Isang pangkalahatang ideya ng iba't ibang mga mems device at ang kanilang mga application

Ang MEMS ay nangangahulugang Micro-Electro-Mechanical Systems at tumutukoy ito sa mga aparatong kasing laki ng micrometer na mayroong parehong mga elektronikong sangkap at mga bahagi ng paglipat ng mekanikal. Ang mga aparato ng MEMS ay maaaring tukuyin bilang mga aparato na mayroong:

Laki sa micrometer (1micrometer hanggang 100micrometer)
Ang daloy ng kasalukuyang sa system (Electrical)
At may gumagalaw na mga bahagi sa loob nito (Mekanikal)

Nasa ibaba ang imahe ng bahagi ng Mekanikal ng isang aparato ng MEMS sa ilalim ng isang mikroskopyo. Maaaring hindi ito kamangha-mangha ngunit alam mo ba na ang laki ng gamit ay isang 10micometer, na kalahati ang laki ng buhok ng tao. Kaya't ito ay lubos na kagiliw-giliw na malaman kung paano ang mga nasabing kumplikadong istraktura ay naka-embed sa isang maliit na maliit na maliit na maliit na maliit na maliit na millimeter.

Mga Device at Application ng MEMS

Ang teknolohiyang ito ay unang ipinakilala noong 1965's ngunit ang produksyon ng masa ay hindi nagsimula hanggang 1980. Sa kasalukuyan, mayroong higit sa 100bilyong mga aparato ng MEMS na kasalukuyang aktibo sa iba't ibang mga aplikasyon at makikita sila sa mga mobile phone, laptop, GPS system, Automobile, atbp.

Ang teknolohiya ng MEMS ay isinasama sa maraming mga elektronikong sangkap at ang kanilang bilang ay lumalaking araw-araw. Sa pagsulong sa pagbuo ng mas murang mga aparato ng MEMS, makikita natin sila na kumukuha ng higit pang mga aplikasyon sa hinaharap.

Tulad ng mga aparato ng MEMS na gumaganap nang mas mahusay kaysa sa normal na mga aparato maliban kung ang isang mas mahusay na gumaganap na teknolohiya ay maglaro ng MEMS ay mananatili sa trono. Sa teknolohiya ng MEMS ang pinaka-kilalang elemento ay mga micro sensor at micro actuators na naaangkop na kategorya bilang mga transduser. Ang mga transduser na ito ay nagko-convert ng enerhiya mula sa isang form patungo sa isa pa. Sa kaso ng microsensors, ang aparato ay karaniwang nagko-convert ng isang sinusukat na mechanical signal sa isang electrical signal at ang isang microactuator ay nagpapalit ng isang de-koryenteng signal sa mekanikal na output.

Ang ilang mga tipikal na sensor batay sa teknolohiya ng MEMS ay ipinaliwanag sa ibaba.

Mga Accelerometro
Mga sensor ng presyon
Mikropono
Magnetnet
Gyroscope

MEMS Accelerometers

Bago pumunta sa disenyo talakayin natin ang prinsipyo ng pagtatrabaho na ginamit sa pagdidisenyo ng MEMS accelerometer at para doon isaalang-alang ang isang mass-spring set up na ipinakita sa ibaba.

Narito ang isang misa ay nasuspinde na may dalawang bukal sa isang saradong puwang at ang pag-setup ay itinuturing na nasa pahinga. Ngayon kung ang katawan ay biglang nagsimulang sumulong pagkatapos ang masa na nasuspinde sa katawan ay nakakaranas ng isang paatras na puwersa na nagsasanhi ng isang pag-aalis sa posisyon nito. At dahil sa mga pag-aalis na ito na mga spring ay naging deformed tulad ng ipinakita sa ibaba.

Ang kababalaghang ito ay dapat ding maranasan natin kapag nakaupo sa anumang gumagalaw na sasakyan tulad ng kotse, bus, at tren, atbp. Kaya ang parehong kababalaghan ay ginagamit sa pagdidisenyo ng mga accelerometers.

ngunit sa halip na misa, gagamit kami ng conductive plate bilang isang gumagalaw na bahagi na nakakabit sa mga bukal. Ang buong pag-setup ay ipapakita sa ibaba.

