En oversikt over forskjellige memsenheter og deres applikasjoner

MEMS står for mikro-elektro-mekaniske systemer, og det refererer til enheter i mikrometer-størrelse som har både elektroniske komponenter og mekaniske bevegelige deler. MEMS-enheter kan defineres som enhetene som har:

• Størrelse i mikrometer (1mikrometer til 100mikrometer)
• Strømmen i systemet (elektrisk)
• Og har bevegelige deler inni seg (mekanisk)

Nedenfor er bildet av den mekaniske delen av en MEMS-enhet under et mikroskop. Dette ser kanskje ikke fantastisk ut, men vet du at størrelsen på utstyret er et 10micometer, som er halvparten av størrelse på menneskehår. Så dette er ganske interessant å vite hvordan slike komplekse strukturer er innebygd i en chipstørrelse bare noen få millimeter.

MEMS-enheter og applikasjoner

Denne teknologien ble først introdusert på 1965-tallet, men masseproduksjonen startet ikke før i 1980. For tiden er det mer enn 100 milliarder MEMS-enheter som for tiden er aktive i forskjellige applikasjoner, og de kan sees på mobiltelefoner, bærbare datamaskiner, GPS-systemer, bil, etc.

MEMS-teknologi er innlemmet i mange elektroniske komponenter, og antallet vokser dag for dag. Med fremgangen med å utvikle billigere MEMS-enheter, kan vi se dem ta over mange flere applikasjoner i fremtiden.

Ettersom MEMS-enheter fungerer bedre enn vanlige enheter, med mindre en bedre ytende teknologi spiller inn, vil MEMS forbli på tronen. I MEMS-teknologi er de mest bemerkelsesverdige elementene mikrosensorer og mikroaktuatorer som er riktig kategorisert som transdusere. Disse transduserne konverterer energi fra en form til en annen. Når det gjelder mikrosensorer, konverterer enheten vanligvis et målt mekanisk signal til et elektrisk signal og en mikroaktuator konverterer et elektrisk signal til mekanisk utgang.

Noen få typiske sensorer basert på MEMS-teknologi er forklart nedenfor.

• Akselerometre
• Trykkfølere
• Mikrofon
• Magnetometer
• Gyroskop

MEMS Akselerometre

Før vi går inn i design, la oss diskutere arbeidsprinsippet som ble brukt i utformingen av MEMS akselerometer, og vurder for det en massefjærsetting som er vist nedenfor.

Her er en masse suspendert med to fjærer i et lukket rom, og oppsettet anses å være i ro. Hvis kroppen plutselig begynner å bevege seg fremover, opplever massen som er suspendert i kroppen en bakoverkraft som forårsaker en forskyvning i stillingen. Og på grunn av denne forskyvningen blir fjærene deformert som vist nedenfor.

Dette fenomenet må vi også oppleve når vi sitter i et kjøretøy i bevegelse som bil, buss og tog osv., Slik at det samme fenomenet brukes i utformingen av akselerometrene.

men i stedet for masse, vil vi bruke ledende plater som en bevegelig del festet til fjærene. Hele oppsettet vil være som vist nedenfor.

I diagrammet vil vi vurdere kapasitansen mellom den øverste bevegelige platen og en fast plate:

C1 = e ₀ A / d1

hvor d ₁ er avstanden mellom dem.

Her kan vi se at kapasitans C1-verdien er omvendt proporsjonal med avstanden mellom toppen som beveger platen og den faste platen.

Kapasitansen mellom den nedre bevegelige platen og den faste platen

C2 = e ₀ A / d2

hvor d ₂ er avstanden mellom dem

Her kan vi se at kapasitans C2-verdien er omvendt proporsjonal med avstanden mellom bunnbevegelsesplaten og fast plate.

Når kroppen er i ro, vil både topp- og bunnplatene være i samme avstand fra den faste platen, slik at kapasitans C1 vil være lik kapasitans C2. Men hvis kroppen plutselig beveger seg fremover, blir platene forskjøvet som vist nedenfor.

På dette tidspunktet blir kapasitansen C1 økt når avstanden mellom topplaten og den faste platen avtar. På den annen side reduseres kapasiteten C2 når avstanden mellom bunnplaten og den faste platen øker. Denne økningen og reduksjonen i kapasitans er lineært proporsjonal med akselerasjonen i hoveddelen, så høyere akselerasjon høyere endring og lavere akselerasjon mindre endring.

Denne varierende kapasitansen kan kobles til en RC-oscillator eller en annen krets for å få riktig strøm- eller spenningsavlesning. Etter å ha fått ønsket spenning eller strømverdi kan vi enkelt bruke disse dataene for videre analyse.

Selv om dette oppsettet kan brukes til å måle akselerasjonen med suksess, er det klumpete og ikke praktisk. Men hvis vi bruker MEMS-teknologi, kan vi krympe hele oppsettet til en størrelse på få mikrometer, noe som gjør enheten mer anvendelig.

I figuren ovenfor kan du se det faktiske oppsettet som brukes i et MEMS akselerometer. Her er de mange kondensatorplatene organisert både i horisontal og vertikal retning for å måle akselerasjon i begge retninger. Kondensatorplaten er dimensjonert til noen få mikrometer, og hele oppsettet vil størrelse opp til få millimeter, slik at vi enkelt kan bruke dette MEMS akselerometeret i batteridrevne bærbare enheter som smarttelefoner.

MEMS Trykkfølere

Vi vet alle at når et trykk påføres på en gjenstand, vil den belastes til den når et bruddpunkt. Denne belastningen er direkte proporsjonal med påført trykk til en viss grense, og denne egenskapen brukes til å designe en MEMS-trykksensor. I figuren nedenfor kan du se den strukturelle utformingen av en MEMS-trykksensor.

