Các hệ thống vi cơ điện tử (các thành phần MEMS) và các cảm biến dựa trên chúng

Các thành phần MEMS (MEMS tiếng Nga) — có nghĩa là các hệ thống vi cơ điện tử. Đặc điểm nổi bật chính của chúng là chúng có cấu trúc 3D có thể di chuyển được. Nó di chuyển do tác động bên ngoài. Do đó, không chỉ các điện tử di chuyển trong các thành phần MEMS, mà còn trong các bộ phận cấu thành.

Các thành phần MEMS là một trong những thành phần của vi điện tử và vi cơ, thường được sản xuất trên đế silicon. Về cấu trúc, chúng giống với các mạch tích hợp chip đơn. Thông thường, các bộ phận cơ khí MEMS này có kích thước từ đơn vị đến hàng trăm micromet và bản thân tinh thể có kích thước từ 20 μm đến 1 mm.

Hình 1 là một ví dụ về cấu trúc MEMS

Ví dụ sử dụng:

1. Sản xuất các vi mạch khác nhau.

2. Bộ tạo dao động MEMS đôi khi được thay thế bộ cộng hưởng thạch anh.

3. Sản xuất cảm biến, bao gồm:

• gia tốc kế;

• con quay hồi chuyển

• cảm biến vận tốc góc;

• cảm biến từ trường;

• phong vũ biểu;

• các nhà phân tích môi trường;

• đầu dò đo tín hiệu vô tuyến.

Vật liệu sử dụng trong cấu trúc MEMS

Các vật liệu chính mà các thành phần MEMS được tạo ra bao gồm:

1. Silicon. Hiện nay, phần lớn các linh kiện điện tử được làm bằng vật liệu này. Nó có một số ưu điểm, bao gồm: độ lan rộng, độ bền, thực tế không thay đổi tính chất của nó trong quá trình biến dạng. Quang khắc sau đó khắc là phương pháp chế tạo chính cho MEMS silicon.

2. Polyme. Vì silicon, mặc dù là một vật liệu phổ biến, nhưng tương đối đắt tiền, nên trong một số trường hợp, polyme có thể được sử dụng để thay thế nó. Chúng được sản xuất công nghiệp với khối lượng lớn và có các đặc điểm khác nhau. Các phương pháp sản xuất chính cho MEMS polymer là ép phun, dập và khắc lập thể.

Khối lượng sản xuất dựa trên ví dụ về một nhà sản xuất lớn

Ví dụ về nhu cầu đối với các thành phần này, hãy lấy ST Microelectronics. Nó đầu tư lớn vào công nghệ MEMS, các nhà máy và xí nghiệp của nó sản xuất tới 3.000.000 phần tử mỗi ngày.

Hình 2 - Cơ sở sản xuất của một công ty đang phát triển các thành phần MEMS

Chu trình sản xuất được chia thành 5 giai đoạn chính chủ yếu:

1. Sản xuất chíp.

2. Thử nghiệm.

3. Đóng thùng.

4. Kiểm tra lần cuối.

5. Giao hàng cho đại lý.

Hình 3 — chu kỳ sản xuất

Ví dụ về các loại cảm biến MEMS khác nhau

Chúng ta hãy xem xét một số cảm biến MEMS phổ biến.

gia tốc kế Đây là một thiết bị đo gia tốc tuyến tính. Nó được sử dụng để xác định vị trí hoặc chuyển động của một đối tượng. Nó được sử dụng trong công nghệ di động, ô tô và hơn thế nữa.

Hình 4 - Ba trục được gia tốc kế nhận ra

Hình 5 - Cấu trúc bên trong của cảm biến gia tốc MEMS

Hình 6 - Giải thích cấu trúc gia tốc kế

Các tính năng của máy đo gia tốc sử dụng ví dụ về thành phần LIS3DH:

Gia tốc kế 1,3 trục.

2. Hoạt động với giao diện SPI và I2C.

3. Đo trên 4 thang đo: ±2, 4, 8 và 16g.

4. Độ phân giải cao (đến 12 bit).

5. Mức tiêu thụ thấp: 2 µA ở chế độ năng lượng thấp (1Hz), 11 µA ở chế độ bình thường (50Hz) và 5 µA ở chế độ tắt máy.

6. Công việc linh hoạt:

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

• Băng thông lên tới 2,5 kHz;

• FIFO 32 cấp (16-bit);

• 3 đầu vào ADC;

• Cảm biến nhiệt độ;

• nguồn điện 1,71 đến 3,6 V;

• Chức năng tự chẩn đoán;

• Trường hợp 3 x 3 x 1 mm. 2.

con quay hồi chuyển Nó là một thiết bị đo sự dịch chuyển góc. Nó có thể được sử dụng để đo góc quay quanh trục. Các thiết bị như vậy có thể được sử dụng làm hệ thống điều hướng và điều khiển chuyến bay cho máy bay: máy bay và các UAV khác nhau hoặc để xác định vị trí của thiết bị di động.

Hình 7 - Dữ liệu được đo bằng con quay hồi chuyển

Hình 8 - Cấu trúc bên trong

Ví dụ: hãy xem xét các đặc điểm của con quay hồi chuyển MEMS L3G3250A:

• con quay hồi chuyển analog 3 trục;

• Miễn nhiễm với tiếng ồn và độ rung tương tự;

• 2 thang đo: ±625°/s và ±2500°/s;

• Chế độ tắt máy và ngủ;

• Chức năng tự chẩn đoán;

• hiệu chuẩn nhà máy;

• Độ nhạy cao: 2 mV/°/s ở 625°/s

• Tích hợp bộ lọc thông thấp

• Độ ổn định ở nhiệt độ cao (0,08°/s/°C)

• Trạng thái tác động cao: 10000g trong 0,1ms

• Phạm vi nhiệt độ -40 đến 85 °C

• Điện áp cung cấp: 2,4 — 3,6V

• Tiêu thụ: 6,3 mA ở chế độ bình thường, 2 mA ở chế độ ngủ và 5 mA ở chế độ tắt máy

• Vỏ 3.5 x 3 x 1 LGA

kết luận

Trong thị trường cảm biến MEMS, ngoài các ví dụ được thảo luận trong báo cáo, còn có các yếu tố khác bao gồm:

• Cảm biến đa trục (ví dụ: 9 trục)

• La bàn;

• Cảm biến đo môi trường (áp suất và nhiệt độ);

• Micro kỹ thuật số và hơn thế nữa.

Các hệ thống vi cơ điện tử công nghiệp hiện đại có độ chính xác cao được sử dụng tích cực trong các phương tiện và máy tính xách tay có thể đeo được.