Eine Übersicht über verschiedene Mems-Geräte und deren Anwendungen

MEMS steht für Micro-Electro-Mechanical Systems und bezieht sich auf mikrometergroße Geräte, die sowohl elektronische Komponenten als auch mechanische bewegliche Teile aufweisen. MEMS-Geräte können wie folgt definiert werden:

• Größe in Mikrometer (1 Mikrometer bis 100 Mikrometer)
• Der Stromfluss im System (Elektrik)
• Und hat bewegliche Teile (mechanisch)

Unten sehen Sie das Bild des mechanischen Teils eines MEMS-Geräts unter einem Mikroskop. Das sieht vielleicht nicht besonders gut aus, aber wissen Sie, dass die Größe des Zahnrads 10 Mikrometer beträgt, was der Hälfte der Größe von menschlichem Haar entspricht? Es ist also sehr interessant zu wissen, wie solche komplexen Strukturen in einen Chip von nur wenigen Millimetern Größe eingebettet sind.

MEMS-Geräte und -Anwendungen

Diese Technologie wurde erstmals in den 1965er Jahren eingeführt, aber die Massenproduktion hat erst 1980 begonnen. Derzeit sind mehr als 100 Milliarden MEMS-Geräte in verschiedenen Anwendungen aktiv und können in Mobiltelefonen, Laptops, GPS-Systemen, Automobilen usw. verwendet werden.

Die MEMS-Technologie ist in vielen elektronischen Bauteilen enthalten und ihre Anzahl wächst von Tag zu Tag. Mit dem Fortschritt bei der Entwicklung billigerer MEMS-Geräte können wir sehen, dass sie in Zukunft viel mehr Anwendungen übernehmen werden.

Da MEMS-Geräte eine bessere Leistung als normale Geräte erbringen, sofern keine leistungsstärkere Technologie zum Einsatz kommt, bleibt MEMS auf dem Thron. In der MEMS-Technologie sind die bemerkenswertesten Elemente Mikrosensoren und Mikroaktoren, die entsprechend als Wandler kategorisiert sind. Diese Wandler wandeln Energie von einer Form in eine andere um. Im Fall von Mikrosensoren wandelt die Vorrichtung typischerweise ein gemessenes mechanisches Signal in ein elektrisches Signal um und ein Mikroaktuator wandelt ein elektrisches Signal in eine mechanische Ausgabe um.

Einige typische Sensoren, die auf der MEMS-Technologie basieren, werden nachfolgend erläutert.

• Beschleunigungsmesser
• Drucksensor
• Mikrofon
• Magnetometer
• Gyroskop

MEMS-Beschleunigungsmesser

Bevor wir mit dem Entwurf beginnen, wollen wir das Arbeitsprinzip diskutieren, das beim Entwurf des MEMS-Beschleunigungsmessers verwendet wird, und dafür eine unten gezeigte Masse-Feder- Konfiguration betrachten.

Hier wird eine Masse mit zwei Federn in einem geschlossenen Raum aufgehängt und der Aufbau gilt als in Ruhe. Wenn sich der Körper plötzlich vorwärts bewegt, erfährt die im Körper schwebende Masse eine Rückwärtskraft, die eine Verschiebung in ihrer Position verursacht. Und aufgrund dieser Verdrängungsfedern verformen sie sich wie unten gezeigt.

Dieses Phänomen muss auch von uns erlebt werden, wenn wir in einem fahrenden Fahrzeug wie Auto, Bus, Zug usw. sitzen. Daher wird das gleiche Phänomen bei der Konstruktion der Beschleunigungsmesser verwendet.

Anstelle von Masse werden wir jedoch leitfähige Platten als bewegliches Teil verwenden, das an den Federn befestigt ist. Das gesamte Setup wird wie unten gezeigt sein.

In dem Diagramm betrachten wir die Kapazität zwischen der oberen beweglichen Platte und einer festen Platte:

C1 = e ₀ A / d1

wobei d ₁ der Abstand zwischen ihnen ist.

Hier können wir sehen, dass der Kapazitätswert C1 umgekehrt proportional zum Abstand zwischen der oberen Bewegung der Platte und der festen Platte ist.

Die Kapazität zwischen der unteren beweglichen Platte und der festen Platte

C2 = e ₀ A / d2

wobei d ₂ der Abstand zwischen ihnen ist

Hier können wir sehen, dass der Kapazitätswert C2 umgekehrt proportional zum Abstand zwischen der unteren beweglichen Platte und der festen Platte ist.

Wenn der Körper in Ruhe ist, befinden sich sowohl die obere als auch die untere Platte in gleichem Abstand von der festen Platte, so dass die Kapazität C1 gleich der Kapazität C2 ist. Wenn sich der Körper jedoch plötzlich vorwärts bewegt, werden die Platten wie unten gezeigt verschoben.

