Una panoramica dei vari dispositivi mems e delle loro applicazioni

MEMS sta per Micro-Electro-Mechanical Systems e si riferisce a dispositivi di dimensioni micrometriche che hanno sia componenti elettronici che parti meccaniche in movimento. I dispositivi MEMS possono essere definiti come i dispositivi che hanno:

• Dimensioni in micrometro (da 1 micrometro a 100 micrometro)
• Il flusso di corrente nel sistema (elettrico)
• E ha parti in movimento al suo interno (Meccaniche)

Di seguito l'immagine della parte meccanica di un dispositivo MEMS al microscopio. Potrebbe non sembrare sorprendente, ma sai che la dimensione dell'attrezzatura è un 10 micometro, che è la metà delle dimensioni di un capello umano. Quindi è abbastanza interessante sapere come strutture così complesse siano incorporate in un chip di soli pochi millimetri.

Dispositivi e applicazioni MEMS

Questa tecnologia è stata introdotta per la prima volta negli anni '65, ma la produzione di massa non è iniziata fino al 1980. Attualmente, ci sono più di 100 miliardi di dispositivi MEMS attualmente attivi in ​​varie applicazioni e possono essere visti in telefoni cellulari, laptop, sistemi GPS, automobili, ecc.

La tecnologia MEMS è incorporata in molti componenti elettronici e il loro numero cresce di giorno in giorno. Con il progresso nello sviluppo di dispositivi MEMS più economici, possiamo vederli assumere molte più applicazioni in futuro.

Poiché i dispositivi MEMS funzionano meglio dei dispositivi normali a meno che non entri in gioco una tecnologia più performante, MEMS rimarrà sul trono. Nella tecnologia MEMS gli elementi più notevoli sono i micro sensori e i micro attuatori che sono opportunamente classificati come trasduttori. Questi trasduttori convertono l'energia da una forma all'altra. Nel caso dei microsensori, il dispositivo converte tipicamente un segnale meccanico misurato in un segnale elettrico e un microattuatore converte un segnale elettrico in uscita meccanica.

Di seguito vengono illustrati alcuni tipici sensori basati sulla tecnologia MEMS.

• Accelerometri
• Sensori di pressione
• Microfono
• Magnetometro
• Giroscopio

Accelerometri MEMS

Prima di entrare nel design, discutiamo il principio di funzionamento utilizzato nella progettazione dell'accelerometro MEMS e per questo si consideri un set-up massa-molla mostrato di seguito.

Qui una massa è sospesa con due molle in uno spazio chiuso e la configurazione è considerata a riposo. Ora, se il corpo inizia improvvisamente a muoversi in avanti, la massa sospesa nel corpo subisce una forza all'indietro che provoca uno spostamento nella sua posizione. E a causa di questo spostamento le molle si deformano come mostrato di seguito.

Questo fenomeno deve essere sperimentato anche da noi quando siamo seduti in qualsiasi veicolo in movimento come auto, autobus e treno, ecc., Quindi lo stesso fenomeno viene utilizzato nella progettazione degli accelerometri.

ma invece della massa, useremo piastre conduttive come parte mobile attaccata alle molle. L'intera configurazione sarà come mostrato di seguito.

Nel diagramma, considereremo la capacità tra la piastra mobile superiore e una piastra fissa:

C1 = e ₀ A / d1

dove d ₁ è la distanza tra loro.

Qui possiamo vedere che il valore della capacità C1 è inversamente proporzionale alla distanza tra il movimento superiore della piastra e la piastra fissa.

La capacità tra la piastra mobile inferiore e la piastra fissa

C2 = e ₀ A / d2

dove d ₂ è la distanza tra loro

Qui possiamo vedere che il valore della capacità C2 è inversamente proporzionale alla distanza tra la piastra mobile inferiore e la piastra fissa.

Quando il corpo è a riposo, entrambe le piastre superiore e inferiore saranno alla stessa distanza dalla piastra fissa, quindi la capacità C1 sarà uguale alla capacità C2. Ma se il corpo si sposta improvvisamente in avanti, le placche vengono spostate come mostrato di seguito.