Her er to lederplater montert på et glasshus og det vil være et vakuum mellom dem. Den ene lederplaten er festet og den andre platen er fleksibel for å bevege seg under trykk. Nå hvis du tar en kapasitansmåler og tar en avlesning mellom to utgangsterminaler, kan du observere en kapasitansverdi mellom to parallelle plater, dette er fordi hele oppsettet fungerer som en parallellplatekondensator. Siden den fungerer som en parallellplatekondensator, gjelder som vanlig alle egenskapene til en typisk kondensator for den nå. La oss under hviletilstanden kalle kapasitansen mellom to plater for å være C1.

den vil deformeres og bevege seg nærmere bunnlaget som vist på figuren. Fordi lagene nærmer seg, blir kapasitansen mellom to lag økt. Så høyere avstander senker kapasitansen og senker avstanden høyere kapasitansen. Hvis vi kobler denne kapasitansen til en RC-resonator, kan vi få frekvenssignaler som representerer trykket. Dette signalet kan gis til en mikrokontroller for videre behandling og databehandling.

MEMS mikrofon

Utformingen av MEMS-mikrofonen ligner på trykksensoren, og figuren nedenfor viser mikrofonens interne struktur.

La oss vurdere at oppsettet er i ro, og under disse forholdene er kapasitansen mellom fast plate og membran C1.

Hvis det er støy i miljøet, kommer lyden inn i enheten gjennom et inntak. Denne lyden får membranen til å vibrere, slik at avstanden mellom membranen og den faste platen endres kontinuerlig. Dette fører igjen til at kapasitansen C1 endres kontinuerlig. Hvis vi kobler denne skiftende kapasitansen til den tilsvarende prosesseringsbrikken, kan vi få den elektriske utgangen for den skiftende kapasitansen. Fordi den skiftende kapasitansen i første omgang er direkte relatert til støy, kan dette elektriske signalet brukes som en konvertert form av inngangslyden.

MEMS magnetometer

MEMS magnetometer brukes til å måle jordens magnetfelt. Enheten er konstruert på grunnlag av Hall Effect eller Magneto Resistive Effect. De fleste MEMS magnetometre bruker Hall Effect, så vi vil diskutere hvordan denne metoden brukes til å måle magnetfeltstyrken. For det, la oss vurdere en ledende plate og ha endene på den ene siden koblet til et batteri som vist på figuren.

Her kan du se elektronenes strømningsretning, som er fra den negative terminalen til den positive terminalen. Nå hvis en magnet blir brakt nær toppen av lederen, blir elektroner og protoner i lederen distribuert som vist i figuren nedenfor.

Her samles protoner med positiv ladning på den ene siden av flyet mens elektroner som bærer negativ ladning samles på nøyaktig motsatt side. På dette tidspunktet, hvis vi tar et voltmeter og kobler til i begge ender, vil vi få en avlesning. Denne spenningsavlesningen V1 er proporsjonal med feltstyrken som lederen opplever på toppen. Det komplette fenomenet med spenningsgenerering ved å bruke strøm og magnetfelt kalles Hall Effect.

Hvis et enkelt system er designet ved hjelp av MEMS, basert på ovennevnte modell, vil vi få en svinger som registrerer feltstyrke og gir lineær proporsjonal elektrisk utgang.

MEMS Gyroskop

MEMS gyroskop er veldig populært og brukes i mange applikasjoner. For eksempel kan vi finne MEMS-gyroskop i fly, GPS-systemer, smarttelefoner osv. MEMS-gyroskop er designet basert på Coriolis-effekten. For å forstå prinsippet og arbeidet med MEMS gyroskop, la oss se på dets interne struktur.

Her er S1, S2, S3 og S4 fjærene som brukes til å koble den ytre sløyfen og den andre sløyfen. Mens S5, S6, S7 og S8 er fjærer som brukes til å koble den andre sløyfen og massen 'M'. Denne massen vil resonere langs y-aksen som vist i retningene i figuren. Dessuten oppnås denne resonasjonseffekten vanligvis ved å bruke den elektrostatiske tiltrekningskraften i MEMS-enheter.

Under hvileforhold vil kapasitansen mellom to plater på det øverste laget eller bunnen være den samme, og den vil forbli den samme til det vil være en endring i avstand mellom disse platene.

Anta at hvis vi monterer dette oppsettet på en roterende disk, vil det være en viss endring i posisjonen til platene som vist nedenfor.

Når oppsettet er installert på en roterende disk som vist, vil masseresonasjon inne i oppsettet oppleve en kraft som forårsaker forskyvning i det indre oppsettet. Du kan se alle de fire fjærene S1 til S4 deformeres på grunn av denne forskyvningen. Denne kraften som oppleves av resonans av masse når den plutselig plasseres på en roterende plate, kan forklares med Coriolis-effekten.

Hvis vi hopper over de komplekse detaljene, kan det konkluderes med at det på grunn av den plutselige retningsendringen er forskyvning tilstede i det indre laget. Denne forskyvningen fører også til at avstanden mellom kondensatorplater på både bunn og topplag endres. Som forklart i tidligere eksempler, får endring i avstand kapasitansen til å endres.

Og vi kan bruke denne parameteren til å måle rotasjonshastigheten til disken som enheten er plassert på.

Mange andre MEMS-enheter er designet med MEMS-teknologi, og antallet øker også hver dag. Men alle disse enhetene har en viss likhet i arbeid og design, så ved å forstå de få eksemplene som er nevnt ovenfor, kan vi enkelt forstå hvordan andre lignende MEMS-enheter fungerer.