Реферат: Микросистемотехника (MEMS)

Микросистемотехника (MEMS)

Микросистемотехника (MEMS)

Введение

микросистемный датчик микромеханический

Целью данной работы является кратное рассмотрение основных принципов работы, общих сведений, технических характеристик MEMS-сенсоров и актуаторов. В данной работе рассмотрены принципы работы и особенности микромеханических систем.

Дополнительным заданием к данной работе является: обязательный перевод текста работы не менее 1000 символов и предоставление информации по желаемому месту работы.

1. Основные понятия и определения. Классификация датчиков

1.1 Основные понятия и определения

Микроэлектромеханические системы, МEМS - устройства, объединяющие в себе микроэлектронные и микромеханические компоненты. Обычно MEMS делят на два типа:

сенсоры - измерительные устройства, которые переводят те или иные физические воздействия в электрический сигнал, и актуаторы (исполнительные устройства) -

системы, которые занимаются обратной задачей, то есть переводом сигналов в те или иные действия. Данные системы получаются путем комбинирования механических элементов, датчиков и электроники на общем кремниевом основании посредством технологий микропроизводства. Все элементы могут быть реализованы в виде единого изделия, причем сразу десятками или сотнями, как микросхемы на кремниевой пластине.

1.2 Обзор и принципы работы микромеханических систем

Как было сказано выше, MEMS разделяют на два типа: сенсоры и актуаторы. Одним из самых используемых видов сенсоров являются датчики движения, которые в свою очередь делятся на акселерометры (датчики ускорения) и гироскопы (датчики поворота). Применение данных устройств на сегодняшний день очень широко: телефоны, коммуникаторы, игровые приставки, фотокамеры и ноутбуки все чаще и чаще снабжаются подобными сенсорами. В мобильных телефонах и видеоприставках чувствительность к движениям пользователя используется в основном для развлечения. А вот в портативных компьютерах акселерометры выполняют очень даже полезную функцию: улавливают момент, когда жесткий диск может подвергнуться повреждению из-за удара и паркуют головки диска. В фототехнике использование датчиков движения не менее актуально - именно на их основе работают честные системы стабилизации изображения.

Впрочем, рассуждать о том, что в реальности полезнее - активные игры на Wii, функция автоматического поворота картинки на iPhone, защита винчестера или возможность снимать фотографии без смазывания - дело неблагодарное. Покупателям нравится и то, и другое, и третье, и четвертое. Поэтому производители в последнее время стараются как можно более плотно использовать датчики движения.

Возможностей у них для этого более чем достаточно: автопроизводители (из массовых индустрий они первыми опробовали данного рода устройства) уже несколько десятилетий активно эксплуатируют датчики движения, например, в подушках безопасности и антиблокировочных системах тормозов[1].

Так что соответствующие чипы давно разработаны, выпускаются целым рядом крупных и сравнительно мелких компаний и производятся в таких количествах, что цены давно и надежно сбиты до минимума. Типичный MEMS-акселерометр сегодня обходится в несколько долларов за штуку.

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.

Откуда, зная его массу и параметры подвеса, легко найти и искомое ускорение. На Рисунке 1.1. представлена схема принципа работы датчика.

Рисунок 1.1. - Основной принцип работы конденсаторных акселерометров

На практике, MEMS-акселерометры устроены таким образом, что отделить друг от друга составные части - грузик, подвес, корпус и обкладки конденсатора - не так-то просто. Собственно, изящество MEMS в том и заключается, что в большинстве случаев в одной детали здесь удается (а вернее, попросту приходится) комбинировать сразу несколько предметов.

Рисунок 1.2. - Фотография акселерометра под увеличением

Зачастую, современные MEMS-гироскопы устроены идентично акселерометрам. Просто в них значения ускорений по осям пересчитываются в значения углов поворота - конструкция примерно та же, но на выходе другая величина.

Рисунок 1.3. - Фотография Гироскопа L3G4200D

На рисунках 1.2 и 1.3 представлены подобные устройства. Наример, гироскоп L3G4200D производства ST Microelectronics используется в iPhone 4.

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. Основной принцип тот же, что и в пьезозажигалках - под воздействием деформации пьезоэлемент вырабатывает ток. Из значения напряжения, зная параметры системы, можно найти силу, с которой грузик давит на кристалл - и, соответственно, рассчитать искомое ускорение.

