MEMS » Jednostavno objašnjeni mikro elektroničko-mehančki sustavi
Objavljeno: 23. kolovoz 2024 | Trajanje čitanja: 7 minut
Malo ljudi zna nešto o kratici „MEMS“ ili o pojmu MEMS senzor. Pritom je svatko već jednom doživio primjenu i praktične prednosti MEMS senzora. Na primjer, ako je dovoljna jednostavna rotacija pametnog telefona kako bi slika prikazana na zaslonu bila veća i stoga bolje vidljiva.
Kako bi se moglo primijeniti ovo jednostavno rješenje, na telefonu su potrebni posebni MEMS senzori koji mogu prepoznati rotacijske pokrete i ubrzanja. Što je na pametnom telefonu zgodna sitnica, na mnogim drugim područjima tehnike to je postalo neizbježnom nužnošću.
Za nas je to valjani razlog kako bi MEMS senzore i tehniku koja stoji iza toga malo preciznije pojasnili.
-
Što znači MEMS?
-
Kako se izrađuju MEMS-i?
-
Što su MEMS senzori?
-
Kako djeluju MEMS senzori?
-
Gdje se koriste MEMS senzori?
-
Kakva je budućnost MEMS tehnike?
Naziv "MEMS" je kratica za Micro-Electro-Mechanical-Systems, tj. za mikro elektro-mehaničke sustave. Prema imenu, MEMS je kombinacija mehanike i elektronike u malom prostoru. Razlog razvoja MEMS tehnologije u konačnici je bio logična posljedica toga da su klasična precizna mehanika i precizni inženjering za elektroničke uređaje dosegli svoje granice već u 1980-ima.
Iako je konvencionalna obrada materijala idealno omogućila tolerancije s djelićem milimetra, to je bilo previše grubo. Pogotovo kada se trebaju proizvesti kompletne komponente i strukture, čije su ukupne dimenzije značajno ispod milimetra. To se može učiniti samo kombinacijom mikroelektronike i mikromehanike.
Na taj se način aktivatori poput pumpi, motora, mikrofona, zvučnika ili senzora mogu proizvesti u sitnom dizajnu. Čak i u medicini, ova se tehnologija sve više koristi za biometrijske senzore. Zahvaljujući MEMS mikrofonima i MEMS zvučnicima, moderna slušna pomagala su izuzetno neupadljiva i gotovo nisu vidljiva. Usput, termo glava za ispis tintnog pisača također je sustav koji radi na bazi MEMS-a.
Budući da se dimenzije mehaničkih komponenti MEMS-a ne kreću u milimetarskom rasponu (mm), već u rasponu mikrometra (µM), tijekom proizvodnje treba krenuti potpuno novim putevima. Međutim, koristi se dobro poznata i već dokazana tehnologija. Kao i kod proizvodnje poluvodičkih čipova za integrirane krugove (ICS), strukture komponenti MEMS-a izgrađene su na pločici od silicija (silikonska poluvodička pločica). Za strukturu i proizvodnju MEMS komponenti koriste se različite metode za površinsku mikro obradu:
Fotolitografija
Kod fotolitografije, potrebna područja funkcijskog sloja (1) zaštićena su foto-lakom (2) tijekom postupka jetkanja.
To se prije svega primjenjuje kao homogeni sloj u postupku centrifuge (vidi gornju ilustraciju skice).
S naknadnim osvjetljenjem foto-laka (vidi srednju sliku skice), radi se maskom (3), koja potrebna i nepotrebna područja oštro ograničava.
Ako je upotrijebljen pozitivan lak, osvjetljena područja foto-laka odvajaju pri razvoju (vidi donju sliku skice).
U slučaju negativnog laka, odvajaju se osjenjena područja. Tada se pločica može ujetkati.
Jetkanje
Kako bi se stvorile potrebne strukture u siliciju, koriste se konvencionalni postupci vlažnog kemijskog, ali i suhog kemijskog jetkanja. Kod reaktivnog ionskog jetkanja radi se o kemijsko-fizičkom postupku suhog jetkanja koji nudi posebne mogućnosti u proizvodnji MEMS-a. U plinskoj plazmi generiraju se pozitivno nabijeni ioni i ciljaju na negativnu elektrodu sa silikonskim pločicama.
Kod sudara, ioni odvajaju materijal s površine (fizikalno jetkanje). Anizotropni profil jetkanja nastaje prema smjeru kretanja iona (vidi gornju ilustraciju).