Zu diesem Zeitpunkt wird die Kapazität C1 erhöht, wenn der Abstand zwischen der oberen Platte und der festen Platte abnimmt. Andererseits nimmt die Kapazität C2 ab, wenn der Abstand zwischen der Bodenplatte und der festen Platte zunimmt. Diese Zunahme und Abnahme der Kapazität ist linear proportional zur Beschleunigung am Hauptkörper, so dass die Beschleunigung umso höher ist, je höher die Änderung ist, und je niedriger die Beschleunigung, desto geringer die Änderung.

Diese variierende Kapazität kann an einen RC-Oszillator oder eine andere Schaltung angeschlossen werden, um den geeigneten Strom- oder Spannungswert zu erhalten. Nachdem wir den gewünschten Spannungs- oder Stromwert erhalten haben, können wir diese Daten einfach für die weitere Analyse verwenden.

Obwohl dieses Setup zum erfolgreichen Messen der Beschleunigung verwendet werden kann, ist es sperrig und nicht praktisch. Wenn wir jedoch die MEMS-Technologie verwenden, können wir das gesamte Setup auf eine Größe von wenigen Mikrometern verkleinern, um das Gerät besser anwendbar zu machen.

In der obigen Abbildung sehen Sie das tatsächliche Setup eines MEMS-Beschleunigungsmessers. Hier sind die mehreren Kondensatorplatten sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Richtung angeordnet, um die Beschleunigung in beide Richtungen zu messen. Die Kondensatorplatte hat eine Größe von wenigen Mikrometern und das gesamte Setup eine Größe von wenigen Millimetern. Daher können wir diesen MEMS-Beschleunigungsmesser problemlos in batteriebetriebenen tragbaren Geräten wie Smartphones verwenden.

MEMS Drucksensoren

Wir alle wissen, dass Druck auf ein Objekt ausgeübt wird, bis es eine Bruchstelle erreicht. Diese Dehnung ist bis zu einem bestimmten Grenzwert direkt proportional zum angelegten Druck und diese Eigenschaft wird zum Entwerfen eines MEMS-Drucksensors verwendet. In der folgenden Abbildung sehen Sie den strukturellen Aufbau eines MEMS-Drucksensors.

Hier sind zwei Leiterplatten auf einem Glaskörper montiert und es entsteht ein Vakuum zwischen ihnen. Eine Leiterplatte ist fixiert und die andere Platte ist flexibel, um sich unter Druck zu bewegen. Wenn Sie nun ein Kapazitätsmessgerät nehmen und zwischen zwei Ausgangsanschlüssen ablesen, können Sie einen Kapazitätswert zwischen zwei parallelen Platten beobachten. Dies liegt daran, dass der gesamte Aufbau als Parallelplattenkondensator fungiert. Da es dann wie üblich als Parallelplattenkondensator wirkt, gelten jetzt wie gewohnt alle Eigenschaften eines typischen Kondensators. Im Ruhezustand nennen wir die Kapazität zwischen zwei Platten C1.

Es verformt sich und bewegt sich näher an die untere Schicht heran, wie in der Abbildung gezeigt. Da sich die Schichten nähern, wird die Kapazität zwischen zwei Schichten erhöht. Je höher die Abstände, desto geringer die Kapazität und desto geringer der Abstand, desto höher die Kapazität. Wenn wir diese Kapazität an einen RC-Resonator anschließen, können wir Frequenzsignale erhalten, die den Druck darstellen. Dieses Signal kann einem Mikrocontroller zur weiteren Verarbeitung und Datenverarbeitung übergeben werden.

MEMS-Mikrofon

Das Design des MEMS-Mikrofons ähnelt dem Drucksensor und die folgende Abbildung zeigt die interne Struktur des Mikrofons.

Nehmen wir an, der Aufbau befindet sich in Ruhe und unter diesen Bedingungen beträgt die Kapazität zwischen fester Platte und Membran C1.

Wenn in der Umgebung Geräusche auftreten, gelangt der Schall über einen Einlass in das Gerät. Dieses Geräusch bewirkt, dass die Membran vibriert, wodurch sich der Abstand zwischen der Membran und der festen Platte kontinuierlich ändert. Dies bewirkt wiederum, dass sich die Kapazität C1 kontinuierlich ändert. Wenn wir diese sich ändernde Kapazität mit dem entsprechenden Verarbeitungs-Chip verbinden, können wir den elektrischen Ausgang für die sich ändernde Kapazität erhalten. Da sich die sich ändernde Kapazität in erster Linie direkt auf Rauschen bezieht, kann dieses elektrische Signal als konvertierte Form des Eingangstons verwendet werden.

