الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة (مكونات MEMS) وأجهزة الاستشعار القائمة عليها

مكونات MEMS (الروسية MEMS) - تعني الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة. السمة المميزة الرئيسية فيها هي أنها تحتوي على هيكل ثلاثي الأبعاد متحرك. يتحرك بسبب التأثيرات الخارجية. لذلك ، لا تتحرك الإلكترونات فقط في مكونات النظام الكهروميكانيكي ، ولكن أيضًا في الأجزاء المكونة.

مكونات MEMS هي أحد عناصر الإلكترونيات الدقيقة والميكانيكا الدقيقة ، وغالبًا ما يتم تصنيعها على ركيزة من السيليكون. في الهيكل ، تشبه الدوائر المتكاملة أحادية الشريحة. عادةً ما يتراوح حجم أجزاء MEMS الميكانيكية من وحدات إلى مئات الميكرومترات ، ويتراوح حجم البلورة نفسها من 20 ميكرومتر إلى 1 مم.

الشكل 1 مثال على هيكل MEMS

أمثلة الاستخدام:

1. إنتاج الدوائر الدقيقة المختلفة.

2. يتم استبدال مذبذبات MEMS في بعض الأحيان رنانات الكوارتز.

3 - إنتاج أجهزة الاستشعار ومنها:

• مقياس التسارع

• جيروسكوب

• مستشعر السرعة الزاوية

• مستشعر مغناطيسي

• بارومترات.

• محللون بيئيون

• محولات قياس إشارة الراديو.

المواد المستخدمة في هياكل النظم الكهروميكانيكية الصغرى

تشمل المواد الرئيسية التي تصنع منها مكونات النظم الكهروميكانيكية الصغرى:

1. السيليكون. حاليًا ، غالبية المكونات الإلكترونية مصنوعة من هذه المواد. لديها عدد من المزايا ، بما في ذلك: الانتشار ، والقوة ، عمليا لا يغير خصائصه أثناء التشوه. الليثوغرافيا الضوئية متبوعة بالحفر هي طريقة التصنيع الأساسية لنظم الكهروميكانيكية الصغرى السيليكونية.

2. البوليمرات. نظرًا لأن السيليكون ، على الرغم من كونه مادة شائعة ، إلا أنه مكلف نسبيًا ، في بعض الحالات يمكن استخدام البوليمرات لاستبداله. يتم إنتاجها صناعيًا بكميات كبيرة وبخصائص مختلفة. طرق التصنيع الرئيسية للنظم الكهروميكانيكية الصغرى للبوليمر هي القولبة بالحقن والختم والطباعة الحجرية الحجرية.

تعتمد أحجام الإنتاج على مثال شركة تصنيع كبيرة

للحصول على مثال للطلب على هذه المكونات ، دعنا نأخذ ST Microelectronics. تقوم باستثمار كبير في تقنية النظم الكهروميكانيكية الصغرى (MEMS) ، حيث تنتج مصانعها ومصانعها ما يصل إلى 3،000،000 عنصر يوميًا.

الشكل 2 - مرافق الإنتاج لشركة تقوم بتطوير مكونات أنظمة كهروميكانيكية صغرى

تنقسم دورة الإنتاج إلى 5 مراحل رئيسية:

1. إنتاج الرقائق.

2. الاختبار.

3. التعبئة في الحالات.

4. الاختبار النهائي.

5. التسليم للتجار.

الشكل 3 - دورة الإنتاج

أمثلة لأنواع مختلفة من مجسات MEMS

دعنا نلقي نظرة على بعض مستشعرات MEMS الشهيرة.

مقياس التسارع هذا جهاز يقيس التسارع الخطي. يتم استخدامه لتحديد موقع أو حركة كائن. يتم استخدامه في تكنولوجيا الهاتف المحمول والسيارات والمزيد.

الشكل 4 - ثلاثة محاور يتعرف عليها مقياس التسارع

الشكل 5 - الهيكل الداخلي لمقياس التسارع MEMS

الشكل 6 - شرح هيكل مقياس التسارع

ميزات مقياس التسارع باستخدام مثال مكون LIS3DH:

1.3-محور التسارع.

2. يعمل مع واجهات SPI و I2C.

3. القياس على 4 مقاييس: ± 2 ، 4 ، 8 و 16 جرام.

4. دقة عالية (حتى 12 بت).

5. استهلاك منخفض: 2 أوم في وضع الطاقة المنخفضة (1 هرتز) ، 11 أوم في الوضع العادي (50 هرتز) و 5 أوم في وضع الإغلاق.

6. مرونة العمل:

• 8 ODR: 1/10/25/50/100/400/1600/5000 هرتز ؛

• عرض النطاق الترددي يصل إلى 2.5 كيلو هرتز ؛

• 32-مستوى FIFO (16 بت) ؛

• 3 مدخلات ADC ؛

• جهاز استشعار درجة الحرارة؛

• 1.71 إلى 3.6 فولت مصدر الطاقة ؛

• وظيفة التشخيص الذاتي

• الهيكل ٣ × ٣ × ١ ملم. 2.

جيروسكوب إنه جهاز يقيس الإزاحة الزاوية. يمكن استخدامه لقياس زاوية الدوران حول المحور. يمكن استخدام هذه الأجهزة كنظام للملاحة والتحكم في الطيران للطائرات: الطائرات والطائرات بدون طيار المختلفة ، أو لتحديد موقع الأجهزة المحمولة.

الشكل 7 - البيانات المقاسة بجيروسكوب

الشكل 8 - الهيكل الداخلي

على سبيل المثال ، ضع في اعتبارك خصائص جيروسكوب L3G3250A MEMS:

• جيروسكوب تناظري ثلاثي المحاور ؛

• مناعة ضد الضوضاء والاهتزازات التناظرية ؛

• 2 مقياس قياس: ± 625 درجة / ثانية و ± 2500 درجة / ثانية ؛

• أوضاع الإغلاق والنوم ؛

• وظيفة التشخيص الذاتي

• معايرة المصنع

• حساسية عالية: 2 مللي فولت / درجة / ثانية عند 625 درجة / ثانية

• مرشح الترددات المنخفضة المدمج

• الاستقرار عند درجة حرارة عالية (0.08 درجة / ثانية / درجة مئوية)

• حالة عالية التأثير: 10000 جرام في 0.1 مللي ثانية

• نطاق درجة الحرارة -40 إلى 85 درجة مئوية

• جهد الإمداد: 2.4 - 3.6 فولت

• الاستهلاك: 6.3 مللي أمبير في الوضع العادي ، 2 مللي أمبير في وضع السكون و 5 ميكرو أمبير في أوضاع الإغلاق

• العلبة 3.5 × 3 × 1 LGA

الاستنتاجات

في سوق مجسات MEMS ، بالإضافة إلى الأمثلة التي تمت مناقشتها في التقرير ، هناك عناصر أخرى تشمل:

• مستشعرات متعددة المحاور (مثل 9 محاور)

• البوصلات.

• مجسات لقياس البيئة (الضغط ودرجة الحرارة) ؛

• الميكروفونات الرقمية والمزيد.

الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة الصناعية الحديثة عالية الدقة التي تُستخدم بنشاط في المركبات وأجهزة الكمبيوتر المحمولة القابلة للارتداء.