Promjenom parametara procesa (tlak, razmak ploča, protok plina ili snage generatora) može se utjecati na ponašanje iona pri postupku jetkanja. Tada se više ne ponašaju na ciljani način, već stalno mijenjaju smjer zbog sudara.
Postupak jetkanja je sada neusmjeren (izotropan) i ima kemijski karakter zbog reakcije slobodnih radikala na površini. Kao rezultat toga, zbog foto laka može se prodrijeti u zaštićena područja (vidi nižu ilustraciju).
Odvajanje
U slučaju taloženja atomskih slojeva (ALD za Atomic Layer Deposition), čak su i atomski slojevi u nano području izgrađeni površinskom reakcijom sa supstratom. Čak i složene strukture s udubljenjima mogu se optimalno obložiti kada je postupak prikladan. Ovisno o potrebnoj funkciji, koristi se širok izbor tvari.
Odabir materijala ovisi o tome treba li koristiti električna, toplinska, piezo-električna, magnetska ili mehanička svojstva slojeva.
Odvajane može biti selektivno ili se u naknadnom postupku jetkanja stvara strukturirani funkcionalni sloj.
Spajanje
Kod spajanja se međusobno povezuju slojevi silikonskih pločica. To se može učiniti izravno kroz molekularno ili anodno spajanje (vidi lijevu skicu na slici).
Alternativno, mogu se koristiti i međuslojevi stakla, metala ili ljepila (vidi desnu skicu).
Stvaranje 3D struktura
U slučaju mikromehaničkih sustava, za mnoge je primjene potrebno postojanje struktura i komponenti koje se mogu kretati u određenoj veličini. To djeluje samo ako su strukture oblikovane u skladu s tim i pravilno pohranjene ili usidrene u sustavu. SOI pločice (silicij na izolatoru) koriste se za stvaranje trodimenzionalnih pokretnih struktura.
Kod tih poluvodičkih pločica izolacijski oksidni sloj (3) utaknut je između potpornog supstrata od silicija (1) i aktivnog jednokristalnog silikonskog sloja (2). Odgovarajućim metodama jetkanja može se ukloniti oksidni sloj pod strukturom i tako napraviti pokretne mikrokomponente (4).
Kombinacija proizvodnih procesa
Kombinacijom gore navedenih metoda proizvodnje odn. višestrukim odvajanjem i jetkanjem tankih strukturnih slojeva i zaštitnih slojeva može se stvoriti u različitim mikromehaničkim strukturama i udubljenjima. Dimenzije postignutih pojedinih komponenti značajno su manje od promjera ljudske lasi, što je oko 50 - 80 µm.
Priložena slika prikazuje mali dio MEMS senzora koji ilustrira izuzetno male, a opet čisto proizvedene strukture.
Strojni proces u proizvodnji MEMS -a osigurava brzu proizvodnju i uvijek dosljedno visoku kvalitetu. Uz to, ogromne količine i niska upotreba materijala omogućuju jeftinu masovnu proizvodnju.
Izvor slike: Robert Bosch GmbH
MEMS tehnologija idealna je za širok izbor senzora. MEMS senzori za ubrzanje i brzinu okretaja mogu se izvrsno realizirati s MEMS tehnologijom. Stariji senzori mogli su shvatiti pokret samo u jednom smjeru. U modernim senzorima, kao što su senzorski čip MPU-6050, senzor ubrzanja s 3 osi i senzor brzine okretaja s 3 osi (žiroskop) integrirani su u kućište koje je samo 4 x 4 mm.
Zbog toga što treba malo prostora, ovaj MEMS senzor može se lako primijeniti u različite uređaje. Ali ovaj senzorski čip također je popularan u razvoju ili obrazovanju, kao što pokazuje ova senzorska pločica za razvojne setove poput Arduina ili Raspberry Pia.
Suprotno tome, kod inteligentnih senzora također je uobičajeno da su MEMS mehanika i analitička elektronika, uključujući digitalnu obradu signala, samostalne ugradbene skupine.
Pojedinačne ugradbene skupine spajaju su zajedno samo kod proizvodnje senzora unutar kućišta čipa.
Ostali popularni senzori u kojima se MEMS tehnologija sve više koristi su senzori protoka, senzori tlaka, senzori nagiba, temperaturni senzori i senzori za plinove ili kvalitetu zraka.
