V Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2013

Перспективы современного приборостроения связаны с созданием приборов, обладающих малыми массой, габаритными размерами, энергопотреблением и себестоимостью при безусловном выполнении целевой функции с заданной точностью.

С 60-х годов XX столетия начались научно-технические разработки в области миниатюрных датчиков и исполнительных устройств различного назначения на базе кремния – основного материала микроэлектроники[1].

Технологии микроэлектромеханических систем рассматриваются многими экспертами как одно из производных направления развития полупроводниковой промышленности, наряду с технологиями обработки информации.

Микромеханические датчикиобладают сверхмалыми габаритами, малой массой и энергопотреблением. Имеют как цифровые, так и аналоговые выходы; кроме того, многие датчики стали промышленным стандартом в электронике. На рисунке 1 представлена схема развития микроэлектроники. Два ключевых вектора развития:

- дальнейшая миниатюризация и преодоление ограничений CMOS-технологии;

- растущая диверсификация устройств.

Рисунок 1- Схема развития микроэлектроники

МЭМС делят на два типа: сенсоры – измерительные устройства, которые переводят те или иные физические воздействия в электрический сигнал, и актюаторы (исполнительные устройства) – системы, которые занимаются обратной задачей, то есть переводом сигналов в те или иные воздействия[2].

Можно выделить несколько применений МЭМС, получивших наиболее широкое распространение:

-миниатюрные детали: гидравлические и пневмо клапаны, струйные сопла принтера, пружины для подвески головки винчестера;

- микроинструменты: скальпели и пинцеты для работы с объектами микронных размеров;

- микромашины: моторы, насосы, турбины величиной с горошину;

-микророботы;

-микродатчики и исполнительные устройства (датчики давления ,температуры, влажности, ускорения и угловых перемещений).

При создании микросистем, фактически, выделяют две группы материалов:

- конструкционные (стекло, монокристаллический, поликристаллический, пористый кремний, диоксид и нитрид кремния, полиимид, вольфрам, никель, медь, золото, алмазоподобный углерод;

-"Активные умные" (никель/титан, пермаллой, кварц, окись цинка, пьезокерамика, материалы группы A^3B5, А⁴В⁶), выполняющие за счет электростатических, электромеханических, пьезоэлектрических, магнитных, оптических явлений.

Микрозеркала (рисунок 2). Устройства, использующие системы подвижных зеркал шириной всего 10 микрометров предложила компания Texas Instruments. Угол наклона каждого зеркала независимо управляется МЭМС -устройством, благодаря чему можно либо отражать, либо блокировать свет. Подобные системы используются в проекторах для графических презентаций.

Рисунок 2 - Схема микрозеркала

Микрокапиллярные устройства Кремниевые чипы с микроскопическими каналами могут быть использованы для адресной внутренней доставки контролируемых количеств лекарственных препаратов. В частности, специально для больных сахарным диабетом было разработано интегрированное МЭМС - устройство, объединяющее сенсор на глюкозу и диспергатор инсулина. Микрокапиллярные устройства на основе МЭМС могут использоваться в струйных принтерах для нанесения чернил на бумагу.

Биомедицинские имплантаты. Недавно были созданы кремниевые МЭМС - устройства, содержащие звуковой сенсор и микропроцессор, который раскладывает звуковые волны на Фурье - гармоники. Устройство имплантируется непосредственно в человеческое ухо, после чего полученные Фурье – компоненты напрямую передаются слуховому нерву. В настоящее время разрабатываются аналогичные устройства для восстановления зрения[3].

Также одним из применения в медицине является использование микромеханических пинцетов с размером в микрометры.

К инерциальным микромеханическим датчикам относятся акселерометры и гироскопы.

Наиболее коммерчески успешными устройствами на основе МЭМС в настоящее время являются миниатюрные устройства для измерения ускорений – акселерометры (рисунок 3).

Акселерометры все чаще встраиваются в различные переносные устройства в качестве сенсора вращения, а также для игровых приложений. В потребительской электронике трехосевые акселерометры будут постепенно интегрироваться с трехосевыми магнетометрами для персональной навигации или с трехосевыми гироскопами в составе датчиков для упрощенной инерциальной системы навигации[4].

