- Dispositius i aplicacions MEMS
- Acceleròmetres MEMS
- Sensors de pressió MEMS
- Micròfon MEMS
- Magnetòmetre MEMS
- Giroscopi MEMS
MEMS significa sistemes microelectro -mecànics i fa referència a dispositius de mida micròmetre que tenen components electrònics i peces mòbils mecàniques. Els dispositius MEMS es poden definir com els dispositius que tenen:
- Mida en micròmetre (d'1micròmetre a 100micròmetre)
- El flux de corrent al sistema (elèctric)
- I té parts mòbils al seu interior (mecànic)
A continuació es mostra la imatge de la part mecànica d’un dispositiu MEMS al microscopi. Pot ser que això no sembli increïble, però sabeu que la mida de l’engranatge és de 10 micòmetres, que és la meitat de la mida del cabell humà. Per tant, és bastant interessant saber com aquestes estructures tan complexes estan incrustades en un xip de la mida de només uns pocs mil·límetres.
Dispositius i aplicacions MEMS
Aquesta tecnologia es va introduir per primera vegada a la dècada de 1965, però la producció en massa no ha començat fins al 1980. Actualment, hi ha més de 100.000 milions de dispositius MEMS actius en diverses aplicacions i es poden veure en telèfons mòbils, ordinadors portàtils, sistemes GPS, automòbils, etc.
La tecnologia MEMS s’incorpora a molts components electrònics i el seu nombre creix dia a dia. Amb l’avenç en el desenvolupament de dispositius MEMS més econòmics, podem veure com s’apoderen de moltes més aplicacions en el futur.
Com que els dispositius MEMS funcionen millor que els dispositius normals, tret que entri en joc una tecnologia de millor rendiment, MEMS es mantindrà al tron. A la tecnologia MEMS, els elements més destacats són els microsensors i els microactuadors que es classifiquen adequadament com a transductors. Aquests transductors converteixen l’energia d’una forma a una altra. En el cas dels microsensors, el dispositiu normalment converteix un senyal mecànic mesurat en un senyal elèctric i un microactuador converteix un senyal elèctric en sortida mecànica.
A continuació s’expliquen uns quants sensors típics basats en la tecnologia MEMS.
- Acceleròmetres
- Sensors de pressió
- Micròfon
- Magnetòmetre
- Giroscopi
Acceleròmetres MEMS
Abans d’iniciar el disseny, discutim el principi de funcionament utilitzat en el disseny de l’acceleròmetre MEMS i, per això, considerem una molla de massa configurada que es mostra a continuació.
Aquí es suspèn una massa amb dues molles en un espai tancat i es considera que la configuració està en repòs. Ara bé, si el cos de sobte comença a avançar, la massa suspesa al cos experimenta una força cap enrere que provoca un desplaçament a la seva posició. I a causa d'aquest desplaçament, les molles es deformen com es mostra a continuació.
Aquest fenomen també l’hem d’experimentar assegut en qualsevol vehicle en moviment com cotxe, autobús i tren, etc., de manera que s’utilitza el mateix fenomen en el disseny dels acceleròmetres.
però en lloc de massa, utilitzarem plaques conductores com a part mòbil unida a les molles. Tota la configuració serà la que es mostra a continuació.
Al diagrama, considerarem la capacitat entre la placa mòbil superior i una placa fixa:
C1 = e 0 A / d1
on d 1 és la distància entre ells.
Aquí podem veure que el valor de la capacitat C1 és inversament proporcional a la distància entre la part superior que mou la placa i la placa fixa.
La capacitat entre la placa mòbil inferior i la placa fixa
C2 = e 0 A / d2
on d 2 és la distància entre ells
Aquí podem veure que el valor de la capacitat C2 és inversament proporcional a la distància entre la placa mòbil inferior i la placa fixa.
