Mikroelektromekaniska system ( MEMS ) är enheter som kombinerar sammankopplade mekaniska och elektriska komponenter i mikronstorlek. Mikroelektromekaniska system består av mekaniska element, sensorer , elektronik , ställdon och mikroelektroniska enheter placerade på ett gemensamt kiselsubstrat [1] .
Den mekaniska komponenten kan vara en miniatyrspegel - ett element i skanningssystemet (till exempel för DLP -teknik ), en tröghetssensor som kan bestämma de karakteristiska rörelserna som användaren gör med sin enhet och andra typer av enheter.
MEMS-enheter tillverkas vanligtvis på ett kiselsubstrat med hjälp av mikrobearbetningsteknik , liknande den teknik som används för att tillverka integrerade kretsar med ett chip . Typiska dimensioner för mikromekaniska element sträcker sig från 1 mikrometer till 100 mikrometer, medan MEMS-chipstorlekar varierar från 20 mikrometer till en millimeter.
För närvarande används MEMS-tekniker redan för tillverkning av olika mikrokretsar. Så MEMS-oscillatorer i vissa applikationer ersätter [2] kvartsoscillatorer . MEMS-tekniker används för att skapa en mängd olika miniatyrställdon och sensorer , såsom accelerometrar , vinkelhastighetssensorer , gyroskop [3] , magnetometriska sensorer, barometriska sensorer, miljöanalysatorer (till exempel för operationell blodanalys), radiomottagande givare [ 4] .
MEMS-tekniken kan implementeras med en mängd olika material och tillverkningstekniker, vars val kommer att bero på enheten som skapas och den marknadssektor där den ska verka.
Kisel är det material som används för att skapa de flesta integrerade kretsar som används i hemelektronik i dagens värld. Prevalensen, tillgängligheten av billiga högkvalitativa material och möjligheten att användas i elektroniska kretsar gör kisel attraktivt för användning vid tillverkning av MEMS.
Kisel har också betydande fördelar jämfört med andra material på grund av dess fysikaliska egenskaper. Enkristallen av kisel följer Hookes lag nästan perfekt . Detta betyder att den under deformation inte är föremål för hysteres och följaktligen försvinner deformationsenergin praktiskt taget inte.
Kisel är också mycket pålitligt i ultrafrekventa rörelser, eftersom det är väldigt lite trött och kan arbeta i intervallet från miljarder till biljoner cykler utan att gå sönder.
De huvudsakliga metoderna för att erhålla alla kiselbaserade MEMS-enheter är deponering av lager av material, strukturering av dessa lager med fotolitografi och etsning för att skapa den önskade formen.
En egenskap hos MEMS-enheter gjorda av kisel är bräcklighet, och som tillverkarna varnar bör enheterna inte tvättas i ett ultraljudsbad. Detta leder till extrema deformationer och förstörelse av element vid resonans.
Även om elektronikindustrin ger en storskalig efterfrågan på produkter från kiselindustrin, är kristallint kisel fortfarande ett svårt och relativt dyrt material att tillverka. Polymerer, å andra sidan, kan produceras i stora volymer, med en mängd olika materialegenskaper. MEMS-enheter kan tillverkas av polymerer med hjälp av processer såsom formsprutning, stämpling eller stereolitografi; de är särskilt väl lämpade för användning vid tillverkning av mikrofluidiska anordningar såsom engångsblodtestpatroner.
Ett gyroskop är en anordning som kan reagera på förändringar i orienteringsvinklarna för ett föremål i förhållande till ett tröghetsreferenssystem och bestämma dess position i rymden. Det känsliga elementet i det integrerade gyroskopet är två rörliga massor (vikter) som är i kontinuerlig rörelse på en elastisk upphängning i motsatta riktningar. Källan till oscillationerna av den rörliga massan är elektrostatiska kammotorer. Den rörliga massan, tillsammans med elektroderna, placerade på substratet, bildar kondensatorer , som är en del av differentialkretsen som genererar en signal som är proportionell mot skillnaden i kondensatorns kapacitanser.
Linjär acceleration påverkar lika mycket både rörliga massor och substratet, så signalen vid utgången av differentialkretsen visas inte. Så snart det sker en förändring i vinkelhastigheten i förhållande till rotationsaxeln, börjar Corioliskraften att verka på de rörliga massorna och avleda de rörliga massorna i motsatta riktningar. Följaktligen ökar kapacitansen för en kondensator, medan den andra minskar, vilket genererar en skillnadssignal som är proportionell mot storleken på vinkelaccelerationen. Således utförs omvandlingen av gyroskopets vinkelhastighet till en elektrisk parameter, vars värde detekteras av en speciell sensor [5] .
Kapacitiva ytaccelerationssensorer (accelerometrar) - detekterar acceleration i ett plan parallellt med ytan på chipchipsen på vilka de är installerade. Funktionsprincipen för kapacitiva accelerationssensorer är baserad på en förändring av kapacitansen hos en mikrokondensator, vars ena plattor är rörlig. De rörliga plattorna i kondensatorsystemet är elastiskt upphängda på klämmor, och i närvaro av acceleration längs känslighetsaxeln (visas med pilar) ändras kapacitanserna hos elementära celler. Storleken och tecknet på förändringarna registreras av en elektronisk krets integrerad på samma chip som sensorn. Utspänningen från mikrokretsen är proportionell mot accelerationen, och dess tecken beror på accelerationsriktningen. I ett stationärt horisontellt tillstånd eller rörelse med konstant hastighet är utspänningen 1,8 V, med full acceleration på ±50 g når utspänningen 1,8 ± 0,95 V [6] .
Det finns två former av MEMS-växlingsteknik: ohmsk och kapacitiv.
1. Ohmiska MEMS-omkopplare är designade med elektrostatiska konsoler. Eftersom konsoler deformeras med tiden, kan dessa brytare misslyckas på grund av slitage i kontakt eller metallutmattning .
2. Kapacitiva omkopplare styrs av en rörlig platta eller avkänningselement som ändrar kapacitansen . Med hjälp av deras resonansegenskaper kan de ställas in för att överträffa ohmska enheter i vissa frekvensområden [7] .