Sistemas microeletromecânicos (componentes MEMS) e sensores baseados neles

Componentes MEMS (MEMS russo) — significa sistemas microeletromecânicos. A principal característica distintiva deles é que eles contêm uma estrutura 3D móvel. Ele se move devido a influências externas. Portanto, não apenas os elétrons se movem nos componentes do MEMS, mas também nas partes constituintes.

Os componentes MEMS são um dos elementos da microeletrônica e micromecânica, geralmente fabricados em um substrato de silício. Em estrutura, eles se assemelham a circuitos integrados de chip único. Normalmente, essas peças mecânicas de MEMS variam em tamanho de unidades a centenas de micrômetros, e o próprio cristal é de 20 μm a 1 mm.

A Figura 1 é um exemplo de uma estrutura MEMS

Exemplos de uso:

1. Produção de vários microcircuitos.

2. Os osciladores MEMS às vezes são substituídos ressonadores de quartzo.

3. Produção de sensores, incluindo:

• acelerômetro;

• giroscópio

• sensor de velocidade angular;

• sensor magnetométrico;

• barômetros;

• analistas ambientais;

• transdutores de medição de sinais de rádio.

Materiais usados ​​em estruturas MEMS

Os principais materiais dos quais os componentes MEMS são feitos incluem:

1. Silício. Atualmente, a maioria dos componentes eletrônicos é feita desse material. Possui várias vantagens, entre elas: propagação, resistência, praticamente não altera suas propriedades durante a deformação. Fotolitografia seguida de ataque químico é o principal método de fabricação de MEMS de silício.

2. Polímeros. Como o silício, embora seja um material comum, é relativamente caro, em alguns casos, polímeros podem ser usados ​​para substituí-lo. São produzidos industrialmente em grandes volumes e com características diferenciadas. Os principais métodos de fabricação de polímeros MEMS são moldagem por injeção, estampagem e estereolitografia.

Volumes de produção com base no exemplo de um grande fabricante

Para um exemplo da demanda por esses componentes, vamos pegar a ST Microelectronics. Faz um grande investimento em tecnologia MEMS, suas fábricas e plantas produzem até 3.000.000 de elementos por dia.

Figura 2 — Instalações de produção de uma empresa que desenvolve componentes de MEMS

O ciclo de produção é dividido em 5 etapas principais:

1. Produção de chips.

2. Teste.

3. Embalagem em caixas.

4. Teste final.

5. Entrega aos revendedores.

Figura 3 — ciclo de produção

Exemplos de sensores MEMS de diferentes tipos

Vamos dar uma olhada em alguns dos sensores MEMS populares.

Acelerômetro Este é um dispositivo que mede a aceleração linear. É usado para determinar a localização ou o movimento de um objeto. É usado em tecnologia móvel, carros e muito mais.

Figura 4 — Três eixos reconhecidos pelo acelerômetro

Figura 5 — Estrutura interna do acelerômetro MEMS

Figura 6 — Estrutura do acelerômetro explicada

Recursos do acelerômetro usando o exemplo do componente LIS3DH:

Acelerômetro de 1,3 eixos.

2. Funciona com interfaces SPI e I2C.

3. Medição em 4 escalas: ± 2, 4, 8 e 16g.

4. Alta resolução (até 12 bits).

5. Baixo consumo: 2 µA no modo de baixa potência (1 Hz), 11 µA no modo normal (50 Hz) e 5 µA no modo de desligamento.

6. Flexibilidade de trabalho:

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

• Largura de banda de até 2,5 kHz;

• FIFO de 32 níveis (16 bits);

• 3 entradas ADC;

• Sensor de temperatura;

• Fonte de alimentação de 1,71 a 3,6 V;

• Função de autodiagnóstico;

• Caixa 3 x 3 x 1 mm. 2.

giroscópio É um aparelho que mede o deslocamento angular. Pode ser usado para medir o ângulo de rotação em torno do eixo. Esses dispositivos podem ser usados ​​​​como um sistema de navegação e controle de voo para aeronaves: aviões e vários UAVs, ou para determinar a posição de dispositivos móveis.

Figura 7 — Dados medidos com um giroscópio

Figura 8 — Estrutura interna

Por exemplo, considere as características do giroscópio L3G3250A MEMS:

• giroscópio analógico de 3 eixos;

• Imunidade a ruído analógico e vibração;

• 2 escalas de medição: ± 625°/s e ± 2500°/s;

• Modos de desligamento e hibernação;

• Função de autodiagnóstico;

• calibração de fábrica;

• Alta sensibilidade: 2 mV/°/s a 625°/s

• Filtro passa-baixo integrado

• Estabilidade em alta temperatura (0,08 ° / s / ° C)

• Estado de alto impacto: 10000g em 0,1ms

• Faixa de temperatura -40 a 85 °C

• Tensão de alimentação: 2,4 — 3,6 V

• Consumo: 6,3 mA em modo normal, 2 mA em modo de hibernação e 5 μA em modo de desligamento

• Caixa 3,5 x 3 x 1 LGA

conclusões

No mercado de sensores MEMS, além dos exemplos discutidos no relatório, existem outros elementos, incluindo:

• Sensores de vários eixos (por exemplo, 9 eixos)

• Bússolas;

• Sensores para medição do ambiente (pressão e temperatura);

• Microfones digitais e muito mais.

Sistemas industriais microeletromecânicos modernos de alta precisão que são usados ​​ativamente em veículos e computadores vestíveis portáteis.