Quan el cos estigui en repòs, les plaques superior i inferior estaran a la mateixa distància de la placa fixa, de manera que la capacitat C1 serà igual a la capacitat C2. Però si el cos avança sobtadament, les plaques es desplacen com es mostra a continuació.
En aquest moment, la capacitat C1 augmenta a mesura que disminueix la distància entre la placa superior i la placa fixa. D'altra banda, la capacitat de C2 disminueix a mesura que augmenta la distància entre la placa inferior i la placa fixa. Aquest augment i disminució de la capacitat és linealment proporcional a l’acceleració del cos principal, de manera que major és l’acceleració, més gran és el canvi i menor és l’acceleració.
Aquesta capacitat variable es pot connectar a un oscil·lador RC o a un altre circuit per obtenir la lectura de corrent o tensió adequada. Després d’obtenir el voltatge o el valor de corrent desitjat, podem utilitzar aquestes dades per analitzar-les fàcilment.
Tot i que aquesta configuració es pot utilitzar per mesurar l’acceleració amb èxit, és voluminosa i no és pràctica. Però si fem servir la tecnologia MEMS, podem reduir tota la configuració a una mida de pocs micròmetres, cosa que fa que el dispositiu sigui més aplicable.
A la figura anterior, podeu veure la configuració real utilitzada en un acceleròmetre MEMS. Aquí les diverses plaques de condensadors s’organitzen en direcció horitzontal i vertical per mesurar l’acceleració en ambdues direccions. La placa del condensador té una mida d’uns pocs micròmetres i tota la configuració tindrà fins a uns pocs mil·límetres, de manera que podem utilitzar aquest acceleròmetre MEMS en dispositius portàtils que funcionin amb bateria, com ara els telèfons intel·ligents.
Sensors de pressió MEMS
Tots sabem que quan s’aplica pressió sobre un objecte, es deformarà fins arribar al punt de trencament. Aquesta deformació és directament proporcional a la pressió aplicada fins a un límit determinat i aquesta propietat s’utilitza per dissenyar un sensor de pressió MEMS. A la figura següent podeu veure el disseny estructural d’un sensor de pressió MEMS.
Aquí es munten dues plaques conductores sobre un cos de vidre i hi haurà un buit entre elles. Una placa conductor està fixa i l’altra placa és flexible per moure’s a pressió. Ara, si es pren un mesurador de capacitat i es fa una lectura entre dos terminals de sortida, es pot observar un valor de capacitat entre dues plaques paral·leles, això es deu al fet que tota la configuració actua com un condensador de placa paral·lela. Com que actua com un condensador de placa paral·lela, llavors, com és habitual, totes les propietats d’un condensador típic s’hi apliquen ara. En condicions restants, anomenem C1 la capacitat entre dues plaques.
es deformarà i s’acostarà a la capa inferior tal com es mostra a la figura. Com que les capes s’acosten, la capacitat entre dues capes augmenta. Per tant, les distàncies més altes redueixen la capacitat i disminueixen la distància més alta. Si connectem aquesta capacitat a un ressonador RC, podem obtenir senyals de freqüència que representin la pressió. Aquest senyal es pot donar a un microcontrolador per a un processament i processament de dades posteriors.
Micròfon MEMS
El disseny del micròfon MEMS és similar al sensor de pressió i la figura següent mostra l’estructura interna del micròfon.
Considerem que la configuració està en repòs i, en aquestes condicions, la capacitat entre la placa fixa i el diafragma és C1.
Si hi ha soroll a l’entorn, el so entra al dispositiu a través d’una entrada. Aquest so fa que el diafragma vibri fent que la distància entre el diafragma i la placa fixa canviï contínuament. Això, al seu torn, fa que la capacitat C1 canviï contínuament. Si connectem aquesta capacitat variable al xip de processament corresponent, podem obtenir la sortida elèctrica de la capacitat variable. Com que la capacitat de canvi es relaciona directament amb el soroll, aquest senyal elèctric es pot utilitzar com una forma convertida del so d’entrada.