Рисунок 1.4. - Основной принцип работы акселерометров на пьезоэлементах

Есть и более необычный тип MEMS-акселерометров - термальные датчики ускорения. В них в качестве основного объекта используется горячий пузырек воздуха. При движении пузырек отклоняется от центра системы, это отслеживается датчиками температуры. Чем дальше сместился пузырек - тем больше величина ускорения.

Менее популярный в статьях и обсуждениях, но гораздо более массовый тип MEMS-устройств - микроскопические микрофоны. Наиболее распространенными системами этого типа являются те, которые основаны на конденсаторном принципе.

Они отличаются простым устройством. Принципиально важных элементов в таком микрофоне всего два: это гибкая обкладка - 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. Идея в том, что единственным подвижным элементом в системе в идеале должна быть мембрана - и только она.

Как и в случае с акселерометрами, здесь может быть использован пьезоэффект - в этом случае под мембраной ставится пьезокристалл. Дальше - как и в случае пьезоакселерометров: давление воздуха передается мембраной на пьезоэлемент, под этим воздействием кристалл вырабатывает ток. Напряжение измеряется и переводится в амплитуду и частоту звука.

Схожие принципы используется и для датчиков давления. Можно выделить одну область, которая является наиболее интересной и наиболее специфичной для датчиков давления, основанных на MEMS-технологии. Это медицина. Здесь размер действительно имеет значение. Если в какой-нибудь трубопровод вполне можно встроить «обычный», макроскопический датчик, то с кровеносным сосудом такой фокус, очевидно, не получится. Тут нужны очень и очень компактные решения.

Разумеется, в медицине востребованы не только датчики давления. Существует множество микроскопических биодатчиков, измеряющих массу разнообразных величин - от температуры до уровня глюкозы. Есть и более неожиданные устройства, вроде микроскопических систем подачи лекарств. И, конечно, есть куча интереснейших прототипов, многие из которых в принципе не имеют аналогов среди обычных устройств.

Не менее, а может даже и более интересно применение актуаторов. Это очень миниатюрные устройства способные выполнять множество возложенных на них задач практически любого типа. Одни из самых ярких представителей устройств с MEMS-актуаторами - DLP-проекторы (DLP - Digital Light Processing) [2] [3]. В основе этих проекторов лежит относительно крупная - по общему размеру готового чипа - микроэлектромеханическая система под названием DMD (Digital Micromirror Device, цифровое микрозеркальное устройство). Это эксклюзивная разработка одного из гигантов полупроводниковой индустрии, компании Texas Instruments.

DMD-чип представляет собой матрицу микрозеркал, количество ячеек в которой равно разрешению итогового устройства. Скажем, для разрешения 1920х1080 - чуть больше 2 миллионов. Каждое микрозеркало - крошечная алюминиевая пластинка размером порядка 10×10 микрон (Рисунок 1.5.).

Рисунок 1.5. - Зеркала DLP системы размером 10х10 микрон каждое

Зеркало покоится на сравнительно массивной площадке, которая прикреплена к более тонкой и более гибкой, чем прочие детали системы, полоске - подвесу - натянутой между опорами. В двух других углах основания, не занятых опорами, расположены электроды, которые за счет кулоновской силы могут притягивать один из краев зеркала. Таким образом, зеркало может наклоняться в одну и в другую сторону: не слишком сильно, обычно угол поворота составляет 12 градусов. В одном из этих двух положений зеркальце отражает попадающий на него свет в сторону линзы и далее на экран. В другом положении - направляет световой поток в сторону, на теплоотвод. В первом случае на экране получается белая точка, во втором - черная. В результате слаженного действия всей матрицы создается картинка, состоящая из двух цветов: черного и белого. Для создания оттенков серого используют пульсацию зеркал с определенной частотой, что позволяет добиться до 1024 градаций серого. Для добавления к изображению цветовой составляющей используется колесо с несколькими секторами, каждый из которых представляет собой светофильтр. К базовым красному, синему и зеленому для большей яркости изображения обычно добавляется еще и прозрачный сектор[2]. Иногда для более аккуратной передачи полутонов используются дополнительные светофильтры - как дополнительные ванночки с чернилами у фотопринтеров. Колесо вращается, опять-таки, очень-очень быстро, - микрозеркальная матрица выдает для каждого светофильтра свой кадр.