Sa diagram, isasaalang-alang namin ang capacitance sa pagitan ng tuktok na gumagalaw na plato at isang nakapirming plate:

C1 = e ₀ A / d1

kung saan d ₁ ang distansya sa pagitan nila.

Makikita natin dito na ang halaga ng capacitance C1 ay baliktad na proporsyonal sa distansya sa pagitan ng tuktok na paglipat ng plato at naayos na plato.

Ang kapasidad sa pagitan ng ilalim na paglipat ng plato at naayos na plato

C2 = e ₀ A / d2

kung saan d ₂ ang distansya sa pagitan nila

Makikita natin dito na ang halaga ng capacitance C2 ay baligtad na proporsyonal sa distansya sa pagitan ng ilalim na plate na gumagalaw at naayos na plato.

Kapag ang katawan ay nasa pahinga kapwa ang tuktok at ilalim na mga plato ay magiging pantay na distansya mula sa naayos na plato kaya ang capacitance C1 ay magiging katumbas ng capacitance C2. Ngunit kung ang katawan ay biglang sumulong pagkatapos ang mga plato ay nawala sa takbo tulad ng ipinakita sa ibaba.

Sa oras na ito ang capacitance C1 ay nadagdagan habang ang distansya sa pagitan ng tuktok na plato at naayos na plato ay bumababa. Sa kabilang banda capacitance, ang C2 ay nakakakuha ng bumababa habang ang distansya sa pagitan ng ilalim na plato at naayos na plato ay tumaas. Ang pagtaas at pagbawas na ito ng capacitance ay linear na proporsyonal sa pagbilis sa pangunahing katawan kaya mas mataas ang acceleration mas mataas ang pagbabago at babaan ang acceleration mas mababa ang pagbabago.

Ang magkakaibang capacitance na ito ay maaaring konektado sa isang oscillator ng RC o ibang circuit upang makuha ang naaangkop na kasalukuyang o boltahe na pagbabasa. Matapos makuha ang nais na boltahe o kasalukuyang halaga maaari naming magamit ang data na iyon para sa karagdagang pagsusuri nang madali.

Kahit na ang pag-setup na ito ay maaaring magamit para sa pagsukat ng pagpabilis na ito ay malaki at hindi praktikal. Ngunit kung gumagamit kami ng teknolohiya ng MEMS maaari naming pag-urongin ang buong pag-set up sa isang laki ng ilang mga micrometro na ginagawang mas naaangkop ang aparato.

Sa figure sa itaas, makikita mo ang aktwal na pag-setup na ginamit sa isang MEMS accelerometer. Dito ang maramihang mga plate ng capacitor ay inayos pareho sa isang pahalang at patayong direksyon upang masukat ang pagpabilis sa parehong direksyon. Ang plate ng capacitor ay sukat sa ilang mga micrometers at ang buong pag-setup ay susukat hanggang sa ilang millimeter, kaya maaari naming gamitin ang MEMS accelerometer na ito sa mga portable na aparato na pinapatakbo ng baterya tulad ng mga smartphone.

Mga sensor ng presyon ng MEMS

Alam nating lahat na kapag inilapat ang presyon sa isang bagay ay pipilitin ito hanggang sa umabot sa isang break point. Ang pilay na ito ay direktang proporsyonal sa inilapat na presyon hanggang sa isang tiyak na limitasyon at ang pag-aari na ito ay ginagamit upang mag-disenyo ng isang sensor ng presyon ng MEMS. Sa figure sa ibaba makikita mo ang disenyo ng istruktura ng isang sensor ng presyon ng MEMS.

