Een overzicht van verschillende Mems-apparaten en hun toepassingen

MEMS staat voor Micro-Electro-Mechanical Systems en verwijst naar apparaten van micrometer-formaat die zowel elektronische componenten als mechanisch bewegende delen hebben. MEMS-apparaten kunnen worden gedefinieerd als de apparaten met:

• Grootte in micrometer (1 micrometer tot 100 micrometer)
• De stroom van stroom in het systeem (elektrisch)
• En er zitten bewegende delen in (mechanisch)

Hieronder ziet u de afbeelding van het mechanische deel van een MEMS-apparaat onder een microscoop. Dit ziet er misschien niet geweldig uit, maar weet je dat de grootte van het tandwiel een 10 micometer is, dat is half zo groot als mensenhaar. Het is dus best interessant om te weten hoe zulke complexe structuren zijn ingebed in een chip ter grootte van slechts enkele millimeters.

MEMS-apparaten en applicaties

Deze technologie werd voor het eerst geïntroduceerd in de jaren 1965, maar de massaproductie is pas in 1980 begonnen. Momenteel zijn er meer dan 100 miljard MEMS-apparaten actief in verschillende toepassingen en ze zijn te zien in mobiele telefoons, laptops, gps-systemen, auto's, enz.

MEMS-technologie is verwerkt in veel elektronische componenten en hun aantal groeit met de dag. Met de vooruitgang in het ontwikkelen van goedkopere MEMS-apparaten, kunnen we zien dat ze in de toekomst veel meer toepassingen overnemen.

Omdat MEMS-apparaten beter presteren dan normale apparaten, tenzij een beter presterende technologie in het spel komt, zal MEMS op de troon blijven. In de MEMS-technologie zijn de meest opvallende elementen microsensoren en microactuatoren die op de juiste manier zijn gecategoriseerd als transducers. Deze transducers zetten energie om van de ene vorm naar de andere. In het geval van microsensoren, zet het apparaat typisch een gemeten mechanisch signaal om in een elektrisch signaal en een microactuator zet een elektrisch signaal om in mechanische output.

Hieronder worden enkele typische sensoren op basis van MEMS-technologie toegelicht.

• Versnellingsmeters
• Druksensoren
• Microfoon
• Magnetometer
• Gyroscoop

MEMS-versnellingsmeters

Laten we, voordat we met het ontwerp ingaan, het werkingsprincipe bespreken dat wordt gebruikt bij het ontwerpen van de MEMS-versnellingsmeter en daarvoor een massa-veeropstelling overwegen die hieronder wordt weergegeven.

Hier wordt een massa met twee veren in een afgesloten ruimte opgehangen en wordt de opstelling als in rust beschouwd. Als het lichaam nu plotseling voorwaarts gaat bewegen, ervaart de in het lichaam hangende massa een achterwaartse kracht die een verplaatsing in zijn positie veroorzaakt. En hierdoor worden de verplaatsingsveren vervormd zoals hieronder getoond.

Dit fenomeen moet ook door ons worden ervaren als we in een bewegend voertuig zitten, zoals een auto, bus en trein, enz., Dus hetzelfde fenomeen wordt gebruikt bij het ontwerpen van de versnellingsmeters.

maar in plaats van massa zullen we geleidende platen gebruiken als bewegend onderdeel dat aan de veren is bevestigd. De volledige opstelling is zoals hieronder weergegeven.

In het diagram kijken we naar de capaciteit tussen de bovenste bewegende plaat en een vaste plaat:

C1 = e ₀ A / d1

waarbij d ₁ de afstand tussen hen is.

Hier kunnen we zien dat de C1-waarde van capaciteit omgekeerd evenredig is met de afstand tussen de bovenkant die de plaat beweegt en de vaste plaat.

De capaciteit tussen de onderste bewegende plaat en de vaste plaat

C2 = e ₀ A / d2

waarbij d ₂ de afstand tussen hen is

Hier kunnen we zien dat de waarde van capaciteit C2 omgekeerd evenredig is met de afstand tussen de onderste bewegende plaat en de vaste plaat.

Wanneer het lichaam in rust is, zullen zowel de boven- als de onderplaat zich op gelijke afstand van de vaste plaat bevinden, zodat capaciteit C1 gelijk is aan capaciteit C2. Maar als het lichaam plotseling naar voren beweegt, worden de platen verplaatst zoals hieronder weergegeven.

