ภาพรวมของอุปกรณ์ mems ต่างๆและแอปพลิเคชัน

MEMS ย่อมาจากMicro-Electro-Mechanical Systemsและหมายถึงอุปกรณ์ขนาดไมโครมิเตอร์ที่มีทั้งชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์และชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวทางกล อุปกรณ์ MEMS สามารถกำหนดเป็นอุปกรณ์ที่มี:

• ขนาดเป็นไมโครมิเตอร์ (1 ไมโครมิเตอร์ถึง 100 ไมโครมิเตอร์)
• การไหลของกระแสในระบบ (ไฟฟ้า)
• และมีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวอยู่ภายใน (Mechanical)

ด้านล่างนี้คือภาพของชิ้นส่วนกลไกของอุปกรณ์ MEMS ภายใต้กล้องจุลทรรศน์ นี่อาจดูไม่น่าทึ่ง แต่คุณรู้หรือไม่ว่าขนาดของเฟืองคือ 10 ไมครอนซึ่งมีขนาดครึ่งหนึ่งของเส้นผมของมนุษย์ ดังนั้นจึงเป็นเรื่องที่น่าสนใจมากที่ได้ทราบว่าโครงสร้างที่ซับซ้อนดังกล่าวฝังอยู่ในชิปขนาดเพียงไม่กี่มิลลิเมตรได้อย่างไร

อุปกรณ์และแอพพลิเคชั่น MEMS

เทคโนโลยีนี้เปิดตัวครั้งแรกในปี 1965 แต่ยังไม่เริ่มการผลิตจำนวนมากจนถึงปี 1980 ในปัจจุบันมีอุปกรณ์ MEMS มากกว่า 100 พันล้านเครื่องที่ใช้งานในแอปพลิเคชั่นต่างๆและสามารถพบเห็นได้ในโทรศัพท์มือถือแล็ปท็อประบบ GPS รถยนต์ ฯลฯ

เทคโนโลยี MEMS ถูกรวมไว้ในชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์จำนวนมากและมีจำนวนเพิ่มมากขึ้นทุกวัน ด้วยความก้าวหน้าในการพัฒนาอุปกรณ์ MEMS ที่มีราคาถูกลงเราจึงเห็นได้ว่าพวกเขาเข้ามาใช้งานแอพพลิเคชั่นอื่น ๆ อีกมากมายในอนาคต

เนื่องจากอุปกรณ์ MEMS ทำงานได้ดีกว่าอุปกรณ์ทั่วไปเว้นแต่เทคโนโลยีที่มีประสิทธิภาพดีกว่าจะเข้ามามีบทบาท MEMS จะยังคงอยู่บนบัลลังก์ ในเทคโนโลยี MEMS องค์ประกอบที่โดดเด่นที่สุดคือไมโครเซนเซอร์และไมโครแอคชูเอเตอร์ซึ่งถูกจัดประเภทอย่างเหมาะสมเป็นทรานสดิวเซอร์ ตัวแปลงสัญญาณเหล่านี้จะแปลงพลังงานจากรูปแบบหนึ่งไปเป็นอีกรูปแบบหนึ่ง ในกรณีของไมโครเซนเซอร์โดยทั่วไปอุปกรณ์จะแปลงสัญญาณเชิงกลที่วัดได้ให้เป็นสัญญาณไฟฟ้าและไมโครแอคทูเอเตอร์จะแปลงสัญญาณไฟฟ้าเป็นเอาต์พุตเชิงกล

เซ็นเซอร์ทั่วไปบางตัวที่ใช้เทคโนโลยี MEMSมีคำอธิบายด้านล่าง

• Accelerometers
• เซ็นเซอร์ความดัน
• ไมโครโฟน
• แมกนีโตมิเตอร์
• ไจโรสโคป

MEMS Accelerometers

ก่อนที่จะออกแบบให้เราพูดถึงหลักการทำงานที่ใช้ในการออกแบบ MEMS accelerometer และพิจารณาการตั้งค่ามวลสปริงที่แสดงด้านล่าง

ที่นี่มวลจะถูกแขวนด้วยสปริงสองอันในพื้นที่ปิดและการตั้งค่าจะถือว่าอยู่นิ่ง ตอนนี้ถ้าร่างกายเริ่มเคลื่อนที่ไปข้างหน้าอย่างกะทันหันมวลที่แขวนอยู่ในร่างกายจะสัมผัสกับแรงถอยหลังซึ่งทำให้เกิดการกระจัดในตำแหน่ง และเนื่องจากสปริงดิสเพลสเมนต์นี้ผิดรูปดังที่แสดงด้านล่าง