Narito ang dalawang mga plate ng conductor ay naka-mount sa isang basong katawan at magkakaroon ng isang vacuum sa pagitan nila. Ang isang plate ng conductor ay naayos at ang iba pang plato ay may kakayahang umangkop upang ilipat sa ilalim ng presyon. Ngayon kung kumuha ka ng isang capacitance meter at kumuha ng isang pagbabasa sa pagitan ng dalawang mga output terminal pagkatapos ay maaari mong obserbahan ang isang halaga ng capacitance sa pagitan ng dalawang parallel plate, ito ay dahil ang buong pag-setup ay gumaganap bilang isang parallel plate capacitor. Dahil kumikilos ito bilang isang parallel plate capacitor noon, tulad ng dati, ang lahat ng mga katangian ng isang karaniwang capacitor ay nalalapat dito ngayon. Sa ilalim ng kundisyon ng pahinga tawagan natin ang capacitance sa pagitan ng dalawang mga plato upang maging C1.

ito ay magpapapangit at lilipat ng mas malapit sa ilalim na layer tulad ng ipinakita sa pigura. Dahil malapit ang mga layer, tumaas ang capacitance sa pagitan ng dalawang mga layer. Kaya mas mataas ang distansya mas mababa ang capacitance at babaan ang distansya mas mataas ang capacitance. Kung ikonekta namin ang capacitance na ito sa isang RC resonator pagkatapos ay makakakuha tayo ng mga signal ng dalas na kumakatawan sa presyon. Ang signal na ito ay maaaring ibigay sa isang microcontroller para sa karagdagang pagproseso at pagproseso ng data.

MEMS Mikropono

Ang disenyo ng mikropono ng MEMS ay katulad ng sensor ng presyon at ipinapakita ng figure sa ibaba ang panloob na istraktura ng mikropono.

Isaalang-alang natin ang pag-setup ay nasa pahinga at sa mga kundisyon na iyon ang kapasidad sa pagitan ng nakapirming plato at dayapragm ay C1.

Kung may ingay sa kapaligiran kung gayon ang tunog ay pumapasok sa aparato sa pamamagitan ng isang papasok. Ang tunog na ito ay sanhi ng pag-vibrate ng diaphragm na ginagawang patuloy na nagbabago ang distansya sa pagitan ng diaphragm at nakapirming plate. Ito naman ay naging sanhi ng pagbabago ng capacitance C1 na tuloy-tuloy. Kung ikokonekta natin ang nagbabago na kapasidad sa kaukulang chip ng pagproseso maaari nating makuha ang output ng elektrikal para sa pagbabago ng kapasidad. Dahil ang pagbabago ng capacitance ay direktang nauugnay sa ingay sa unang lugar, ang signal na ito ng elektrikal ay maaaring magamit bilang isang na-convert na form ng input na tunog.

MEMS Magnetometer

Ginagamit ang MEMS magnetometer para sa pagsukat ng magnetic field ng lupa. Ang aparato ay itinayo batay sa Hall Effect o Magneto Resistive Effect. Karamihan sa mga magnetometro ng MEMS ay gumagamit ng Hall Effect, kaya tatalakayin namin kung paano ginagamit ang pamamaraang ito upang masukat ang lakas ng magnetic field. Para sa mga iyon isaalang-alang namin ang isang kondaktibo plate at magkaroon ng mga dulo ng isang gilid na konektado sa isang baterya tulad ng ipinakita sa figure.

Makikita mo rito ang direksyon ng daloy ng mga electron, na mula sa negatibong terminal patungo sa positibong terminal. Ngayon kung ang isang pang-akit ay dinala malapit sa tuktok ng konduktor kung gayon ang mga electron at proton sa konduktor ay maipamahagi tulad ng ipinakita sa figure sa ibaba.

Narito ang mga proton na nagdadala ng positibong pagsingil na natipon sa isang gilid ng eroplano habang ang mga electron na nagdadala ng negatibong pagsingil ay natipon sa eksaktong tapat. Sa oras na ito kung kukuha kami ng isang voltmeter at kumonekta sa parehong mga dulo pagkatapos makakakuha kami ng isang pagbabasa. Ang boltahe na pagbabasa ng V1 ay proporsyonal sa lakas ng patlang na naranasan ng conductor sa itaas. Ang kumpletong kababalaghan ng pagbuo ng boltahe sa pamamagitan ng paglalapat ng kasalukuyan at magnetikong patlang ay tinatawag na Hall Effect.

