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.
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.
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.
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.
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.
Рисунок 4 – три оси распознаваемые акселерометром
Рисунок 5 – внутренняя структура МЕМС-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.
Рисунок 7 – данные измеряемые гироскопом
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.