Izvor slike: Robert Bosch GmbH
Najlakši način prikazivanja tehnologije i funkcije MEMS senzora je na akcelerometru. U slučaju akcelerometra, mikro strukture slične češlju stvaraju se prema gore spomenutom proizvodnom procesu.
Srednji element (1) je pokretna masa i drži se u srednjem položaju s opružnim elementima (2). Gornji element češlja (3) i donji element (4) čvrsto su spojeni s kućištem senzora.
Prekriveni zubi češljeva predstavljaju kondenzatore koji imaju određeni mjerljivi kapacitet zbog njihove veličine i trenutne udaljenosti između točaka priključaka A i C ili B i C.
Učinkovita područja kondenzatora prikazana su na skici zelenom bojom.
Princip djelovanja
Ovisno o ubrzanju ili kašnjenju, sila djeluje na akcelerometar, koji kontrolira pomičnu strukturu češlja iznutra s lijeve ili desne strane.
To mijenja relativni položaj zuba češlja. Kao rezultat, udaljenost između područja kondenzatora, a time i vrijednost kapaciteta također se mijenja.
Kad udaljenost postane manja, vrijednost kapaciteta se povećava. Ako je udaljenost veća, vrijednost kapaciteta pada. Ovisno o promjenama kapaciteta između spojnih točaka A i C ili B i C, digitalna elektronika senzora može odrediti jačinu i smjer ubrzanja.
Kao rezultat, kod gore spomenutog pametnog telefona slika je nakon okretanja prikazana ispravno i ne stoji naopačke.
Stvarna struktura
Skice u ovom odjeljku vrlo su jednostavne kako bi jasno objasnile strukturu i način djelovanja. U tu svrhu smo vrlo jasno pokazali otklon pokretne mase. Dvije priložene slike prikazuju stvarnu strukturu MEMS senzora.
Senzor ubrzanja
Izvor slike: Robert Bosch GmbH
Senzor brzine okretaja (žiroskop)
Izvor slike: Robert Bosch GmbH
Senzor brzine okretaja sastoji se od dva senzora ubrzanja koja su mehanički spojena preko dvostrukog križa. To omogućava snimanje okretaja oko osi. Ovaj složeni postupak jasno je objasnila tvrtka Bosch u ovom videu.
Kao što je već spomenuto na početku, MEMS senzori koriste se u mnogim mobilnim uređajima i pametnim uređajima. U prijenosnim računalima, na primjer, senzori ubrzanja prepoznaju pad tako da se glava za pisanje/čitanje tvrdog diska HDD može staviti u položaj parkiranja prije dara. MEMS su također vrlo popularni u tehnici vozila. Tamo, na primjer, oni reguliraju ESP funkciju, pokreću zračne jastuke u nesreći ili osiguravaju da navigacija i dalje djeluje, čak i ako se u tunelu ne dobiju GPS sateliti.
Industrijska proizvodnja ima prednost što su visokokvalitetni MEMS senzori dostupni vrlo jeftino. Zbog toga su proizvođači koptera i dronova sretni što se vraćaju na njih. Pametna MEMS tehnologija koristi se čak i u modelima u klasi ulaznih cijena kako bi se postigla izvrsna stabilnost leta.
Stabilizacija kamere s MEMS senzorima
U slučaju visokokvalitetnih modela koptera, mikromehanička stabilizacija držača kamene je dodatna korisna primjena. Budući da su pokreti ljuljanja automatski uravnoteženi u letu, apsolutno mirne i neklimave videozapise lako je stvoriti.
Ispravno električno mjerenje različitih fizičkih veličina i elektronička daljnja obrada informacija uvijek su bili poseban izazov. S MEMS tehnikom sada je dostupna tehnologija koja ne omogućava samo točne, robusne i izdržljive aktivatore i senzore. Zahvaljujući nanostrukturama i industrijskoj masovnoj proizvodnji, komponente postaju sve manje, snažnije i jeftinije. MEMS grana posljednjih godina nije uzalud doživjela ogroman rast. Budući da senzori igraju važnu ulogu u gotovo svakom području našeg mehaniziranog svijeta, MEMS tehnologija ostat će na putu rasta. Mi, potrošači, samo ćemo obavijestiti da su funkcije i značajke koje do sada nisu bile ostvarive u našim tehničkim uređajima sada moguće bez puno muke.