Op dit moment wordt de capaciteit C1 vergroot naarmate de afstand tussen de bovenplaat en de vaste plaat afneemt. Aan de andere kant wordt de capaciteit C2 kleiner naarmate de afstand tussen de bodemplaat en de vaste plaat groter wordt. Deze toename en afname van de capaciteit is lineair evenredig met de versnelling op het hoofdlichaam, dus hoe hoger de versnelling, hoe hoger de verandering en hoe lager de versnelling, hoe kleiner de verandering.

Deze variërende capaciteit kan worden aangesloten op een RC-oscillator of een ander circuit om de juiste stroom- of spanningswaarde te krijgen. Nadat we de gewenste spannings- of stroomwaarde hebben verkregen, kunnen we die gegevens gemakkelijk gebruiken voor verdere analyse.

Hoewel deze opstelling kan worden gebruikt om de versnelling met succes te meten, is deze omvangrijk en niet praktisch. Maar als we MEMS-technologie gebruiken, kunnen we de hele opstelling verkleinen tot enkele micrometers, waardoor het apparaat beter toepasbaar wordt.

In de bovenstaande afbeelding ziet u de daadwerkelijke setup die wordt gebruikt in een MEMS-versnellingsmeter. Hier zijn de meerdere condensatorplaten zowel in horizontale als verticale richting georganiseerd om de versnelling in beide richtingen te meten. De condensatorplaat heeft afmetingen van enkele micrometers en de hele opstelling kan enkele millimeters groot zijn, dus we kunnen deze MEMS-versnellingsmeter gemakkelijk gebruiken in draagbare apparaten die op batterijen werken, zoals smartphones.

MEMS Druksensoren

We weten allemaal dat wanneer er druk op een object wordt uitgeoefend, het zal worden belast totdat het een breekpunt bereikt. Deze rek is recht evenredig met de toegepaste druk tot een bepaalde limiet en deze eigenschap wordt gebruikt om een ​​MEMS-druksensor te ontwerpen. In de onderstaande afbeelding ziet u het structurele ontwerp van een MEMS-druksensor.

Hier zijn twee geleiderplaten op een glazen behuizing gemonteerd en ontstaat er een vacuüm tussen de platen. Een geleiderplaat is vast en de andere plaat is flexibel om onder druk te bewegen. Als je nu een capaciteitsmeter neemt en een meting doet tussen twee uitgangsklemmen, dan kun je een capaciteitswaarde waarnemen tussen twee parallelle platen, dit komt omdat de hele opstelling werkt als een parallelle plaatcondensator. Omdat het als een parallelle plaatcondensator fungeert, zijn, zoals gewoonlijk, nu alle eigenschappen van een typische condensator van toepassing. Laten we onder de rustconditie de capaciteit tussen twee platen C1 noemen.

het zal vervormen en dichter bij de onderste laag komen, zoals weergegeven in de afbeelding. Doordat de lagen dichtbij komen, wordt de capaciteit tussen twee lagen vergroot. Dus hoe hoger de afstanden, hoe lager de capaciteit en hoe lager de afstand, hoe hoger de capaciteit. Als we deze capaciteit verbinden met een RC-resonator, kunnen we frequentiesignalen krijgen die de druk vertegenwoordigen. Dit signaal kan worden doorgegeven aan een microcontroller voor verdere verwerking en gegevensverwerking.

MEMS-microfoon

Het ontwerp van de MEMS-microfoon is vergelijkbaar met de druksensor en de onderstaande afbeelding toont de interne structuur van de microfoon.

Laten we eens kijken dat de opstelling in rust is en in die omstandigheden is de capaciteit tussen vaste plaat en diafragma C1.

Als er geluid in de omgeving is, komt het geluid het apparaat binnen via een inlaat. Dit geluid zorgt ervoor dat het diafragma gaat trillen, waardoor de afstand tussen het diafragma en de vaste plaat continu verandert. Dit zorgt er op zijn beurt voor dat de capaciteit C1 continu verandert. Als we deze veranderende capaciteit verbinden met de corresponderende verwerkingschip, kunnen we de elektrische output voor de veranderende capaciteit krijgen. Omdat de veranderende capaciteit in de eerste plaats direct verband houdt met ruis, kan dit elektrische signaal worden gebruikt als een omgezette vorm van het ingangsgeluid.