A questo punto la capacità C1 aumenta al diminuire della distanza tra la piastra superiore e la piastra fissa. D'altra parte la capacità, C2 diminuisce all'aumentare della distanza tra la piastra inferiore e la piastra fissa. Questo aumento e diminuzione della capacità è linearmente proporzionale all'accelerazione sul corpo principale, quindi maggiore è l'accelerazione maggiore è la variazione e minore è l'accelerazione minore è la variazione.

Questa capacità variabile può essere collegata a un oscillatore RC o a un altro circuito per ottenere la lettura di corrente o tensione appropriata. Dopo aver ottenuto la tensione o il valore di corrente desiderati, possiamo utilizzare facilmente quei dati per ulteriori analisi.

Sebbene questa configurazione possa essere utilizzata per misurare con successo l'accelerazione, è ingombrante e poco pratica. Ma se utilizziamo la tecnologia MEMS possiamo ridurre l'intera configurazione a una dimensione di pochi micrometri, rendendo il dispositivo più applicabile.

Nella figura sopra, è possibile vedere la configurazione effettiva utilizzata in un accelerometro MEMS. Qui le piastre del condensatore multiple sono organizzate sia in direzione orizzontale che verticale per misurare l'accelerazione in entrambe le direzioni. La piastra del condensatore ha una dimensione di pochi micrometri e l'intera configurazione avrà dimensioni fino a pochi millimetri, quindi possiamo usare facilmente questo accelerometro MEMS in dispositivi portatili a batteria come gli smartphone.

Sensori di pressione MEMS

Sappiamo tutti che quando la pressione viene applicata su un oggetto, si deformerà fino a raggiungere un punto di rottura. Questa deformazione è direttamente proporzionale alla pressione applicata fino a un certo limite e questa proprietà viene utilizzata per progettare un sensore di pressione MEMS. Nella figura sottostante è possibile vedere il progetto strutturale di un sensore di pressione MEMS.

Qui due piastre conduttrici sono montate su un corpo di vetro e ci sarà un vuoto tra di loro. Una piastra conduttrice è fissa e l'altra piastra è flessibile per muoversi sotto pressione. Ora, se prendi un misuratore di capacità e prendi una lettura tra due terminali di uscita, puoi osservare un valore di capacità tra due piastre parallele, questo perché l'intera configurazione funge da condensatore a piastre parallele. Poiché funge da condensatore a piastre parallele, come al solito, ora si applicano tutte le proprietà di un condensatore tipico. Nella condizione di riposo chiamiamo C1 la capacità tra due piastre.

si deformerà e si avvicinerà allo strato inferiore come mostrato nella figura. Poiché gli strati si avvicinano, la capacità tra due strati aumenta. Pertanto, maggiori sono le distanze, minore è la capacità e minore è la distanza, maggiore è la capacità. Se colleghiamo questa capacità a un risonatore RC, possiamo ottenere segnali di frequenza che rappresentano la pressione. Questo segnale può essere inviato a un microcontrollore per un'ulteriore elaborazione e elaborazione dei dati.

Microfono MEMS

Il design del microfono MEMS è simile al sensore di pressione e la figura seguente mostra la struttura interna del microfono.

Consideriamo il setup a riposo e in quelle condizioni la capacità tra piastra fissa e diaframma è C1.

Se c'è rumore nell'ambiente, il suono entra nel dispositivo attraverso un'entrata. Questo suono fa vibrare il diaframma facendo cambiare continuamente la distanza tra il diaframma e la piastra fissa. Questo, a sua volta, fa cambiare continuamente la capacità C1. Se colleghiamo questa capacità variabile al chip di elaborazione corrispondente, possiamo ottenere l'uscita elettrica per la capacità variabile. Poiché la capacità variabile si riferisce in primo luogo direttamente al rumore, questo segnale elettrico può essere utilizzato come forma convertita del suono in ingresso.

