- MEMS-enheder og applikationer
- MEMS-accelerometre
- MEMS Tryksensorer
- MEMS mikrofon
- MEMS magnetometer
- MEMS Gyroskop
MEMS står for mikro-elektro-mekaniske systemer, og det henviser til enheder i mikrometerstørrelse, der har både elektroniske komponenter og mekaniske bevægelige dele. MEMS-enheder kan defineres som enheder, der har:
- Størrelse i mikrometer (1mikrometer til 100mikrometer)
- Strømmen i systemet (elektrisk)
- Og har bevægelige dele inde i den (mekanisk)
Nedenfor er billedet af den mekaniske del af en MEMS-enhed under et mikroskop. Dette ser måske ikke fantastisk ud, men ved du, at gearets størrelse er et 10micometer, der er halvt så stort som menneskehår. Så dette er ret interessant at vide, hvordan sådanne komplekse strukturer er indlejret i en chipstørrelse kun få millimeter.
MEMS-enheder og applikationer
Denne teknologi blev først introduceret i 1965, men masseproduktion startede først i 1980. På nuværende tidspunkt er der mere end 100 milliarder MEMS-enheder, der i øjeblikket er aktive i forskellige applikationer, og de kan ses i mobiltelefoner, bærbare computere, GPS-systemer, bil osv.
MEMS-teknologi er integreret i mange elektroniske komponenter, og antallet vokser dag for dag. Med fremskridt med at udvikle billigere MEMS-enheder kan vi se dem overtage mange flere applikationer i fremtiden.
Da MEMS-enheder fungerer bedre end normale enheder, medmindre en bedre ydende teknologi kommer i spil, vil MEMS forblive på tronen. I MEMS-teknologi er de mest bemærkelsesværdige elementer mikrosensorer og mikroaktuatorer, som er passende kategoriseret som transducere. Disse transducere konverterer energi fra en form til en anden. I tilfælde af mikrosensorer konverterer enheden typisk et målt mekanisk signal til et elektrisk signal, og en mikroaktuator konverterer et elektrisk signal til mekanisk udgang.
Et par typiske sensorer baseret på MEMS-teknologi forklares nedenfor.
- Accelerometre
- Tryksensorer
- Mikrofon
- Magnetometer
- Gyroskop
MEMS-accelerometre
Før vi går i design, lad os diskutere funktionsprincippet, der bruges til at designe MEMS-accelerometer, og overveje et massefjeder, der er vist nedenfor.
Her ophænges en masse med to fjedre i et lukket rum, og opsætningen anses for at være i ro. Hvis kroppen pludselig begynder at bevæge sig fremad, oplever massen, der er suspenderet i kroppen, en bagudgående kraft, der forårsager en forskydning i sin position. Og på grund af denne forskydning deformeres fjedre som vist nedenfor.
Dette fænomen skal også opleves af os, når vi sidder i ethvert køretøj i bevægelse som bil, bus og tog osv., Så det samme fænomen bruges til at designe accelerometrene.
men i stedet for masse bruger vi ledende plader som en bevægelig del fastgjort til fjedrene. Hele opsætningen vil være som vist nedenfor.
I diagrammet vil vi overveje kapacitansen mellem den øverste bevægelige plade og en fast plade:
C1 = e 0 A / d1
hvor d 1 er afstanden mellem dem.
Her kan vi se, at kapacitans C1-værdien er omvendt proportional med afstanden mellem den øverste bevægelse af pladen og den faste plade.
Kapacitansen mellem den nederste bevægelige plade og den faste plade
C2 = e 0 A / d2
hvor d 2 er afstanden mellem dem
Her kan vi se, at kapacitans C2-værdien er omvendt proportional med afstanden mellem den nederste bevægelige plade og den faste plade.
Når kroppen er i ro, vil både top- og bundpladerne være i lige afstand fra den faste plade, så kapacitans C1 vil være lig med kapacitans C2. Men hvis kroppen pludselig bevæger sig fremad, bliver pladerne forskudt som vist nedenfor.
På dette tidspunkt øges kapacitansen C1, når afstanden mellem toppladen og den faste plade falder. På den anden side falder kapaciteten, når C2 falder, når afstanden mellem bundpladen og den faste plade øges. Denne stigning og fald i kapacitans er lineært proportional med accelerationen på hoveddelen, så højere acceleration højere ændring og lavere acceleration mindre ændring.
Denne varierende kapacitans kan tilsluttes en RC-oscillator eller et andet kredsløb for at få den passende strøm- eller spændingsaflæsning. Efter at have fået den ønskede spænding eller strømværdi kan vi nemt bruge disse data til yderligere analyse.
Selvom denne opsætning kan bruges til at måle accelerationen med succes, er den voluminøs og ikke praktisk. Men hvis vi bruger MEMS-teknologi, kan vi krympe hele opsætningen til en størrelse på få mikrometer, hvilket gør enheden mere anvendelig.
I ovenstående figur kan du se den faktiske opsætning, der bruges i et MEMS accelerometer. Her er de flere kondensatorplader organiseret både i vandret og lodret retning for at måle acceleration i begge retninger. Kondensatorpladen er dimensioneret til et par mikrometer, og hele opsætningen vil størrelse op til få millimeter, så vi kan nemt bruge dette MEMS-accelerometer i batteridrevne bærbare enheder som smartphones.
MEMS Tryksensorer
Vi ved alle, at når der påføres tryk på en genstand, vil den stramme, indtil den når et brudpunkt. Denne stamme er direkte proportional med påført tryk indtil en bestemt grænse, og denne egenskab bruges til at designe en MEMS-trykføler. I nedenstående figur kan du se det strukturelle design af en MEMS-trykføler.