MEMS Magnetometer

Das MEMS-Magnetometer dient zur Messung des Erdmagnetfeldes. Das Gerät ist auf Basis des Hall-Effekts oder des magnetoresistiven Effekts aufgebaut. Die meisten MEMS-Magnetometer verwenden den Hall-Effekt. Daher werden wir diskutieren, wie diese Methode zur Messung der Magnetfeldstärke verwendet wird. Betrachten wir dazu eine leitende Platte und lassen Sie die Enden einer Seite mit einer Batterie verbinden, wie in der Abbildung gezeigt.

Hier sehen Sie die Elektronenflussrichtung, die vom negativen zum positiven Anschluss verläuft. Wenn nun ein Magnet in die Nähe der Oberseite des Leiters gebracht wird, werden Elektronen und Protonen im Leiter verteilt, wie in der folgenden Abbildung gezeigt.

Hier werden Protonen mit positiver Ladung auf einer Seite der Ebene gesammelt, während Elektronen mit negativer Ladung auf der genau gegenüberliegenden Seite gesammelt werden. Wenn wir zu diesem Zeitpunkt ein Voltmeter nehmen und an beiden Enden anschließen, erhalten wir einen Messwert. Dieser Spannungswert V1 ist proportional zur Feldstärke, die der Leiter oben erfährt. Das vollständige Phänomen der Spannungserzeugung durch Anlegen von Strom und Magnetfeld wird als Hall-Effekt bezeichnet.

Wenn ein einfaches System unter Verwendung von MEMS basierend auf dem obigen Modell entworfen wird, erhalten wir einen Wandler, der die Feldstärke erfasst und eine linear proportionale elektrische Leistung liefert.

MEMS Gyroskop

Das MEMS-Gyroskop ist sehr beliebt und wird in vielen Anwendungen eingesetzt. Zum Beispiel können wir MEMS-Gyroskope in Flugzeugen, GPS-Systemen, Smartphones usw. finden. MEMS-Gyroskope basieren auf dem Coriolis-Effekt. Um das Prinzip und die Funktionsweise des MEMS-Gyroskops zu verstehen, untersuchen wir seine interne Struktur.

Hier sind S1, S2, S3 und S4 die Federn, die zum Verbinden der äußeren Schleife und der zweiten Schleife verwendet werden. Während S5, S6, S7 und S8 Federn sind, die zum Verbinden der zweiten Schleife und der Masse 'M' verwendet werden. Diese Masse schwingt entlang der y-Achse mit, wie durch die Richtungen in der Figur gezeigt. Dieser Resonanzeffekt wird normalerweise auch durch Verwendung der elektrostatischen Anziehungskraft in MEMS-Vorrichtungen erreicht.

Unter Ruhebedingungen ist die Kapazität zwischen zwei beliebigen Platten auf der oberen oder unteren Schicht gleich und bleibt gleich, bis sich der Abstand zwischen diesen Platten ändert.

Angenommen, wenn wir dieses Gerät auf eine rotierende Scheibe montieren, ändert sich die Position der Platten wie unten gezeigt.

Wenn das Setup wie gezeigt auf einer rotierenden Scheibe installiert ist, erfährt die im Setup schwingende Masse eine Kraft, die die Verschiebung im inneren Setup verursacht. Sie können sehen, dass alle vier Federn S1 bis S4 aufgrund dieser Verschiebung verformt werden. Diese Kraft, die die Resonanzmasse erfährt, wenn sie plötzlich auf eine rotierende Scheibe gelegt wird, kann durch den Coriolis-Effekt erklärt werden.

Wenn wir die komplexen Details überspringen, kann geschlossen werden, dass aufgrund der plötzlichen Richtungsänderung eine Verschiebung in der inneren Schicht vorhanden ist. Diese Verschiebung bewirkt auch, dass sich der Abstand zwischen Kondensatorplatten sowohl auf der unteren als auch auf der oberen Schicht ändert. Wie in den vorherigen Beispielen erläutert, bewirkt eine Änderung des Abstands, dass sich die Kapazität ändert.

Mit diesem Parameter können wir die Drehzahl der Platte messen, auf der sich das Gerät befindet.

Viele andere MEMS-Geräte werden mit MEMS-Technologie entwickelt und ihre Anzahl steigt ebenfalls täglich. Alle diese Geräte weisen jedoch eine gewisse Ähnlichkeit in Bezug auf Funktionsweise und Design auf. Wenn wir also die wenigen oben genannten Beispiele verstehen, können wir die Funktionsweise anderer ähnlicher MEMS-Geräte leicht verstehen.