Magnetòmetre MEMS
El magnetòmetre MEMS s’utilitza per mesurar el camp magnètic terrestre. El dispositiu es construeix sobre la base de l’efecte Hall o efecte magneto-resistiu. La majoria dels magnetòmetres MEMS utilitzen l’efecte Hall, de manera que parlarem de com s’utilitza aquest mètode per mesurar la intensitat del camp magnètic. Per a això, considerem una placa conductora i tenim els extrems d’un costat connectats a una bateria tal com es mostra a la figura.
Aquí podeu veure la direcció del flux d’electrons, que va des del terminal negatiu fins al terminal positiu. Ara bé, si s’apropa un imant a la part superior del conductor, els electrons i protons del conductor es distribueixen tal com es mostra a la figura següent.
Aquí els protons que porten càrrega positiva es reuneixen a un costat del pla mentre que els electrons que porten càrrega negativa es reuneixen al costat oposat exacte. En aquest moment, si agafem un voltímetre i ens connectem als dos extrems, obtindrem una lectura. Aquesta lectura de tensió V1 és proporcional a la intensitat del camp experimentada pel conductor a la part superior. El fenomen complet de la generació de tensió mitjançant l’aplicació de corrent i camp magnètic s’anomena Efecte Hall.
Si es dissenya un sistema senzill mitjançant MEMS, basat en el model anterior, obtindrem un transductor que detecta la intensitat del camp i proporciona una sortida elèctrica linealment proporcional.
Giroscopi MEMS
El giroscopi MEMS és molt popular i s’utilitza en moltes aplicacions. Per exemple, podem trobar el giroscopi MEMS en avions, sistemes GPS, telèfons intel·ligents, etc. El giroscopi MEMS està dissenyat basat en l’efecte Coriolis. Per entendre el principi i el funcionament del giroscopi MEMS, examinem la seva estructura interna.
Aquí S1, S2, S3 i S4 són les molles que s’utilitzen per connectar el bucle exterior i el segon bucle. Mentre que S5, S6, S7 i S8 són molls utilitzats per connectar el segon bucle i la massa "M". Aquesta massa ressonarà al llarg de l’eix Y tal com es mostra a les indicacions de la figura. A més, aquest efecte de ressonació s’aconsegueix normalment mitjançant l’ús de la força d’atracció electrostàtica en dispositius MEMS.
En condicions de repòs, la capacitat entre dues plaques de la capa superior o inferior serà la mateixa i es mantindrà fins que hi hagi un canvi de distància entre aquestes plaques.
Suposem que si muntem aquesta configuració en un disc giratori, hi haurà un cert canvi en la posició de les plaques, tal com es mostra a continuació.
Quan la instal·lació s’instal·la en un disc giratori tal com es mostra, la ressonància massiva dins de la instal·lació experimentarà una força que provocarà el desplaçament a la configuració interna. Podeu veure com les quatre molles S1 a S4 es deformen a causa d’aquest desplaçament. Aquesta força experimentada per la ressonància de la massa quan es col loca sobtadament en un disc giratori es pot explicar per l' efecte Coriolis.
Si saltem els detalls complexos, es pot concloure que a causa del canvi sobtat de direcció hi ha desplaçament present a la capa interna. Aquest desplaçament també fa que la distància entre les plaques de condensadors de les capes inferior i superior canviï. Com s'ha explicat en exemples anteriors, el canvi de distància provoca un canvi de la capacitat.
I podem utilitzar aquest paràmetre per mesurar la velocitat de rotació del disc sobre el qual es col·loca el dispositiu.
Molts altres dispositius MEMS estan dissenyats amb tecnologia MEMS i el seu nombre també augmenta cada dia. Però tots aquests dispositius tenen una certa similitud en el treball i el disseny, de manera que, comprenent els pocs exemples esmentats anteriorment, podem entendre fàcilment el funcionament d'altres dispositius MEMS similars.