Преглед различитих мем мем уређаја и њихових примена

МЕМС означава микроелектромеханичке системе и односи се на уређаје величине микрометара који имају и електронске компоненте и механичке покретне делове. МЕМС уређаји се могу дефинисати као уређаји који имају:

Величина у микрометрима (1 микрометар до 100 микрометара)
Проток струје у систему (електрични)
И има покретне делове у себи (механички)

Испод је слика механичког дела МЕМС уређаја под микроскопом. Ово можда не изгледа невероватно, али да ли знате да је величина зупчаника 10 микометара, што је упола мање од људске косе. Дакле, ово је прилично занимљиво знати како су тако сложене структуре уграђене у чип величине само неколико милиметара.

МЕМС уређаји и апликације

Ова технологија је први пут представљена 1965. године, али масовна производња је започела тек 1980. Тренутно постоји више од 100 милијарди МЕМС уређаја који су тренутно активни у различитим апликацијама и могу се видети у мобилним телефонима, преносним рачунарима, ГПС системима, аутомобилима итд.

МЕМС технологија уграђена је у многе електронске компоненте и њихов број расте из дана у дан. Са напретком у развоју јефтинијих МЕМС уређаја, можемо видети да у будућности преузимају много више апликација.

Како МЕМС уређаји раде боље од уобичајених уређаја, осим ако се не појаве боље технологије, МЕМС ће остати на трону. У МЕМС технологији најзначајнији елементи су микро сензори и микро актуатори који су на одговарајући начин категоризовани као претварачи. Ови претварачи претварају енергију из једног облика у други. У случају микросензора, уређај обично претвара измерени механички сигнал у електрични сигнал, а микроактуатор електрични сигнал у механички излаз.

У наставку је објашњено неколико типичних сензора заснованих на МЕМС технологији.

Акцелерометри
Сензори притиска
Микрофон
Магнетометар
Жироскоп

Акцелерометри МЕМС

Пре него што кренемо у дизајн, разговарајмо о принципу рада који се користи при дизајнирању МЕМС акцелерометра и за то размотримо масовну опругу постављену доле.

Овде се маса ослања са две опруге у затвореном простору и сматра се да уређај мирује. Сада, ако тело изненада почне да се креће напред, тада маса окачена у телу искуси уназадну силу која узрокује померање у његовом положају. И због овог померања опруге се деформишу као што је приказано доле.

Овај феномен такође морамо искусити када седимо у било ком возилу у покрету, попут аутомобила, аутобуса, воза итд., Па се исти феномен користи при дизајнирању акцелерометара.

али уместо масе користићемо проводне плоче као покретни део причвршћен за опруге. Цјелокупно подешавање ће бити приказано доље.

На дијаграму ћемо размотрити капацитет између горње покретне плоче и фиксне плоче:

Ц1 = е ₀ А / д1

где је д ₁ растојање између њих.

Овде можемо видети да је вредност капацитета Ц1 обрнуто пропорционална растојању између горњег дела плоче која се помера и фиксне плоче.

Капацитет између доње покретне плоче и фиксне плоче

Ц2 = е ₀ А / д2

где је д ₂ растојање између њих

Овде можемо видети да је вредност капацитивности Ц2 обрнуто пропорционална растојању између доње покретне плоче и фиксне плоче.

Када тело мирује, горња и доња плоча биће на једнакој удаљености од фиксне плоче, тако да ће капацитет Ц1 бити једнак капацитету Ц2. Али ако се тело изненада помери напред, плоче се померају, као што је приказано доле.

У овом тренутку се капацитет Ц1 повећава како се смањује растојање између горње плоче и фиксне плоче. С друге стране, капацитивност, Ц2 се смањује како се повећава растојање између доње плоче и фиксне плоче. Ово повећање и смањење капацитивности је линеарно пропорционално убрзању на главном телу, па је веће убрзање веће промене, а ниже убрзање мање промене.

Ова променљива капацитивност се може повезати са РЦ осцилатором или другим кругом да би се добило одговарајуће очитавање струје или напона. Након добијања жељене вредности напона или струје те податке можемо лако користити за даљу анализу.

Иако се ова поставка може користити за успешно мерење убрзања , гломазна је и није практична. Али ако користимо МЕМС технологију, можемо смањити целокупну поставку на величину од неколико микрометара што чини уређај применљивијим.

На горњој слици можете видети стварну поставку која се користи у акцелерометру МЕМС. Овде су вишеструке кондензаторске плоче организоване у хоризонталном и вертикалном смеру да би се мерило убрзање у оба смера. Кондензаторска плоча је величине до неколико микрометара, а целокупна поставка ће износити до неколико милиметара, тако да овај МЕМС акцелерометар можемо лако користити у преносним уређајима који раде на батерије, попут паметних телефона.

МЕМС Сензори притиска

Сви знамо да ће се притиском на предмет напрезати док не достигне тачку лома. Ово напрезање је директно пропорционално примењеном притиску до одређене границе и ово својство се користи за пројектовање МЕМС сензора притиска. На доњој слици можете видети структурни дизајн МЕМС сензора притиска.