เราต้องประสบกับปรากฏการณ์นี้เช่นกันเมื่อนั่งอยู่ในยานพาหนะที่กำลังเคลื่อนที่เช่นรถยนต์รถบัสและรถไฟเป็นต้นดังนั้นจึงใช้ปรากฏการณ์เดียวกันนี้ในการออกแบบเครื่องวัดความเร่ง

แต่แทนที่จะเป็นมวลเราจะใช้แผ่นนำไฟฟ้าเป็นส่วนที่เคลื่อนที่ติดกับสปริง การตั้งค่าทั้งหมดจะเป็นดังที่แสดงด้านล่าง

ในแผนภาพเราจะพิจารณาความจุระหว่างแผ่นเคลื่อนที่ด้านบนและจานคงที่:

C1 = อี₀ A / d1

โดยที่ d ₁คือระยะห่างระหว่างพวกเขา

ที่นี่เราจะเห็นว่าค่าความจุ C1 เป็นสัดส่วนผกผันกับระยะห่างระหว่างด้านบนที่เคลื่อนแผ่นและจานคง

ความจุระหว่างแผ่นเคลื่อนที่ด้านล่างและจานคงที่

C2 = อี₀ A / d2

โดยที่ d ₂คือระยะห่างระหว่างพวกเขา

ที่นี่เราจะเห็นว่าค่าความจุ C2 เป็นสัดส่วนผกผันกับระยะห่างระหว่างแผ่นเคลื่อนที่ด้านล่างและจานคงที่

เมื่อร่างกายหยุดพักทั้งแผ่นด้านบนและด้านล่างจะอยู่ห่างจากแผ่นคงที่เท่ากันดังนั้นความจุ C1 จะเท่ากับความจุ C2 แต่ถ้าร่างกายเคลื่อนไปข้างหน้าอย่างกะทันหันแผ่นเปลือกโลกก็จะเคลื่อนออกไปตามที่แสดงด้านล่าง

ในเวลานี้ความจุ C1 จะเพิ่มขึ้นเมื่อระยะห่างระหว่างแผ่นด้านบนและแผ่นคงที่ลดลง ในทางกลับกันความจุ C2 จะลดลงเมื่อระยะห่างระหว่างแผ่นด้านล่างและจานคงที่เพิ่มขึ้น ความจุที่เพิ่มขึ้นและลดลงนี้เป็นสัดส่วนเชิงเส้นตรงกับความเร่งบนตัวถังหลักดังนั้นการเร่งความเร็วที่สูงขึ้นจะทำให้การเปลี่ยนแปลงสูงขึ้นและลดความเร่งลงน้อยกว่าการเปลี่ยนแปลง

ความจุที่แตกต่างกันนี้สามารถเชื่อมต่อกับ RC oscillator หรือวงจรอื่นเพื่อให้ได้การอ่านค่ากระแสหรือแรงดันไฟฟ้าที่เหมาะสม หลังจากได้ค่าแรงดันหรือค่ากระแสที่ต้องการแล้วเราสามารถใช้ข้อมูลนั้นเพื่อการวิเคราะห์เพิ่มเติมได้อย่างง่ายดาย

แม้ว่าการตั้งค่านี้สามารถนำมาใช้สำหรับการวัดอัตราเร่งที่ประสบความสำเร็จก็คือขนาดใหญ่และไม่ปฏิบัติแต่ถ้าเราใช้เทคโนโลยี MEMS เราสามารถย่อการตั้งค่าทั้งหมดให้มีขนาดไม่กี่ไมโครเมตรทำให้อุปกรณ์ใช้งานได้มากขึ้น

ในรูปด้านบนคุณจะเห็นการตั้งค่าจริงที่ใช้ใน MEMS accelerometer ที่นี่แผ่นตัวเก็บประจุหลายแผ่นจะถูกจัดเรียงทั้งในแนวนอนและแนวตั้งเพื่อวัดความเร่งทั้งสองทิศทาง แผ่นคาปาซิเตอร์มีขนาดไม่กี่ไมโครเมตรและการตั้งค่าทั้งหมดจะมีขนาดไม่เกิน 2-3 มิลลิเมตรดังนั้นเราจึงสามารถใช้เครื่องวัดความเร่ง MEMS นี้ในอุปกรณ์พกพาที่ใช้แบตเตอรี่เช่นสมาร์ทโฟนได้อย่างง่ายดาย

MEMS เซ็นเซอร์ความดัน

เราทุกคนรู้ดีว่าเมื่อใช้แรงกดกับวัตถุมันจะทำให้เครียดจนกว่าจะถึงจุดแตกหัก ความเครียดนี้แปรผันตรงกับความดันที่ใช้จนถึงขีด จำกัด ที่กำหนดและคุณสมบัตินี้ใช้ในการออกแบบเซ็นเซอร์ความดัน MEMS ในรูปด้านล่างคุณจะเห็นการออกแบบโครงสร้างของเซ็นเซอร์ความดัน MEMS

