- MEMS-enheter och applikationer
- MEMS-accelerometrar
- MEMS Trycksensorer
- MEMS-mikrofon
- MEMS Magnetometer
- MEMS Gyroskop
MEMS står för mikroelektromekaniska system och det hänvisar till mikrometerstora enheter som har både elektroniska komponenter och mekaniska rörliga delar. MEMS-enheter kan definieras som enheter som har:
- Storlek i mikrometer (1mikrometer till 100mikrometer)
- Strömmen i systemet (elektrisk)
- Och har rörliga delar inuti (mekanisk)
Nedan är bilden av den mekaniska delen av en MEMS-enhet under ett mikroskop. Det här kanske inte ser fantastiskt ut, men vet du att redskapets storlek är en 10mikometer, som är hälften så stor som människohår. Så det här är ganska intressant att veta hur sådana komplexa strukturer är inbäddade i en chipstorlek bara några millimeter.
MEMS-enheter och applikationer
Denna teknik introducerades först på 1965-talet men massproduktion har inte börjat förrän 1980. För närvarande finns det mer än 100 miljarder MEMS-enheter för närvarande aktiva i olika applikationer och de kan ses i mobiltelefoner, bärbara datorer, GPS-system, bilar etc.
MEMS-tekniken ingår i många elektroniska komponenter och deras antal växer dag för dag. Med framstegen när det gäller att utveckla billigare MEMS-enheter kan vi se dem ta över många fler applikationer i framtiden.
Eftersom MEMS-enheter fungerar bättre än vanliga enheter, såvida inte en bättre teknik som spelar in spelar MEMS kvar på tronen. I MEMS-teknik är de mest anmärkningsvärda elementen mikrosensorer och mikroaktuatorer som är lämpligt kategoriserade som givare. Dessa omvandlare omvandlar energi från en form till en annan. När det gäller mikrosensorer omvandlar anordningen typiskt en uppmätt mekanisk signal till en elektrisk signal och en mikroaktivator omvandlar en elektrisk signal till mekanisk utgång.
Några typiska sensorer baserade på MEMS-teknik förklaras nedan.
- Accelerometrar
- Trycksensorer
- Mikrofon
- Magnetometer
- Gyroskop
MEMS-accelerometrar
Innan vi går in i design, låt oss diskutera arbetsprincipen som används vid utformningen av MEMS-accelerometern och överväga en massfjäderuppställning nedan.
Här hängs en massa upp med två fjädrar i ett slutet rum och installationen anses vara i vila. Om kroppen plötsligt börjar röra sig framåt upplever massan i kroppen en bakåtkraft som orsakar en förskjutning i sin position. Och på grund av denna förskjutning deformeras fjädrar som visas nedan.
Detta fenomen måste också upplevas av oss när vi sitter i ett rörligt fordon som bil, buss och tåg, etc. så samma fenomen används vid utformningen av accelerometrarna.
men istället för massa kommer vi att använda ledande plattor som en rörlig del fäst vid fjädrarna. Hela installationen kommer att visas som visas nedan.
I diagrammet kommer vi att överväga kapacitansen mellan den övre rörliga plattan och en fast platta:
C1 = e 0 A / d1
där d 1 är avståndet mellan dem.
Här kan vi se att kapacitans C1-värdet är omvänt proportionellt mot avståndet mellan plattans övre rörelse och den fasta plattan.
Kapacitansen mellan den nedre rörliga plattan och den fasta plattan
C2 = e 0 A / d2
där d 2 är avståndet mellan dem
Här kan vi se att C2-värdet är omvänt proportionellt mot avståndet mellan den nedre rörliga plattan och den fasta plattan.
När kroppen är i vila kommer både topp- och bottenplattorna att vara på lika avstånd från den fasta plattan så att kapacitansen Cl kommer att vara lika med kapacitansen C2. Men om kroppen plötsligt rör sig framåt förskjuts plattorna enligt nedan.
Vid denna tidpunkt ökar kapacitansen Cl när avståndet mellan topplattan och den fasta plattan minskar. Å andra sidan minskar kapacitansen C2 när avståndet mellan bottenplattan och den fasta plattan ökade. Denna ökning och minskning av kapacitansen är linjärt proportionell mot accelerationen på huvudkroppen så högre acceleration högre förändring och lägre acceleration mindre förändring.
Denna varierande kapacitans kan anslutas till en RC-oscillator eller annan krets för att få lämplig ström- eller spänningsavläsning. Efter att ha fått önskad spänning eller strömvärde kan vi enkelt använda dessa data för vidare analys.
Även om denna inställning kan användas för att mäta accelerationen framgångsrikt är den skrymmande och inte praktisk. Men om vi använder MEMS-teknik kan vi krympa hela installationen till en storlek på några mikrometer vilket gör enheten mer användbar.
I figuren ovan kan du se den faktiska installationen som används i en MEMS-accelerometer. Här är de flera kondensatorplattorna organiserade både i horisontell och vertikal riktning för att mäta acceleration i båda riktningarna. Kondensatorplattan är dimensionerad till några mikrometer och hela installationen kommer att få en storlek på några millimeter, så vi kan enkelt använda denna MEMS-accelerometer i batteridrivna bärbara enheter som smartphones.
MEMS Trycksensorer
Vi vet alla att när ett tryck appliceras på ett föremål kommer det att spänna tills det når en brytpunkt. Denna töjning är direkt proportionell mot applicerat tryck tills en viss gräns och denna egenskap används för att utforma en MEMS-tryckgivare. I figuren nedan kan du se en konstruktionsdesign för en MEMS-tryckgivare.
