מערכות מיקרו-אלקטרומכניות (רכיבי MEMS) וחיישנים המבוססים עליהם

רכיבי MEMS (MEMS רוסית) - פירושו מערכות מיקרו-אלקטרו-מכניות. המאפיין העיקרי המבחין בהם הוא שהם מכילים מבנה תלת מימדי נייד. הוא זז בגלל השפעות חיצוניות. לכן, לא רק אלקטרונים נעים ברכיבי MEMS, אלא גם בחלקים המרכיבים אותם.

רכיבי MEMS הם אחד המרכיבים של מיקרואלקטרוניקה ומיקרומכניקה, המיוצרים לרוב על מצע סיליקון. במבנה, הם דומים למעגלים משולבים עם שבב יחיד. בדרך כלל, חלקים מכאניים אלה של MEMS נעים בגודל מיחידות למאות מיקרומטרים, והגביש עצמו הוא בין 20 מיקרומטר ל-1 מ"מ.

איור 1 הוא דוגמה למבנה MEMS

דוגמאות לשימוש:

1. ייצור מיקרו-מעגלים שונים.

2. מתנדים MEMS מוחלפים לפעמים מהודים קוורץ.

3. ייצור חיישנים, לרבות:

• מד תאוצה;

• ג'ִירוֹסקוֹפּ

• חיישן מהירות זוויתית;

• חיישן מגנומטרי;

• ברומטרים;

• אנליסטים סביבתיים;

• מתמרים למדידת אותות רדיו.

חומרים המשמשים במבני MEMS

החומרים העיקריים מהם עשויים רכיבי MEMS כוללים:

1. סיליקון. נכון לעכשיו, רוב הרכיבים האלקטרוניים עשויים מחומר זה. יש לו מספר יתרונות, כולל: התפשטות, חוזק, כמעט אינו משנה את תכונותיו במהלך דפורמציה. פוטוליתוגרפיה ואחריה תחריט היא שיטת הייצור העיקרית לסיליקון MEMS.

2. פולימרים. מכיוון שסיליקון, למרות שהוא חומר נפוץ, הוא יקר יחסית, במקרים מסוימים ניתן להשתמש בפולימרים כדי להחליף אותו. הם מיוצרים באופן תעשייתי בהיקפים גדולים ובעלי מאפיינים שונים. שיטות הייצור העיקריות של MEMS פולימריות הן הזרקה, הטבעה וסטריאוליטוגרפיה.

היקפי ייצור מבוססים על דוגמה של יצרן גדול

לדוגמא של הביקוש לרכיבים אלה, ניקח את ST Microelectronics. היא משקיעה השקעה גדולה בטכנולוגיית MEMS, המפעלים והמפעלים שלה מייצרים עד 3,000,000 אלמנטים ביום.

איור 2 - מתקני ייצור של חברה המפתחת רכיבי MEMS

מחזור הייצור מחולק ל-5 שלבים עיקריים:

1. ייצור שבבים.

2. בדיקה.

3. אריזה בארגזים.

4. בדיקה סופית.

5. משלוח לעוסקים.

איור 3 - מחזור ייצור

דוגמאות לחיישני MEMS מסוגים שונים

בואו נסתכל על כמה מחיישני ה-MEMS הפופולריים.

מד תאוצה זהו מכשיר שמודד תאוצה לינארית. הוא משמש לקביעת המיקום או התנועה של חפץ. הוא משמש בטכנולוגיה ניידת, מכוניות ועוד.

איור 4 - שלושה צירים מזוהים על ידי מד התאוצה

איור 5 - מבנה פנימי של מד התאוצה MEMS

איור 6 - מבנה מד תאוצה מוסבר

תכונות מד תאוצה באמצעות דוגמה של רכיב LIS3DH:

מד תאוצה בציר 1.3.

2. עובד עם ממשקי SPI ו-I2C.

3. מדידה ב-4 סולמות: ± 2, 4, 8 ו-16 גרם.

4. רזולוציה גבוהה (עד 12 סיביות).

5. צריכה נמוכה: 2 µA במצב צריכת חשמל נמוכה (1Hz), 11 µA במצב רגיל (50Hz) ו-5 µA במצב כיבוי.

6. גמישות בעבודה:

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

• רוחב פס עד 2.5 קילו-הרץ;

• FIFO של 32 רמות (16 סיביות);

• 3 כניסות ADC;

• חיישן טמפרטורה;

• ספק כוח 1.71 עד 3.6 וולט;

• פונקציית אבחון עצמי;

• מארז 3 x 3 x 1 מ"מ. 2.

ג'ִירוֹסקוֹפּ זהו מכשיר שמודד תזוזה זוויתית. ניתן להשתמש בו כדי למדוד את זווית הסיבוב סביב הציר. מכשירים כאלה יכולים לשמש כמערכת ניווט ובקרת טיסה למטוסים: מטוסים ומל"טים שונים, או לקביעת מיקום מכשירים ניידים.

איור 7 - נתונים שנמדדו עם גירוסקופ

איור 8 - מבנה פנימי

לדוגמה, שקול את המאפיינים של גירוסקופ MEMS L3G3250A:

• גירוסקופ אנלוגי בעל 3 צירים;

• חסינות לרעש ורטט אנלוגיים;

• 2 מאזני מדידה: ± 625 ° / s ו ± 2500 ° / s;

• כיבוי ושינה;

• פונקציית אבחון עצמי;

• כיול מפעל;

• רגישות גבוהה: 2 mV/°/s ב-625°/s

• מסנן נמוך מובנה

• יציבות בטמפרטורה גבוהה (0.08°/s/°C)

• מצב השפעה גבוה: 10000 גרם ב-0.1ms

• טווח טמפרטורות -40 עד 85 מעלות צלזיוס

• מתח אספקה: 2.4 - 3.6V

• צריכה: 6.3 mA במצב רגיל, 2 mA במצב שינה ו-5 μA במצבי כיבוי

• מארז 3.5 x 3 x 1 LGA

מסקנות

בשוק חיישני MEMS, בנוסף לדוגמאות הנדונות בדוח, ישנם אלמנטים נוספים, כולל:

• חיישנים מרובי צירים (למשל 9 צירים).

• מְחוּגָה;

• חיישנים למדידת הסביבה (לחץ וטמפרטורה);

• מיקרופונים דיגיטליים ועוד.

מערכות מיקרו-אלקטרו-מכניות מודרניות תעשייתיות בעלות דיוק גבוה המשמשות באופן פעיל בכלי רכב ובמחשבים לבישים ניידים.