ที่นี่แผ่นตัวนำสองแผ่นติดตั้งอยู่บนตัวแก้วและจะมีสูญญากาศระหว่างกัน แผ่นตัวนำหนึ่งแผ่นได้รับการแก้ไขและแผ่นอื่น ๆ มีความยืดหยุ่นในการเคลื่อนย้ายภายใต้ความกดดัน ตอนนี้ถ้าคุณจะใช้เครื่องวัดความจุและใช้เวลาในการอ่านระหว่างสองขั้วเอาท์พุทแล้วคุณสามารถสังเกตเห็นค่าความจุระหว่างสองแผ่นขนานนี้เป็นเพราะการติดตั้งทั้งทำหน้าที่เป็นตัวเก็บประจุแผ่นขนานเนื่องจากมันทำหน้าที่เป็นตัวเก็บประจุแบบแผ่นขนานตามปกติคุณสมบัติทั้งหมดของตัวเก็บประจุทั่วไปจึงนำไปใช้กับมันในตอนนี้ ภายใต้เงื่อนไขที่เหลือขอเรียกความจุระหว่างแผ่นเปลือกโลกสองแผ่นที่จะC1

มันจะทำให้เสียรูปและเคลื่อนเข้าใกล้ชั้นล่างสุดดังแสดงในรูป เนื่องจากเลเยอร์เข้าใกล้ความจุระหว่างสองชั้นจึงเพิ่มขึ้น ดังนั้นที่สูงขึ้นระยะทางที่ลดความจุและลดระยะทางที่สูงกว่าความจุถ้าเราเชื่อมต่อความจุนี้กับ RC resonator เราจะได้สัญญาณความถี่ที่แสดงถึงความดัน สัญญาณนี้สามารถมอบให้กับไมโครคอนโทรลเลอร์เพื่อประมวลผลและประมวลผลข้อมูลต่อไป

MEMS ไมโครโฟน

การออกแบบไมโครโฟน MEMS นั้นคล้ายกับเซ็นเซอร์ความดันและรูปด้านล่างแสดงโครงสร้างภายในไมโครโฟน

ขอให้เราพิจารณาการติดตั้งที่เหลือและในเงื่อนไขเหล่านั้นความจุระหว่างแผ่นคงที่และไดอะแฟรมคือC1

หากมีเสียงรบกวนในสภาพแวดล้อมเสียงจะเข้าสู่อุปกรณ์ผ่านทางเข้า เสียงนี้ทำให้ไดอะแฟรมสั่นทำให้ระยะห่างระหว่างไดอะแฟรมและจานคงที่เปลี่ยนไปเรื่อย ๆ สิ่งนี้ทำให้ความจุ C1 เปลี่ยนไปเรื่อย ๆ หากเราเชื่อมต่อความจุที่เปลี่ยนแปลงนี้กับชิปประมวลผลที่สอดคล้องกันเราจะได้รับเอาต์พุตไฟฟ้าสำหรับความจุที่เปลี่ยนไป เนื่องจากความจุที่เปลี่ยนไปเกี่ยวข้องโดยตรงกับเสียงรบกวนในตอนแรกสัญญาณไฟฟ้านี้จึงสามารถใช้เป็นรูปแบบที่แปลงของเสียงอินพุตได้

MEMS Magnetometer

MEMS magnetometer ใช้สำหรับวัดสนามแม่เหล็กโลก อุปกรณ์ที่มีการสร้างขึ้นบนพื้นฐานของผลฮอลล์หรือแม๊กทานผลMEMS magnetometers ส่วนใหญ่ใช้ Hall Effect ดังนั้นเราจะพูดถึงวิธีนี้ใช้ในการวัดความแรงของสนามแม่เหล็ก สำหรับสิ่งนั้นให้เราพิจารณาแผ่นนำไฟฟ้าและให้ปลายด้านหนึ่งเชื่อมต่อกับแบตเตอรี่ดังแสดงในรูป

ที่นี่คุณสามารถเห็นทิศทางการไหลของอิเล็กตรอนซึ่งมาจากขั้วลบไปยังขั้วบวก ตอนนี้ถ้าแม่เหล็กถูกนำเข้าใกล้ด้านบนของตัวนำอิเล็กตรอนและโปรตอนในตัวนำจะกระจายออกไปดังแสดงในรูปด้านล่าง