Рисунок 3 - МЭМС акселерометр

Особое внимание уделяется разработке микромеханических гироскопов (ММГ) как наиболее трудоемких в технологическом и интеллектуальном плане изделий, занимающих третье место из самых востребованных применений в МЭМС индустрии интегральных датчиков по объемом продаж ( после акселерометров и датчиков давления).

ММГ находят применение в автомобильной промышленности, при создании нового поколения навигационного оборудования, в разработках робототехнических устройств и спортивного снаряжения, в медицинской промышленности, в смартфонах.

ММГ представляют собой датчики угловой скорости, точность которых характеризуется погрешностью измерения угловой скорости.

По виду первичных и вторичных колебаний, их можно разделить на виды:

- LL-гироскопы;

- RR-гироскопы;

- LR-гироскопы.

Датчик угловой скорости (рисунок 4) – гироскоп представляет собой интегральную микросхему; он выполнен на одном кристалле кремния и включает в себя все необходимые электронные схемы формирования сигнала.

Две микромеханические структуры из поликристаллического кремния снабжены специальными возбуждающими рамками, которые вызывают гармонические колебания.

Колебания микромеханических элементов имеют достаточно высокую частоту и амплитуду, чтобы при угловом вращении прибора сила Кориолиса, действующая на эти элементы, достигала заметной величины.

Рисунок 4- Внешний вид кристалла гироскопа при большом увеличении

По краям каждой колеблющейся рамки, перпендикулярно направлению колебаний, расположены подвижные зубцы, которые чередуются с неподвижными зубцами. Таким образом, образуется структура, емкость которой меняется в соответствии с величиной силы Кориолиса.

Полученный с емкостного датчика высокочастотный сигнал поступает на каскады усиления и демодуляции, в итоге на выходе микросхемы мы получаем сигнал напряжения, пропорциональный угловой скорости.

Наличие внутри микросхемы двух перпендикулярно расположенных однотипных датчиков позволяет избежать влияния на выходной сигнал гироскопа вибрации и ускорения.

В составе микросхемы присутствует датчик температуры для осуществления калибровки устройства и компенсации погрешности, вызванной изменением температуры, также на кристалле имеется прецизионный источник опорного напряжения[5].

Микрофоны на основе МЭМС - технологий получили импульс для дальнейшего развития во многом благодаря росту рынка электроники. Кремниевые микрофоны представляют собой модули с несколькими чипами (рисунок 5).

Рисунок 5- МЭМС - микрофоны

Радиочастотные МЭМС - узлы. В области радиочастотной коммуникации миниатюрные и недорогие МЭМС в виде систем на кристалле могут заменять целые узлы для широкополосных систем связи, существенно снизив издержки производства, массогабаритные показатели и энергопотребление.

К радиочастотным узлам относятся FBAR-резонаторы (резонаторы на объемных акустических волнах), SAW – резонаторы (резонаторы на поверхностных акустических волнах), варакторы ( переключатель резистивно-емкостного типа), МЭМС – переключатели[4].

Несмотря на свойства, которыми обладают датчики, такими как сверхмалые габариты, малой массой и энергопотребление, идут работы по улучшению их точности. Продажи датчиков во всем мире оцениваются в миллиарды долларов.

На фоне широкого применения МЭМС – сенсоров для различных измерений, МЭМС - актюаторы остаются во многом неосвоенной областью. Поэтому можно полагать, что дальнейшие развитие МЭМС связано не только с совершенствованием сенсорной базы, но также с прорывными достижениями в разработке новых радиочастотных МЭМС – переключателей, проекторов изображения, громкоговорителей и ультразвуковых актюаторов.

Список использованной литературы

1 В.Я. Распопов – Микромеханические приборы, 2007.-400с. С10-14.

2 MEMS- microelectromechanical-systems-Part 1.URL: http://www.3dnews.ru/editorial

3 Nanoazbuka_54965.URL:http://www.nanometer.ru/2008/12/18

4 www.issras.ru/global_science_review

5 Алексей Власенко - Интегральные гироскопы iMEMS – датчики угловой скорости фирмы Analog Devices -,6с

Код для цитирования: Скопировать