Mikroelektromekaaniset järjestelmät ( MEMS ) ovat laitteita, joissa yhdistyvät toisiinsa kytketyt mekaaniset ja sähköiset mikronin kokoiset komponentit. Mikroelektromekaaniset järjestelmät koostuvat mekaanisista elementeistä, antureista , elektroniikasta , toimilaitteista ja mikroelektronisista laitteista, jotka sijaitsevat yhteisellä piisubstraatilla [1] .
Mekaaninen komponentti voi olla miniatyyri peili - skannausjärjestelmän elementti (esimerkiksi DLP -teknologiaa varten ), inertia-anturi, joka voi määrittää ominaiset liikkeet, joita käyttäjä tekee laitteellaan ja muun tyyppisillä laitteilla.
MEMS-laitteet valmistetaan tyypillisesti piisubstraatille käyttämällä mikrokoneistustekniikkaa , joka on samanlainen kuin yksisiruisten integroitujen piirien valmistuksessa käytetty tekniikka . Mikromekaanisten elementtien tyypilliset mitat vaihtelevat 1 mikrometristä 100 mikrometriin, kun taas MEMS-sirujen koot vaihtelevat 20 mikrometristä yhteen millimetriin.
Tällä hetkellä MEMS-teknologioita käytetään jo erilaisten mikropiirien valmistukseen. Joten MEMS-oskillaattorit joissakin sovelluksissa korvaavat [2] kvartsioskillaattorit . MEMS-teknologioita käytetään luomaan erilaisia pienoistoimilaitteita ja antureita , kuten kiihtyvyysmittareita , kulmanopeusantureita , gyroskooppeja [3] , magnetometrisiä antureita, barometrisia antureita, ympäristöanalysaattoreita (esimerkiksi operatiiviseen verianalyysiin), radiovastaanottoantureita [ 3]. 4] .
MEMS-teknologiaa voidaan toteuttaa useilla erilaisilla materiaaleilla ja valmistustekniikoilla, joiden valinta riippuu luotavasta laitteesta ja markkinasektorista, jolla se toimii.
Pii on materiaali, jota käytetään useimpien kulutuselektroniikassa käytettyjen integroitujen piirien luomiseen nykymaailmassa. Yleisyys, halpojen korkealaatuisten materiaalien saatavuus ja kyky käytettäviksi elektroniikkapiireissä tekevät piistä houkuttelevan käytettäväksi MEMS:ien valmistuksessa.
Piillä on myös merkittäviä etuja muihin materiaaleihin verrattuna sen fysikaalisten ominaisuuksien vuoksi. Piin yksikidekide noudattaa Hooken lakia lähes täydellisesti . Tämä tarkoittaa, että muodonmuutoksen aikana se ei ole alttiina hystereesille ja näin ollen muodonmuutosenergia ei käytännössä häviä.
Pii on myös erittäin luotettava erittäin tiheissä liikkeissä, koska se väsyy hyvin vähän ja voi toimia miljardeista biljooniin sykleihin rikkoutumatta.
Tärkeimmät menetelmät kaikkien piipohjaisten MEMS-laitteiden saamiseksi ovat materiaalikerrosten kerrostaminen, näiden kerrosten strukturointi fotolitografialla ja etsauksella halutun muodon luomiseksi.
Piistä valmistettujen MEMS-laitteiden ominaisuus on hauraus, ja kuten valmistajat varoittavat, laitteita ei saa pestä ultraäänihauteessa. Tämä johtaa äärimmäisiin muodonmuutoksiin ja elementtien tuhoutumiseen resonanssissa.
Vaikka elektroniikkateollisuus tarjoaa laajan kysynnän piiteollisuuden tuotteille, kiteinen pii on edelleen vaikea ja suhteellisen kallis materiaali valmistaa. Polymeerejä sitä vastoin voidaan valmistaa suuria määriä useilla materiaaliominaisuuksilla. MEMS-laitteita voidaan valmistaa polymeereistä käyttämällä prosesseja, kuten ruiskuvalua, leimaamista tai stereolitografiaa; ne soveltuvat erityisen hyvin käytettäväksi mikrofluidilaitteiden , kuten kertakäyttöisten verikoepatruunoiden, valmistuksessa.
Gyroskooppi on laite, joka pystyy reagoimaan kohteen orientaatiokulmien muutoksiin suhteessa inertiavertailujärjestelmään ja määrittämään sen sijainnin avaruudessa. Integroidun gyroskoopin herkkä elementti on kaksi liikkuvaa massaa (painoa), jotka ovat jatkuvassa liikkeessä elastisella ripustuksella vastakkaisiin suuntiin. Liikkuvan massan värähtelyn lähde on sähköstaattiset kampamoottorit. Liikkuva massa yhdessä alustalla olevien elektrodien kanssa muodostaa kondensaattoreita , jotka ovat osa differentiaalipiiriä, joka tuottaa signaalin, joka on verrannollinen kondensaattorin kapasitanssien eroon.
Lineaarinen kiihtyvyys vaikuttaa yhtäläisesti sekä liikkuviin massoihin että substraattiin, joten signaalia differentiaalipiirin lähdössä ei näy. Heti kun kulmanopeudessa tapahtuu muutos suhteessa pyörimisakseliin, Coriolis-voima alkaa vaikuttaa liikkuviin massoihin ja kääntää liikkuvia massoja vastakkaisiin suuntiin. Vastaavasti yhden kondensaattorin kapasitanssi kasvaa, kun taas toisen pienenee, mikä synnyttää kulmakiihtyvyyden suuruuteen verrannollisen erosignaalin. Siten gyroskoopin kulmanopeuden muunnos sähköiseksi parametriksi suoritetaan, jonka arvo havaitaan erityisellä anturilla [5] .
Kapasitiiviset pinnan kiihtyvyysanturit (kiihtyvyysmittarit) - havaitsevat kiihtyvyyden tasossa, joka on yhdensuuntainen niiden sirujen pinnan kanssa, joihin ne on asennettu. Kapasitiivisten kiihtyvyysanturien toimintaperiaate perustuu mikrokondensaattorin kapasitanssin muutokseen, jonka yksi levyistä on liikkuva. Kondensaattorijärjestelmän liikkuvat levyt on ripustettu elastisesti puristimiin, ja herkkyysakselin kiihtyvyyden läsnä ollessa (näkyy nuolilla) peruskennojen kapasitanssit muuttuvat. Muutosten suuruus ja merkki tallennetaan elektronisella piirillä, joka on integroitu samalle sirulle anturin kanssa. Mikropiirin lähtöjännite on verrannollinen kiihtyvyyteen ja sen etumerkki riippuu kiihtyvyyden suunnasta. Kiinteässä vaakatilassa tai liikkeessä vakionopeudella lähtöjännite on 1,8 V, täydellä kiihtyvyydellä ±50 g lähtöjännite saavuttaa 1,8 ± 0,95 V [6] .
MEMS-kytkentätekniikkaa on kahta muotoa: ohminen ja kapasitiivinen.
1. Ohmic MEMS-kytkimet on suunniteltu käyttämällä sähköstaattisia ulokkeita. Koska ulokkeet muotoutuvat ajan myötä, nämä kytkimet voivat epäonnistua koskettimien kulumisen tai metallin väsymisen vuoksi .
2. Kapasitiivisia kytkimiä ohjataan liikkuvalla levyllä tai anturielementillä, joka muuttaa kapasitanssia . Käyttämällä niiden resonanssiominaisuuksia ne voidaan virittää ylittäväksi ohmiset laitteet tietyillä taajuusalueilla [7] .