Школа для Электрика. Все Секреты Мастерства. Образовательный сайт по электротехнике  
 
 


 

Справочник электрика / Электротехнические устройства

 

Микроэлектромеханические системы (MEMS-компоненты) и датчики на их основе


MEMS-компоненты (рус. МЕМС) – расшифровываются, как микроэлектромеханические системы. Основной отлиительной особенностью в них является, то что они содержат в себе подвижную 3D-структуру. Она движется за счет внешнего воздействия. Следовательно, движутся в МЕМС-компонентах не только электроны, но и составные части.

Микроэлектромеханические системы и датчики на их основе

MEMS-компоненты – это один из элементов микроэлектроники и микромеханики, изготовленный зачастую на кремниевой подложке. По структуре они напоминают однокристальные ИМС. Обычно эти механические части МЕМС имеют размеры от единиц до сотен микрометров, а сам кристалл от 20 мкм до 1 мм.

Один из примеров структуры MEMS

 Рисунок 1 – один из примеров структуры MEMS

Примеры использования:

1. Изготовление различных микросхем.

2. МЭМС-осцилляторы в некоторых случаях заменяют кварцевые резонаторы.

3. Изготовление датчиков, среди которых:

  • акселерометр;

  • гироскоп

  • датчик угловых скоростей;

  • магнитометрический датчик;

  • барометры;

  • анализаторы среды;

  • измерительные преобразователи радиосигнала.

Материалы, применяемые в MEMS-структурах

К основным материалам, из которых изготавливаются МЕМС-компоненты относят:

1. Кремний. В настоящее время подавляющее большинство электронных компонентнов изготавливаются именно из этого материала. У него целый ряд преимуществ, среди которых: распространенность, прочность, при деформации практически не изменяет свойств (не появляется гистерезис). Основным способом изготовления кремниевых МЕМС является фотолитография с последующим травлением.

2. Полимеры. Так как кремний хоть и распространенный материал, но сравнительно дорогой, для его замены в некоторых случаях могут использоваться полимеры. Они производятся промышленностью в больших объемах и с разнообразными характеристиками. Основные методы изготовления полимерных МЕМС – это литьевое формирование, штамповка, стереолитография.

Производственные объемы на примере крупного производителя

Для примера востребованности этих компонентов приведем компанию ST Microelectronics. Она производит крупные инвестиции в МЕМС-технологии, в день на её фабриках и заводах производится до 3 000 000 элементов в день.

Производственные мощностя компании разрабатывающей MEMS-компоненты

 

Рисунок 2 – производственные мощностя компании разрабатывающей MEMS-компоненты

Производственный цикл разбит на 5 основных крупных этапов:

1. Производство чипов.

2. Тестирование.

3. Упаковка в корпуса.

4. Финальное тестирование.

5. Поставка дилерам.

Цикл производства

Рисунок 3 – цикл производства

Примеры МЕМС-датчиков разных типов

Рассмотрим несколько популярных МЕМС-датчиков.

Акселерометр – это прибор, который измеряет линейное ускорение. Его используют для определения метоположения или движение объекта. Используется в мобильной технике, автомобилях и прочем.

Три оси распознаваемые акселерометром

Рисунок 4 – три оси распознаваемые акселерометром

Внутренняя структура МЕМС-акселерометра

 Рисунок 5 – внутренняя структура МЕМС-акселерометра

Пояснения к структуре акселерометра

 Рисунок 6 – пояснения к структуре акселерометра

Характеристики акселерометра на примере компонента LIS3DH:

1. 3 осевой акселерометр.

2. Работает с интерфейсами SPI и I2C.

3. Измерение по 4м шкалам: ±2, 4, 8 и 16g.

4. Высокое разрешение (до 12 бит).

5. Низкое потребление: 2 мкA в режиме Low power mode (1Гц), 11мкA в режиме Normal (50Гц) и 5мкA в режиме Power Down.

6. Гибкость работы:

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

  • Пропускная способность до 2.5 КГц;

  • 32-уровневый FIFO (16-бит);

  • 3 входа АЦП;

  • Датчик температуры;

  • Питание от 1.71 до 3.6 В;

  • Функция самотестирования;

  • Корпус 3 x 3 x 1 мм. 2.

Гироскоп – это прибор который измеряет угловое перемещение. С его помощью можно измерять угол вращения округ оси. Такие приборы могут использовать в качестве системы навигации и управления полетом летательных аппаратов: самолетов и различных БПЛА или для определения положения мобильных устройств.

Данные измеряемые гироскопом

Рисунок 7 – данные измеряемые гироскопом

Внутренняя структура

 Рисунок 8 – внутренняя структура

Для примера рассмотрим характеристики МЕМС-гироскопа L3G3250A:

  • 3-Осевой Аналоговый Гироскоп;

  • Иммунитет к аналоговому шуму и вибрациям;

  • 2 шкалы измерения: ±625°/с и ±2500°/с;

  • Power down и Sleep режимы;

  • Функция самотестирования;

  • заводская калибровка;

  • Высокая чувствительность: 2 мВ/°/с при 625°/с

  • Встроенный фильтр нижних частот

  • Высокая температурная стабильность (0.08°/с/°C)

  • Высокое шоковое состояние: 10000g в течении 0.1 мс

  • Температурный диапазон от -40 до 85°C

  • Напряжение питания: 2.4 - 3.6В

  • Потребление: 6.3 мA в Normal, 2 мA в Sleep и 5 мкA в Power Down режимах

  • Корпус 3.5 x 3 x 1 LGA

Выводы

На рынке МЕМС-датчиков кроме рассмотренных в докладе примеров есть и другие элементы, среди которых:

  • Многоосевые (например, 9-осевые) датчики;

  • Компасы;

  • Датчики для измерения окружающей среды (давления и температуры);

  • Цифровые микрофоны и прочее.

Современная промышленная высокоточные микроэлектромеханические системы, которые активно применяются в транспортных средствах и портативных носимых компьютерах.