MEMS-magnetometer

MEMS-magnetometer wordt gebruikt voor het meten van het aardmagnetisch veld. Het apparaat is geconstrueerd op basis van Hall-effect of Magneto Resistive Effect. De meeste MEMS-magnetometers gebruiken Hall-effect, dus we zullen bespreken hoe deze methode wordt gebruikt om de magnetische veldsterkte te meten. Laten we daarvoor een geleidende plaat beschouwen en de uiteinden van één zijde op een batterij laten aansluiten, zoals weergegeven in de afbeelding.

Hier kun je de stroomrichting van de elektronen zien, die van de negatieve pool naar de positieve pool gaat. Als een magneet nu dichtbij de bovenkant van de geleider wordt gebracht, worden elektronen en protonen in de geleider verdeeld zoals weergegeven in de onderstaande afbeelding.

Hier worden protonen met een positieve lading verzameld aan de ene kant van het vlak, terwijl elektronen met een negatieve lading worden verzameld aan de precies andere kant. Als we op dit moment een voltmeter nemen en aan beide uiteinden aansluiten, krijgen we een meting. Deze spanningswaarde V1 is evenredig met de veldsterkte die wordt ervaren door de geleider aan de bovenkant. Het complete fenomeen van spanningsopwekking door het aanleggen van stroom en magnetisch veld wordt het Hall-effect genoemd.

Als een eenvoudig systeem is ontworpen met behulp van MEMS, gebaseerd op het bovenstaande model, krijgen we een transducer die veldsterkte detecteert en een lineair proportionele elektrische output levert.

MEMS-gyroscoop

MEMS-gyroscoop is erg populair en wordt in veel toepassingen gebruikt. Zo kunnen we MEMS-gyroscoop vinden in vliegtuigen, GPS-systemen, smartphones, etc. MEMS-gyroscoop is ontworpen op basis van het Coriolis-effect. Om het principe en de werking van MEMS-gyroscoop te begrijpen, laten we eens kijken naar de interne structuur ervan.

Hier zijn S1, S2, S3 en S4 de veren die worden gebruikt om de buitenste lus en de tweede lus te verbinden. Terwijl S5, S6, S7 en S8 veren zijn die worden gebruikt om de tweede lus en massa 'M' te verbinden. Deze massa resoneert langs de y-as zoals aangegeven door de richtingen in de figuur. Ook wordt dit resonantie-effect meestal bereikt door de elektrostatische aantrekkingskracht in MEMS-apparaten te gebruiken.

Onder rustomstandigheden zal de capaciteit tussen twee platen op de bovenste laag of onderkant hetzelfde zijn, en deze zal hetzelfde blijven totdat er een verandering in de afstand tussen deze platen optreedt.

Stel dat als we deze opstelling op een roterende schijf monteren, er een bepaalde verandering in de positie van de platen zal zijn zoals hieronder weergegeven.

Wanneer de opstelling op een roterende schijf is geïnstalleerd, zoals weergegeven, zal massa-resonantie in de opstelling een kracht ervaren die de verplaatsing in de binnenopstelling veroorzaakt. Je kunt zien dat alle vier de veren S1 t / m S4 door deze verplaatsing vervormd raken. Deze kracht die wordt ervaren door resonerende massa wanneer deze plotseling op een roterende schijf wordt geplaatst, kan worden verklaard door het Coriolis-effect.

Als we de complexe details overslaan, kan worden geconcludeerd dat er door de plotselinge richtingsverandering verplaatsing in de binnenste laag aanwezig is. Deze verplaatsing zorgt er ook voor dat de afstand tussen condensatorplaten op zowel de onderste als de bovenste laag verandert. Zoals uitgelegd in eerdere voorbeelden, zorgt een verandering in afstand ervoor dat de capaciteit verandert.

En we kunnen deze parameter gebruiken om de rotatiesnelheid te meten van de schijf waarop het apparaat is geplaatst.

Veel andere MEMS-apparaten zijn ontworpen met behulp van MEMS-technologie en hun aantal neemt ook elke dag toe. Maar al deze apparaten vertonen een zekere gelijkenis in werking en ontwerp, dus door de paar hierboven genoemde voorbeelden te begrijpen, kunnen we gemakkelijk de werking van andere vergelijkbare MEMS-apparaten begrijpen.