MEMS: микроэлектромеханические системы

MEMS: микроэлектромеханические
системы
Подготовил: Воробьев Сергей, группа 13604/1
Общее представление



Микроэлектромеханические системы, МЭМС — устройства,
объединяющие в себе микроэлектронные и микромеханические
компоненты.
Механическим компонентом может быть миниатюрное зеркальце —
элемент системы сканирования, либо примитивный инерциальный
датчик, способный определить характерные движения, которые
пользователь проделывает со своим устройством. Типичные размеры
микромеханических элементов лежат в диапазоне от 1 микрометра
до 100 микрометров, тогда как размеры кристалла МЭМС
микросхемы имеют размеры от 20 микрометров до одного
миллиметра.
Стоит отметить, что MEMS-устройства условно делят на два типа:
сенсоры и актуаторы.
Применение


МЭМС технологии применяются для создания
разнообразных миниатюрных датчиков, таких как
акселерометры, датчики угловых скоростей, гироскопы,
которые находят применение в различных игровых
приставках и мобильных устройствах; а в портативных
компьютерах акселерометры улавливают момент, когда
жесткий диск может подвергнуться повреждению из-за
удара и паркуют его головки. В фототехнике
использование датчиков движения не менее актуально –
именно на их основе работают честные системы
стабилизации изображения.
В медицине нашли широкое применение барометрические
датчики и анализаторы среды (например для оперативного
анализа крови).
Примеры

На сегодняшний день наиболее
популярны датчики движения,
основанные на конденсаторном
принципе. Подвижная часть системы
– классический грузик на подвесах.
При наличии ускорения грузик
смещается относительно
неподвижной части акселерометра.
Обкладка конденсатора,
прикрепленная к грузику, смещается
относительно обкладки на
неподвижной части. Емкость
меняется, при неизменном заряде
меняется напряжение – это
изменение можно измерить и
рассчитать смещение грузика.
Примеры

Современные MEMS-гироскопы устроены
идентично акселерометрам, только
значения ускорений по осям
пересчитываются в значения углов
поворота.
Гироскоп L3G4200D производства ST Microelectronics используется в iPhone 4
Примеры

Помимо конденсаторных датчиков,
существуют MEMS-акселерометры,
использующие иные принципы.
Например, датчики, основанные на
пьезоэффекте. Вместо смещения
обкладок конденсатора, в
акселерометрах такого типа
происходит давление грузика на
пьезокристалл — под воздействием
деформации пьезоэлемент
вырабатывает ток.
Примеры

К популярному сегменту MEMS-устройств также относятся микроскопические
микрофоны, из которых самые распространенные основаны на конденсаторном
принципе. Принципиально важных элементов в таком микрофоне всего два:
мембрана, и более толстая, неподвижная обкладка. Под воздействием давления
воздуха мембрана смещается, изменяется емкость между обкладками – при
постоянном заряде изменяется напряжение. Эти данные пересчитываются в
амплитуды и частоты звуковой волны. Чтобы минимизировать влияние давления
воздуха на неподвижную обкладку, эта обкладка перфорируется. Кроме того,
под ней делается сравнительно большая ниша с обязательным вентиляционным
отверстием.
Примеры
Ультракомпактный и высокоточный датчики давления на фоне
одноцентовой монеты
Примеры

Одни из самых ярких
представителей устройств с
MEMS-актуаторами – DLPпроекторы. В основе этих
проекторов лежит
относительно крупная – по
общему размеру готового чипа
– микроэлектромеханическая
система под названием DMD.
Это эксклюзивная разработка
одного из гигантов
полупроводниковой
индустрии, компании Texas
Instruments.
DMD-чип в сборе. Сравнительно с другими MEMS,
устройство достаточно крупное
Примеры

DMD-чип
представляет собой
матрицу микрозеркал,
количество которых
равно разрешению
итогового устройства.
Для разрешения
1920х1080 – чуть
больше 2 миллионов.
Каждое микрозеркало
– крошечная
алюминиевая
пластинка размером
10x10 микрон.
Примеры
Два микрозеркала. Одно в «черном» положении, другое – в «белом».
Среднее – «горизонтальное» – положение зеркала занимают только в
припаркованном состоянии, когда проектор выключен.