Her er to lederplader monteret på et glaslegeme, og der vil være et vakuum mellem dem. Den ene lederplade er fastgjort, og den anden plade er fleksibel til at bevæge sig under tryk. Hvis du nu tager en kapacitansmåler og tager en aflæsning mellem to udgangsterminaler, kan du observere en kapacitansværdi mellem to parallelle plader, det er fordi hele opsætningen fungerer som en parallel pladekondensator. Da den fungerer som en parallel pladekondensator, gælder som normalt alle egenskaberne for en typisk kondensator for den nu. Lad os under hviletilstanden kalde kapacitansen mellem to plader for at være C1.
den vil deformere og bevæge sig tættere på det nederste lag som vist på figuren. Fordi lagene nærmer sig, øges kapacitansen mellem to lag. Så højere afstande sænker kapacitansen og sænker afstanden højere kapacitans. Hvis vi forbinder denne kapacitans til en RC-resonator, kan vi få frekvenssignaler, der repræsenterer trykket. Dette signal kan gives til en mikrocontroller til yderligere behandling og databehandling.
MEMS mikrofon
Designet af MEMS-mikrofonen svarer til trykføleren, og nedenstående figur viser mikrofonens interne struktur.
Lad os overveje, at opsætningen er i ro, og under disse forhold er kapacitansen mellem fast plade og membran C1.
Hvis der er støj i miljøet, kommer lyden ind i enheden gennem en indgang. Denne lyd får membranen til at vibrere, så afstanden mellem membranen og den faste plade ændres kontinuerligt. Dette får igen kapacitansen C1 til at ændre sig kontinuerligt. Hvis vi forbinder denne skiftende kapacitans til den tilsvarende behandlingschip, kan vi få det elektriske output til den skiftende kapacitans. Fordi den skiftende kapacitans direkte vedrører støj i første omgang, kan dette elektriske signal bruges som en konverteret form af indgangslyden.
MEMS magnetometer
MEMS magnetometer bruges til måling af jordens magnetfelt. Enheden er konstrueret på basis af Hall Effect eller Magneto Resistive Effect. De fleste MEMS-magnetometre bruger Hall Effect, så vi vil diskutere, hvordan denne metode bruges til at måle magnetfeltstyrken. Til det skal vi overveje en ledende plade og have enderne af den ene side forbundet til et batteri som vist på figuren.
Her kan du se elektronernes strømningsretning, som er fra den negative terminal til den positive terminal. Hvis en magnet nu bringes nær toppen af lederen, distribueres elektroner og protoner i lederen som vist i nedenstående figur.
Her samles protoner med positiv ladning på den ene side af planet, mens elektroner, der bærer negativ ladning, samles på den nøjagtige modsatte side. På dette tidspunkt, hvis vi tager et voltmeter og forbinder i begge ender, får vi en aflæsning. Denne spændingsaflæsning V1 er proportional med feltstyrken, som lederen oplever på toppen. Det komplette fænomen med spændingsgenerering ved at anvende strøm og magnetfelt kaldes Hall-effekten.
Hvis et simpelt system er designet ved hjælp af MEMS, baseret på ovenstående model, får vi en transducer, der registrerer feltstyrke og giver lineært proportionalt elektrisk output.
MEMS Gyroskop
MEMS gyroskop er meget populært og bruges i mange applikationer. For eksempel kan vi finde MEMS-gyroskop i fly, GPS-systemer, smartphones osv. MEMS-gyroskop er designet ud fra Coriolis-effekten. For at forstå princippet og funktionen af MEMS gyroskop, lad os se på dets interne struktur.
Her er S1, S2, S3 & S4 fjedrene, der bruges til at forbinde den ydre sløjfe og anden sløjfe. Mens S5, S6, S7 & S8 er fjedre, der bruges til at forbinde den anden sløjfe og masse 'M'. Denne masse resonerer langs y-aksen som vist i retningerne i figuren. Desuden opnås denne resonanseffekt normalt ved anvendelse af den elektrostatiske tiltrækningskraft i MEMS-enheder.
Under hvileforhold vil kapacitansen mellem to plader på det øverste lag eller bund være den samme, og den forbliver den samme, indtil der vil være en ændring i afstanden mellem disse plader.
Antag, at hvis vi monterer dette sæt op på en roterende disk, vil der være en vis ændring i placeringen af plader som vist nedenfor.
Når opsætningen er installeret på en roterende disk som vist, vil masse resonans inde i opsætningen opleve en kraft, der forårsager forskydning i den indvendige opsætning. Du kan se alle de fire fjedre S1 til S4 blive deformeret på grund af denne forskydning. Denne kraft, der opleves ved resonans af masse, når den pludselig placeres på en roterende disk, kan forklares med Coriolis-effekten.
Hvis vi springer de komplekse detaljer over, kan det konkluderes, at der på grund af den pludselige retningsændring er forskydning til stede i det indre lag. Denne forskydning får også afstanden mellem kondensatorplader på både bund- og toplag til at ændre sig. Som forklaret i tidligere eksempler ændrer afstanden kapacitansen til at ændre sig.
Og vi kan bruge denne parameter til at måle rotationshastigheden på den disk, som enheden er placeret på.
Mange andre MEMS-enheder er designet ved hjælp af MEMS-teknologi, og antallet stiger også hver dag. Men alle disse enheder har en vis lighed i arbejde og design, så ved at forstå de få eksempler, der er nævnt ovenfor, kan vi let forstå, hvordan andre lignende MEMS-enheder fungerer.