Kung ang isang simpleng sistema ay dinisenyo sa pamamagitan ng paggamit ng MEMS, batay sa modelo sa itaas, makakakuha kami ng isang transduser na nakakaintindi ng lakas sa patlang at nagbibigay ng tuwid na proporsyonal na output ng elektrisidad.

MEMS Gyroscope

Ang MEMS gyroscope ay napakapopular at ginagamit sa maraming mga application. Halimbawa, mahahanap natin ang MEMS gyroscope sa mga eroplano, sistema ng GPS, smartphone, atbp. Ang MEMS gyroscope ay dinisenyo batay sa Coriolis Effect. Para sa pag-unawa sa prinsipyo at pagtatrabaho ng MEMS gyroscope, tingnan natin ang panloob na istraktura nito.

Narito ang S1, S2, S3 & S4 ang mga bukal na ginagamit para sa pagkonekta sa panlabas na loop at pangalawang loop. Habang ang S5, S6, S7 & S8 ay mga bukal na ginagamit para sa pagkonekta sa pangalawang loop at mass na 'M'. Ang masa na ito ay tatunog kasama ang y-axis tulad ng ipinakita ng mga direksyon sa pigura. Gayundin, ang epekto ng resonation na ito ay karaniwang nakakamit sa pamamagitan ng paggamit ng electrostatic force na akit sa mga aparato ng MEMS.

Sa ilalim ng mga kundisyon ng pamamahinga, ang capacitance sa pagitan ng anumang dalawang plate sa tuktok na layer o sa ibaba ay pareho, at mananatili itong pareho hanggang sa magkaroon ng pagbabago sa distansya sa pagitan ng mga plate na ito.

Ipagpalagay kung mai-mount natin ang set up na ito sa isang umiikot na disk pagkatapos ay magkakaroon ng isang tiyak na pagbabago sa posisyon ng mga plato tulad ng ipinakita sa ibaba.

Kapag ang pag-setup ay naka-install sa isang umiikot na disk tulad ng ipinakita, pagkatapos ang masa na resonating sa loob ng pag-setup ay makakaranas ng isang puwersa na sanhi ng pag-aalis sa panloob na pag-setup. Maaari mong makita ang lahat ng apat na bukal na S1 hanggang S4 na deformed dahil sa pag-aalis na ito. Ang puwersang ito na naranasan ng gumaganyak na masa nang biglang inilagay sa isang umiikot na disk ay maaaring ipaliwanag ng Coriolis Effect.

Kung laktawan natin ang mga kumplikadong detalye, maaari nating tapusin na dahil sa biglaang pagbabago ng direksyon ay mayroong pag-aalis na nasa panloob na layer. Ang pag-aalis na ito ay nagdudulot din ng distansya sa pagitan ng mga plate ng capacitor sa parehong ilalim at itaas na mga layer upang magbago. Tulad ng ipinaliwanag sa mga nakaraang halimbawa ng pagbabago sa distansya ay nagiging sanhi ng pagbabago ng capacitance.

At maaari naming gamitin ang parameter na ito upang masukat ang bilis ng pag-ikot ng disk kung saan nakalagay ang aparato.

Maraming iba pang mga aparato ng MEMS ay dinisenyo gamit ang teknolohiya ng MEMS at ang kanilang bilang ay tumataas din araw-araw. Ngunit ang lahat ng mga aparatong ito ay nagdadala ng isang tiyak na pagkakapareho sa pagtatrabaho at disenyo, kaya sa pamamagitan ng pag-unawa sa ilang mga halimbawang nabanggit sa itaas madali nating maunawaan ang pagtatrabaho ng iba pang mga katulad na aparato ng MEMS.