ที่นี่โปรตอนที่มีประจุบวกจะรวมตัวกันที่ด้านหนึ่งของเครื่องบินในขณะที่อิเล็กตรอนที่มีประจุลบจะรวมตัวกันที่ด้านตรงข้ามกัน ในเวลานี้ถ้าเราใช้โวลต์มิเตอร์และเชื่อมต่อที่ปลายทั้งสองข้างเราจะได้รับการอ่าน นี้แรงดันอ่าน V1 เป็นสัดส่วนกับความแรงของสนามที่มีประสบการณ์โดยตัวนำด้านบน ปรากฏการณ์ที่สมบูรณ์แบบของรุ่นแรงดันไฟฟ้าโดยใช้สนามแม่เหล็กในปัจจุบันและที่เรียกว่าผลฮอลล์

หากระบบอย่างง่ายได้รับการออกแบบโดยใช้ MEMS ตามแบบจำลองข้างต้นเราจะได้ตัวแปลงสัญญาณที่ตรวจจับความแรงของสนามและให้เอาต์พุตไฟฟ้าตามสัดส่วนเชิงเส้น

MEMS Gyroscope

MEMS ไจโรสโคปเป็นที่นิยมมากและถูกนำไปใช้ในหลาย ๆ ตัวอย่างเช่นเราสามารถค้นหาไจโรสโคป MEMS ได้ในเครื่องบินระบบ GPS สมาร์ทโฟน ฯลฯ เครื่องวัดการหมุนวน MEMS ได้รับการออกแบบโดยอิงจากผล Coriolis เพื่อให้เข้าใจหลักการและการทำงานของเครื่องวัดการหมุนวน MEMS ให้เราพิจารณาโครงสร้างภายในของมัน

ที่นี่ S1, S2, S3 & S4 คือสปริงที่ใช้สำหรับเชื่อมต่อวงนอกและวงที่สอง ในขณะที่ S5, S6, S7 & S8 เป็นสปริงที่ใช้สำหรับเชื่อมต่อลูปที่สองและมวล 'M' มวลนี้จะสะท้อนไปตามแกน y ดังแสดงในทิศทางในรูป นอกจากนี้เอฟเฟกต์การสั่นพ้องนี้มักทำได้โดยใช้แรงดึงดูดไฟฟ้าสถิตในอุปกรณ์ MEMS

ภายใต้สภาวะพักความจุระหว่างเพลตสองแผ่นที่ชั้นบนสุดหรือด้านล่างจะเท่ากันและจะยังคงเหมือนเดิมจนกว่าจะมีการเปลี่ยนแปลงระยะห่างระหว่างจานเหล่านี้

สมมติว่าถ้าเราติดตั้งชุดนี้เข้ากับดิสก์หมุนจะมีการเปลี่ยนแปลงตำแหน่งของเพลตตามที่แสดงด้านล่าง

เมื่อติดตั้งการตั้งค่าบนดิสก์หมุนดังที่แสดงการสั่นพ้องของมวลภายในการตั้งค่าจะพบกับแรงที่ทำให้เกิดการกระจัดในการตั้งค่าด้านใน คุณสามารถเห็นสปริงทั้งสี่ S1 ถึง S4 เสียรูปทรงเนื่องจากการกระจัดนี้ พลังนี้มีประสบการณ์โดยสะท้อนมวลเมื่อวางไว้อย่างกระทันหันบนดิสก์หมุนสามารถอธิบายได้โดยโบลิทาร์ผล

หากเราข้ามรายละเอียดที่ซับซ้อนไปก็สามารถสรุปได้ว่าเนื่องจากการเปลี่ยนทิศทางอย่างกะทันหันจึงมีการกระจัดอยู่ในชั้นใน การกระจัดนี้ยังทำให้ระยะห่างระหว่างแผ่นคาปาซิเตอร์ทั้งชั้นล่างและชั้นบนเปลี่ยนไป ตามที่อธิบายไว้ในตัวอย่างก่อนหน้านี้การเปลี่ยนแปลงระยะทางทำให้ความจุเปลี่ยนไป

และเราสามารถใช้พารามิเตอร์นี้เพื่อวัดความเร็วในการหมุนของดิสก์ที่วางอุปกรณ์

อุปกรณ์ MEMS อื่น ๆ อีกมากมายได้รับการออกแบบโดยใช้เทคโนโลยี MEMS และยังมีจำนวนเพิ่มขึ้นทุกวัน แต่อุปกรณ์เหล่านี้มีความคล้ายคลึงกันในการทำงานและการออกแบบดังนั้นการทำความเข้าใจกับตัวอย่างบางส่วนที่กล่าวถึงข้างต้นเราจึงสามารถเข้าใจการทำงานของอุปกรณ์ MEMS อื่น ๆ ที่คล้ายคลึงกันได้อย่างง่ายดาย