как они будут охватывать все больше приложений в будущем.

MEMS-устройства и датчики

Поскольку устройства MEMS работают лучше обычных устройств, пока не появится более производительная технология, то вполне очевидно что технология MEMS останется на "троне". В технологии MEMS наиболее заметными элементами являются микродатчики и микроактуаторы, которые по праву можно отнести к категории преобразователей. Эти преобразователи преобразуют энергию из одной формы в другую. В случае микродатчиков устройство обычно преобразует измеренный механический сигнал в электрический сигнал, а микроактуатор преобразует электрический сигнал в механический выходной сигнал.

Ниже описаны несколько типичных датчиков, основанных на технологии МЭМС.

• Акселерометры;
• Датчики давления;
• Микрофоны;
• Магнитометры;
• Гироскопы.

MEMS-акселерометры

Прежде чем приступить к проектированию, давайте обсудим принцип работы, используемый при проектировании акселерометров MEMS, и для этого рассмотрим показанную ниже конструкцию масса-пружина .

Здесь масса подвешена на двух пружинах в замкнутом пространстве, и установка считается находящейся в состоянии покоя. Теперь, если тело внезапно начинает двигаться вперед, то масса, подвешенная в теле, испытывает обратную силу, которая вызывает смещение в ее положении. И из-за этого смещения пружины деформируются, как показано ниже.

Это явление мы также должны испытывать, сидя в любом движущемся транспортном средстве, например, в автомобиле, автобусе, поезде и т. д., поэтому то же явление используется при проектировании акселерометров.

Теперь рассмотрим аналогичный сценарий, но вместо массы мы будем использовать проводящие пластины в качестве подвижной части, прикрепленной к пружинам. Вся установка будет такой, как показано на следующем рисунке.

На схеме рассмотрим емкость между верхней подвижной пластиной и неподвижной пластиной:

С1= е0А/d1

где d₁ — расстояние между ними.

Здесь мы видим, что величина емкости C1 обратно пропорциональна расстоянию между верхней подвижной пластиной и неподвижной пластиной.

Емкость между нижней подвижной пластиной и неподвижной пластиной

С2= е0А / d2

 где d₂ — расстояние между ними.

Здесь мы видим, что значение емкости C2 обратно пропорционально расстоянию между нижней подвижной пластиной и неподвижной пластиной.

Когда тело находится в состоянии покоя, верхняя и нижняя пластины будут находиться на одинаковом расстоянии от неподвижной пластины, поэтому емкость C1 будет равна емкости C2. Но если тело внезапно сдвинется вперед, то пластины сместятся, как показано ниже.

В это время емкость C1 увеличивается по мере уменьшения расстояния между верхней пластиной и неподвижной пластиной. С другой стороны, емкость C2 уменьшается по мере увеличения расстояния между нижней пластиной и неподвижной пластиной. Это увеличение и уменьшение емкости линейно пропорционально ускорению на основном корпусе, поэтому чем выше ускорение, тем больше изменение, а чем ниже ускорение, тем меньше изменение.

Эту переменную емкость можно подключить к RC-генератору или другой схеме, чтобы получить соответствующее показание тока или напряжения. Получив желаемое значение напряжения или тока, мы можем легко использовать эти данные для дальнейшего анализа.

Хотя эта установка может быть успешно использована для измерения ускорения, она громоздка и непрактична. Но если мы используем технологию MEMS, мы можем уменьшить всю установку до размера нескольких микрометров, что делает устройство более применимым.

На рисунке выше вы можете увидеть фактическую установку, используемую в акселерометре MEMS. Здесь несколько пластин конденсатора организованы как в горизонтальном, так и в вертикальном направлении для измерения ускорения в обоих направлениях. Пластина конденсатора имеет размер в несколько микрометров, а вся установка будет иметь размер в несколько миллиметров, поэтому мы можем легко использовать этот акселерометр MEMS в портативных устройствах с батарейным питанием, таких как смартфоны.

MEMS-гироскоп

MEMS-гироскоп очень популярен и используется во многих приложениях. Например, мы можем найти MEMS-гироскоп в самолетах, системах GPS, смартфонах и т. д. MEMS-гироскоп разработан на основе эффекта Кориолиса. Для понимания принципа и работы MEMS-гироскопа давайте рассмотрим его внутреннюю структуру.

Здесь S1, S2, S3&S4 — это пружины, используемые для соединения внешнего контура и второго контура. В то время как S5, S6, S7&S8 — это пружины, используемые для соединения второго контура и массы «M». Эта масса будет резонировать вдоль оси y, как показано направлениями на рисунке. Кроме того, этот эффект резонанса обычно достигается с помощью электростатической силы притяжения в устройствах MEMS.

В состоянии покоя емкость между любыми двумя пластинами в верхнем или нижнем слое будет одинаковой и останется неизменной до тех пор, пока не изменится расстояние между этими пластинами.

Предположим, что если мы закрепим эту установку на вращающемся диске, то произойдет определенное изменение положения пластин, как показано ниже.

Когда установка установлена ​​на вращающемся диске, как показано, то масса, резонирующая внутри установки, будет испытывать силу, вызывающую смещение во внутренней установке. Вы можете видеть, как все четыре пружины S1 - S4 деформируются из-за этого смещения. Эту силу, испытываемую резонирующей массой, когда она внезапно помещается на вращающийся диск, можно объяснить эффектом Кориолиса.