Här är två ledarplattor monterade på en glaskropp och det kommer att finnas ett vakuum mellan dem. En ledarplatta är fixerad och den andra plattan är flexibel för att röra sig under tryck. Om du nu tar en kapacitansmätare och tar en avläsning mellan två utgångsanslutningar kan du observera ett kapacitansvärde mellan två parallella plattor, det beror på att hela installationen fungerar som en parallellplatskondensator. Eftersom den fungerar som en parallellplatskondensator gäller som vanligt alla egenskaper hos en typisk kondensator för den nu. Låt oss under vilotillståndet kalla kapacitansen mellan två plattor vara C1.
den kommer att deformeras och flyttas närmare bottenlagret som visas i figuren. Eftersom skikten närmar sig ökar kapacitansen mellan två lager. Så högre avstånd sänker kapacitansen och sänker avståndet högre kapacitans. Om vi ansluter denna kapacitans till en RC-resonator kan vi få frekvenssignaler som representerar trycket. Denna signal kan ges till en mikrokontroller för vidare bearbetning och databehandling.
MEMS-mikrofon
MEMS-mikrofonens design liknar trycksensorn och bilden nedan visar mikrofonens interna struktur.
Låt oss överväga att installationen är i vila och under dessa förhållanden är kapacitansen mellan fast platta och membran C1.
Om det finns buller i miljön kommer ljudet in i enheten via ett inlopp. Detta ljud får membranet att vibrera vilket gör att avståndet mellan membranet och den fasta plattan ändras kontinuerligt. Detta får i sin tur kapacitansen Cl att förändras kontinuerligt. Om vi ansluter denna ändrade kapacitans till motsvarande processchip kan vi få den elektriska utgången för den ändrade kapacitansen. Eftersom den ändrade kapacitansen i första hand direkt relaterar till brus, kan denna elektriska signal användas som en omvandlad form av ingångsljudet.
MEMS Magnetometer
MEMS magnetometer används för att mäta jordens magnetfält. Enheten är konstruerad på basis av Hall Effect eller Magneto Resistive Effect. De flesta MEMS-magnetometrar använder Hall Effect, så vi kommer att diskutera hur denna metod används för att mäta magnetfältets styrka. För det ska vi överväga en ledande platta och ha ändarna på ena sidan anslutna till ett batteri som visas i figuren.
Här kan du se elektronernas flödesriktning, som är från den negativa terminalen till den positiva terminalen. Om en magnet nu kommer nära toppen av ledaren fördelas elektroner och protoner i ledaren som visas i figuren nedan.
Här samlas protoner med positiv laddning på ena sidan av planet medan elektroner som bär negativ laddning samlas på exakt motsatt sida. Vid den här tiden om vi tar en voltmeter och ansluter i båda ändarna får vi en avläsning. Denna spänningsavläsning VI är proportionell mot fältstyrkan som upplevs av ledaren på toppen. Det kompletta fenomenet med spänningsgenerering genom att applicera ström och magnetfält kallas Hall-effekten.
Om ett enkelt system är designat med MEMS, baserat på ovanstående modell, får vi en givare som känner av fältstyrka och ger linjärt proportionell elektrisk uteffekt.
MEMS Gyroskop
MEMS gyroskop är mycket populärt och används i många applikationer. Vi kan till exempel hitta MEMS-gyroskop i flygplan, GPS-system, smartphones etc. MEMS-gyroskop är utformat baserat på Coriolis-effekten. För att förstå principen och arbetet med MEMS-gyroskop, låt oss titta på dess interna struktur.
Här är S1, S2, S3 & S4 fjädrarna som används för att ansluta den yttre slingan och den andra slingan. Medan S5, S6, S7 och S8 är fjädrar som används för att ansluta den andra slingan och massan 'M'. Denna massa kommer att resonera längs y-axeln som visas i riktningarna i figuren. Dessutom uppnås denna resonanseffekt vanligtvis genom att använda den elektrostatiska attraktionskraften i MEMS-enheter.
Under viloförhållanden kommer kapacitansen mellan två plattor på det övre skiktet eller botten att vara densamma, och den kommer att förbli densamma tills det kommer att ske en förändring i avståndet mellan dessa plattor.
Antag att om vi monterar den här uppsättningen på en roterande skiva kommer det att bli en viss förändring i plattornas position som visas nedan.
När installationen är installerad på en roterande skiva som visas, kommer massresonering inuti installationen att uppleva en kraft som orsakar förskjutning i den inre installationen. Du kan se alla fyra fjädrarna S1 till S4 deformeras på grund av denna förskjutning. Denna kraft som upplevs av resonans av massa när den plötsligt placeras på en roterande skiva kan förklaras med Coriolis-effekten.
Om vi hoppar över de komplexa detaljerna kan man dra slutsatsen att det på grund av den plötsliga riktningsförändringen finns förskjutning i det inre lagret. Denna förskjutning medför också att avståndet mellan kondensatorplattorna på både botten och toppskiktet förändras. Som förklarats i tidigare exempel får förändring av avstånd kapacitansen att förändras.
Och vi kan använda den här parametern för att mäta rotationshastigheten för den skiva som enheten är placerad på.
Många andra MEMS-enheter är designade med MEMS-teknik och deras antal ökar också varje dag. Men alla dessa enheter har en viss likhet i arbete och design, så genom att förstå de få exemplen som nämns ovan kan vi lätt förstå hur andra liknande MEMS-enheter fungerar.