Овде су две проводничке плоче постављене на стаклено тело и између њих ће бити вакуум. Једна плоча проводника је фиксна, а друга плоча је флексибилна за кретање под притиском. Сада, ако узмете мерач капацитивности и направите очитање између два излазна терминала, тада можете уочити вредност капацитивности између две паралелне плоче, то је зато што цела поставка делује као кондензатор паралелне плоче. Пошто делује као паралелни плочасти кондензатор, тада се, као и обично, на њега сада односе сва својства типичног кондензатора. Под условом остатка назовимо капацитет између две плоче да буде Ц1.

деформисаће се и приближити доњем слоју као што је приказано на слици. Будући да се слојеви приближавају, капацитет између два слоја се повећава. Дакле, већа растојања смањују капацитет и смањују растојања већа капацитивност. Ако овај капацитет повежемо са РЦ резонатором, тада можемо добити фреквенцијске сигнале који представљају притисак. Овај сигнал се може дати микроконтролеру за даљу обраду и обраду података.

МЕМС микрофон

Дизајн МЕМС микрофона сличан је сензору притиска и доња слика приказује унутрашњу структуру микрофона.

Узмимо у обзир да поставка мирује и да је у тим условима капацитет између фиксне плоче и дијафрагме Ц1.

Ако у околини постоји бука, звук у уређај улази кроз улаз. Овај звук доводи до вибрације дијафрагме, чинећи да се растојање између дијафрагме и фиксне плоче непрекидно мења. То заузврат доводи до тога да се капацитивност Ц1 непрекидно мења. Ако повежемо ову променљиву капацитивност са одговарајућим процесорским чипом, можемо добити електрични излаз за променљиву капацитивност. Будући да се променљиви капацитет пре свега директно односи на буку, овај електрични сигнал се може користити као претворени облик улазног звука.

МЕМС Магнетометар

МЕМС магнетометар се користи за мерење земаљског магнетног поља. Уређај је направљен на основу Халловог ефекта или Магнето отпорног ефекта. Већина МЕМС магнетометара користи Халл Еффецт, па ћемо размотрити како се ова метода користи за мерење јачине магнетног поља. Зато размотримо проводну плочу и крајеве једне стране спојимо на батерију као што је приказано на слици.

Овде можете видети смер протока електрона, који је од негативног до позитивног терминала. Ако се магнет приближи врху проводника, електрони и протони у проводнику се дистрибуирају како је приказано на доњој слици.

Овде се протони који носе позитиван набој окупљају на једној страни равни, док се електрони који носе негативни набој окупљају на тачно супротној страни. У овом тренутку, ако узмемо волтметар и повежемо се на оба краја, добићемо очитавање. Ово очитавање напона В1 сразмерно је јачини поља коју проводи проводник на врху. Комплетни феномен стварања напона применом струје и магнетног поља назива се Халлов ефекат.

Ако се помоћу МЕМС-а дизајнира једноставан систем, заснован на горенаведеном моделу, добићемо претварач који осећа јачину поља и даје линеарно пропорционални електрични излаз.

МЕМС Жироскоп

МЕМС жироскоп је веома популаран и користи се у многим применама. На пример, МЕМС жироскоп можемо пронаћи у авионима, ГПС системима, паметним телефонима итд. МЕМС жироскоп је дизајниран на основу Цориолисовог ефекта. Да бисмо разумели принцип и рад МЕМС жироскопа, погледајмо његову унутрашњу структуру.

Овде су С1, С2, С3 и С4 опруге које се користе за повезивање спољне петље и друге петље. Док су С5, С6, С7 и С8 опруге које се користе за повезивање друге петље и масе „М“. Ова маса ће резонирати дуж и оси како је приказано упутствима на слици. Такође, овај резонантни ефекат се обично постиже коришћењем електростатичке силе привлачења у МЕМС уређајима.

У условима одмора, капацитет између било које две плоче на горњем слоју или дну биће једнак и остаће исти док не дође до промене у растојању између ових плоча.

Претпоставимо да ако овај сет поставимо на ротирајући диск, тада ће доћи до одређене промене у положају плоча као што је приказано доле.

Када је инсталација инсталирана на ротирајућем диску, као што је приказано, тада ће резонирање масе унутар инсталације искусити силу која узрокује померање у унутрашњој инсталацији. Можете видети да су све четири опруге од С1 до С4 деформисане због овог померања. Ова сила која резултира резонантном масом када се изненада стави на ротирајући диск може се објаснити Цориолисовим ефектом.

Ако прескочимо сложене детаље, онда се може закључити да због нагле промене правца долази до померања у унутрашњем слоју. Ово померање такође доводи до промене растојања између плоча кондензатора на доњем и горњем слоју. Као што је објашњено у претходним примерима, промена даљине доводи до промене капацитивности.

А помоћу овог параметра можемо мерити брзину ротације диска на који је уређај постављен.

Многи други МЕМС уређаји дизајнирани су помоћу МЕМС технологије и њихов број се такође повећава сваког дана. Али сви ови уређаји имају одређену сличност у раду и дизајну, па разумевањем неколико горе поменутих примера лако можемо разумети рад других сличних МЕМС уређаја.