Если опустить сложные детали, то можно сделать вывод, что из-за внезапного изменения направления во внутреннем слое присутствует смещение. Это смещение также приводит к изменению расстояния между пластинами конденсатора как на нижнем, так и на верхнем слое. Как объяснялось в предыдущих примерах, изменение расстояния приводит к изменению емкости. Мы можем использовать этот параметр для измерения скорости вращения диска, на котором размещено устройство.

Инерциальные датчики MEMS

Инерциальные датчики MEMS или IMU (инерциальный измерительный блок) представляют собой комбинацию акселерометра и гироскопа в одном корпусе. IMU использует данные с обоих этих датчиков для обнаружения линейного смещения и углового движения, которые затем используются для расчета инерции объекта. IMU широко используются в устройствах стабилизации объектов, таких как карданные подвесы, они также широко используются в авиационной промышленности. MPU6050 является одним из самых популярных IMU, и его можно найти во множестве повседневных гаджетов.

Датчики давления MEMS

Мы все знаем, что когда на объект оказывается давление, он будет деформироваться до тех пор, пока не достигнет точки разрыва. Эта деформация прямо пропорциональна приложенному давлению до определенного предела, и это свойство используется для разработки датчика давления MEMS. На рисунке ниже вы можете увидеть структурную конструкцию датчика давления MEMS.

Здесь две пластины-проводника закреплены на стеклянном корпусе, и между ними будет вакуум. Одна пластина-проводник зафиксирована, а другая гибкая, чтобы двигаться под давлением. Теперь, если вы возьмете измеритель емкости и снимете показания между двумя выходными клеммами, то вы можете наблюдать значение емкости между двумя параллельными пластинами, это потому, что вся установка действует как конденсатор с параллельными пластинами. Поскольку она действует как конденсатор с параллельными пластинами, то, как обычно, все свойства типичного конденсатора теперь применимы к ней. В состоянии покоя давайте назовем емкость между двумя пластинами C1.

Теперь, если на верхний слой оказывается давление, он деформируется и приближается к нижнему слою, как показано на рисунке. Поскольку слои сближаются, емкость между двумя слоями увеличивается. Таким образом, чем больше расстояние, тем меньше емкость, а чем меньше расстояние, тем больше емкость. Если мы подключим эту емкость к RC-резонатору, то мы можем получить частотные сигналы, представляющие давление. Этот сигнал можно передать на микроконтроллер для дальнейшей обработки и обработки данных.

MEMS-микрофон

Конструкция микрофона MEMS аналогична датчику давления, а на рисунке ниже показана внутренняя структура микрофона.

Предположим, что установка находится в состоянии покоя, и в этих условиях емкость между неподвижной пластиной и диафрагмой равна C1.

Если в окружающей среде есть шум, то звук поступает в устройство через входное отверстие. Этот звук заставляет диафрагму вибрировать, заставляя расстояние между диафрагмой и неподвижной пластиной непрерывно меняться. Это, в свою очередь, заставляет емкость C1 непрерывно меняться. Если мы подключим эту изменяющуюся емкость к соответствующей микросхеме обработки, мы можем получить электрический выход для изменяющейся емкости. Поскольку изменяющаяся емкость напрямую связана с шумом в первую очередь, этот электрический сигнал можно использовать как преобразованную форму входного звука. INMP441 и ICS43434 являются самыми популярными микрофонами MEMS среди инженеров. Оба являются цифровыми микрофонами с выходом I2S.

Магнитометр MEMS

Магнитометр MEMS используется для измерения магнитного поля Земли. Устройство построено на основе эффекта Холла или магниторезистивного эффекта. Большинство магнитометров MEMS используют эффект Холла, поэтому мы обсудим, как этот метод используется для измерения напряженности магнитного поля. Для этого рассмотрим проводящую пластину и подключим концы одной стороны к батарее, как показано на рисунке.

Здесь вы можете увидеть направление потока электронов, которое идет от отрицательного полюса к положительному. Теперь, если магнит поднести к верхней части проводника, то электроны и протоны в проводнике распределятся, как показано на рисунке ниже.

Здесь протоны, несущие положительный заряд, собираются на одной стороне плоскости, в то время как электроны, несущие отрицательный заряд, собираются на совершенно противоположной стороне. В это время, если мы возьмем вольтметр и подключим его с обоих концов, то получим показание. Это показание напряжения V1 пропорционально напряженности поля, испытываемого проводником сверху. Полное явление генерации напряжения путем приложения тока и магнитного поля называется эффектом Холла .

Если спроектировать простую систему с использованием МЭМС на основе вышеприведенной модели, то мы получим преобразователь, который измеряет напряженность поля и обеспечивает линейно пропорциональный электрический выходной сигнал.

Многие другие устройства MEMS разработаны с использованием технологии MEMS, и их число также увеличивается с каждым днем. Но все эти устройства имеют определенное сходство в работе и конструкции, поэтому, понимая несколько примеров, упомянутых выше, мы можем легко понять работу других подобных устройств MEMS.

79 просмотров