Magnetometro MEMS

Il magnetometro MEMS viene utilizzato per misurare il campo magnetico terrestre. Il dispositivo è costruito sulla base di Hall Effect o Magneto Resistive Effect. La maggior parte dei magnetometri MEMS utilizza l'effetto Hall, quindi discuteremo di come questo metodo viene utilizzato per misurare la forza del campo magnetico. Per questo consideriamo una piastra conduttiva e abbiamo le estremità di un lato collegate a una batteria come mostrato in figura.

Qui puoi vedere la direzione del flusso degli elettroni, che va dal terminale negativo al terminale positivo. Ora se un magnete viene portato vicino alla parte superiore del conduttore, gli elettroni e i protoni nel conduttore vengono distribuiti come mostrato nella figura sotto.

Qui i protoni che trasportano carica positiva vengono raccolti su un lato dell'aereo mentre gli elettroni che trasportano carica negativa vengono raccolti esattamente sul lato opposto. A questo punto, se prendiamo un voltmetro e ci colleghiamo ad entrambe le estremità, otterremo una lettura. Questa lettura di tensione V1 è proporzionale all'intensità di campo sperimentata dal conduttore in alto. Il fenomeno completo della generazione di tensione applicando corrente e campo magnetico è chiamato effetto Hall.

Se un sistema semplice è progettato utilizzando MEMS, sulla base del modello sopra, otterremo un trasduttore che rileva la forza di campo e fornisce un'uscita elettrica linearmente proporzionale.

Giroscopio MEMS

Il giroscopio MEMS è molto popolare e viene utilizzato in molte applicazioni. Ad esempio, possiamo trovare il giroscopio MEMS in aeroplani, sistemi GPS, smartphone, ecc. Il giroscopio MEMS è progettato in base all'effetto Coriolis. Per comprendere il principio e il funzionamento del giroscopio MEMS, esaminiamo la sua struttura interna.

Qui S1, S2, S3 e S4 sono le molle utilizzate per collegare il loop esterno e il secondo loop. Mentre S5, S6, S7 e S8 sono molle utilizzate per collegare il secondo anello e la massa "M". Questa massa risuonerà lungo l'asse y come mostrato dalle direzioni nella figura. Inoltre, questo effetto di risonanza viene solitamente ottenuto utilizzando la forza di attrazione elettrostatica nei dispositivi MEMS.

In condizioni di riposo, la capacità tra due piastre qualsiasi sullo strato superiore o inferiore sarà la stessa e rimarrà la stessa fino a quando non ci sarà un cambiamento di distanza tra queste piastre.

Supponiamo che se montiamo questa configurazione su un disco rotante, ci sarà un certo cambiamento nella posizione delle piastre come mostrato di seguito.

Quando la configurazione è installata su un disco rotante come mostrato, la risonanza di massa all'interno della configurazione subirà una forza che causa lo spostamento nella configurazione interna. È possibile vedere che tutte e quattro le molle da S1 a S4 si deformano a causa di questo spostamento. Questa forza sperimentata dalla massa risonante quando viene improvvisamente posizionata su un disco rotante può essere spiegata dall'effetto Coriolis.

Se tralasciamo i dettagli complessi, si può concludere che a causa dell'improvviso cambio di direzione è presente uno spostamento nello strato interno. Questo spostamento fa anche cambiare la distanza tra le piastre del condensatore sia sullo strato inferiore che su quello superiore. Come spiegato negli esempi precedenti, il cambiamento di distanza fa cambiare la capacità.

E possiamo usare questo parametro per misurare la velocità di rotazione del disco su cui è posizionato il dispositivo.

Molti altri dispositivi MEMS sono progettati utilizzando la tecnologia MEMS e anche il loro numero aumenta ogni giorno. Ma tutti questi dispositivi hanno una certa somiglianza nel funzionamento e nel design, quindi comprendendo i pochi esempi sopra menzionati possiamo facilmente comprendere il funzionamento di altri dispositivi MEMS simili.