Sistemi microelettromeccanici (componenti MEMS) e sensori basati su di essi

Componenti MEMS (Russian MEMS) — significa sistemi microelettromeccanici. La principale caratteristica distintiva in essi è che contengono una struttura 3D mobile. Si muove a causa di influenze esterne. Pertanto, non solo gli elettroni si muovono nei componenti MEMS, ma anche nelle parti costitutive.

I componenti MEMS sono uno degli elementi della microelettronica e della micromeccanica, spesso fabbricati su un substrato di silicio. Nella struttura, assomigliano a circuiti integrati a chip singolo. In genere, queste parti meccaniche MEMS variano in dimensioni da unità a centinaia di micrometri e il cristallo stesso va da 20 μm a 1 mm.

La Figura 1 è un esempio di struttura MEMS

Esempi di utilizzo:

1. Produzione di vari microcircuiti.

2. Gli oscillatori MEMS vengono talvolta sostituiti risonatori al quarzo.

3. Produzione di sensori, tra cui:

• accelerometro;

• giroscopio

• sensore di velocità angolare;

• sensore magnetometrico;

• barometri;

• analisti ambientali;

• trasduttori di misura del segnale radio.

Materiali utilizzati nelle strutture MEMS

I principali materiali con cui sono realizzati i componenti MEMS includono:

1. Silicio. Attualmente, la maggior parte dei componenti elettronici è realizzata con questo materiale. Ha una serie di vantaggi, tra cui: diffusione, forza, praticamente non cambia le sue proprietà durante la deformazione. La fotolitografia seguita dall'incisione è il metodo di fabbricazione principale per i MEMS al silicio.

2. Polimeri. Poiché il silicio, sebbene sia un materiale comune, è relativamente costoso, in alcuni casi è possibile utilizzare i polimeri per sostituirlo. Sono prodotti industrialmente in grandi volumi e con caratteristiche diverse. I principali metodi di produzione dei MEMS polimerici sono lo stampaggio a iniezione, lo stampaggio e la stereolitografia.

Volumi di produzione basati sull'esempio di un grande produttore

Per un esempio della domanda di questi componenti, prendiamo ST Microelectronics. Fa un grande investimento nella tecnologia MEMS, le sue fabbriche e impianti producono fino a 3.000.000 di elementi al giorno.

Figura 2 — Impianti di produzione di un'azienda che sviluppa componenti MEMS

Il ciclo produttivo è suddiviso in 5 fasi principali principali:

1. Produzione di trucioli.

2. Test.

3. Imballaggio in casse.

4. Collaudo finale.

5. Consegna ai rivenditori.

Figura 3 — Ciclo produttivo

Esempi di sensori MEMS di diverso tipo

Diamo un'occhiata ad alcuni dei famosi sensori MEMS.

Accelerometro Questo è un dispositivo che misura l'accelerazione lineare. Viene utilizzato per determinare la posizione o il movimento di un oggetto. È utilizzato nella tecnologia mobile, nelle automobili e altro ancora.

Figura 4 — Tre assi riconosciuti dall'accelerometro

Figura 5 — Struttura interna dell'accelerometro MEMS

Figura 6 — Spiegazione della struttura dell'accelerometro

Funzionalità dell'accelerometro che utilizzano l'esempio del componente LIS3DH:

Accelerometro a 1,3 assi.

2. Funziona con interfacce SPI e I2C.

3. Misurazione su 4 scale: ± 2, 4, 8 e 16 g.

4. Alta risoluzione (fino a 12 bit).

5. Basso consumo: 2 µA in modalità a basso consumo (1Hz), 11 µA in modalità normale (50Hz) e 5 µA in modalità spegnimento.

6. Flessibilità del lavoro:

• 8 ODR: 1/10/25/50/100/400/1600/5000 Hz;

• Larghezza di banda fino a 2,5 kHz;

• FIFO a 32 livelli (16 bit);

• 3 ingressi ADC;

• Termometro;

• alimentazione da 1,71 a 3,6 V;

• Funzione di autodiagnosi;

• Cassa 3 x 3 x 1 mm. 2.

Giroscopio È un dispositivo che misura lo spostamento angolare. Può essere utilizzato per misurare l'angolo di rotazione attorno all'asse. Tali dispositivi possono essere utilizzati come sistema di navigazione e controllo del volo per aeromobili: aeroplani e vari UAV o per determinare la posizione di dispositivi mobili.

Figura 7 — Dati misurati con un giroscopio

Figura 8 — Struttura interna

Ad esempio, considera le caratteristiche del giroscopio MEMS L3G3250A:

• Giroscopio analogico a 3 assi;

• Immunità al rumore e alle vibrazioni analogiche;

• 2 scale di misurazione: ± 625°/s e ± 2500°/s;

• Modalità di spegnimento e sospensione;

• Funzione di autodiagnosi;

• calibrazione di fabbrica;

• Alta sensibilità: 2 mV/°/s a 625°/s

• Filtro passa-basso integrato

• Stabilità ad alta temperatura (0,08°/s/°C)

• Stato ad alto impatto: 10000 g in 0,1 ms

• Intervallo di temperatura da -40 a 85 °C

• Tensione di alimentazione: 2,4 — 3,6 V

• Consumo: 6,3 mA in modalità normale, 2 mA in modalità sleep e 5 μA in modalità spegnimento

• Custodia 3,5 x 3 x 1 LGA

conclusioni

Nel mercato dei sensori MEMS, oltre agli esempi discussi nel rapporto, ci sono altri elementi tra cui:

• Sensori multiasse (es. 9 assi).

• Bussole;

• Sensori per la misurazione dell'ambiente (pressione e temperatura);

• Microfoni digitali e altro ancora.

Moderni sistemi microelettromeccanici industriali ad alta precisione che vengono attivamente utilizzati nei veicoli e nei computer indossabili portatili.