Также DLP технология используется в 3D - печати. Ниже приведен перевод информации из англоязычного сайта производителя одного из таких DLP-принтеров [4]:

В DMD принтерах проектор освещает каждый поперечный срез объекта, покрытый фотополимерной смолой с помощью линзы. Пучок света вызывает затвердевание смолы и формируют соответствующий слой, который в сумме с другими слоями образует модель.

По сравнению с Стереолитографии (SLA), DLP может иметь относительно большую скорость печати. Это происходит потому, что один слой создается в одном цифровом изображении, в отличие SLA, который печатает по одной точке. Если SLA может быть приравнено к рисованию, то DLP больше сродни процессу штамповки.

Существует два стиля печати с использованием DLP. Модель может быть построена поднятием объекта из смолы, чтобы создать пространство для не отвержденной смолы и формирование следующего слоя. Другая техника для печати с использованием DLP-построить объект, опустив его вниз в резервуар с формированием новейшего слоя на вершине фотополимерной ванны. Из-за этого, для всех случаев острых углов или выступов, должны всегда быть вертикальные основания, соединяющие их с платформой конструкции. Основания толще в их колоннах и основе, чем в месте где они соединяются с предметом, чтобы выдержать механическое напряжение, например, при отделении совсем недавно отвержденного слоя от резервуара, чтобы создать место для нового слоя смолы. Однако точки соприкосновения между основанием и моделью могут быть минимизированы, в результате чего появляются сильные опорные колонны, сохраняя возможность легкого перемещения, а также минимизирующую поверхностное повреждение.

С DLP, слои, как правило, не образуют хребты, сливаются друг с другом гораздо более плавно, чем пластиковые нити. Когда процесс будет завершен, оставшаяся смола должна быть смыта с раствором. Далее деталь подвергается пескоструйной обработке от того, что осталось после печати, как правило уже после того, как у модели полностью прошел процесс затвердевания, который может быть ускорен под действием УФ-лампы.

Актуаторы применяются и в обычной печати: современные принтеры оперируют с каплями краски объемом порядка пиколитра. Это шарик диаметром около 13 микрон. В одном кубическом миллиметре таких капелек помещается с десяток тысяч! Для того чтобы сформировать столь малый объем жидкости - и сформировать его строго в нужный момент - очевидно, требуется тончайшая механика. Так что и тут работает MEMS.

Сами собой чернила через дюзы не выливаются: диаметр отверстий настолько мал, что сила поверхностного натяжения не дает жидкости просто так вытечь наружу. Краску необходимо выдавить принудительно. Для этого можно воспользоваться несколькими различными технологиями.

Например, можно разместить в микрополости пьезоэлемент. Примерно такой же, как те, что используются в зажигалках. Только процесс в данном случае идет в обратную сторону. В зажигалках пьезоэлемент вырабатывает электричество от деформации (следующей от нажатия кнопки) кристалла. В печатающей головке принтера на пьезокристалл подается ток, вследствие чего кристалл увеличивается в объеме и толкает мембрану, которая, в свою очередь, выталкивает краску наружу (Рисунок 1.6.). Именно такой метод использует компания Epson.

Рисунок 1.6. - Пьезоструйная печатная головка

Более популярный подход, который практикуют компании HP, Canon и Lexmark: термоструйная печать. В полости размещается нагревательный элемент, который мгновенно нагревает чернила до очень высокой температуры. Жидкость вскипает, увеличивается в объеме и выплескивается из полости на поверхность (Рисунок 1.7.).

Рисунок 1.7. - Термоструйная печатная головка

Струйная печать может служить не только конечной целью производства MEMS, но и промежуточным этапом. Дело в том, что при современном уровне развития технологий струйной печати, она вполне подходит для изготовления микроструктур.

Говоря по-простому, с помощью струйных принтеров можно печатать те или иные микроэлектронные или микроэлектромеханические устройства. Просто для этого надо использовать не обычные чернила, а растворы тех веществ, из которых можно изготовить требующуюся структуру.

Это далеко не весь перечень устройств, где используется MEMS, данная технология имеет огромнейший потенциал.

1.3 Изготовление MEMS устройств

При производстве MEMS-устройств используются примерно те же процессы и материалы, что и при производстве микроэлектроники. В качестве примера рассмотрим одну небольшую и относительно несложную задачу: производство массива микроэлектродов.