Информационный портал по технологиям производства электроники
Применение микро-электро-механических систем - ЭЛИНФОРМ
На главную страницу Обратная связь Карта сайта


Продвижение продукции, услуг и решений Реклама на портале
Подготовка технических и аналитических материалов, обзоры, информационный мониторинг Информационные услуги
Профессиональный перевод технических материалов: статей, инструкций, руководств, стандартов и проч. Технический перевод
Подписка на новости Подписаться на новости



Авторизация


Главная » Техническая информация » Статьи » Применение микро-электро-механических систем
24 июня 2007

Применение микро-электро-механических систем

Введение

Микро-электро-механические системы (MEMS) – одна из наиболее передовых технологий, позволяющая не только значительно улучшить характеристики электронной аппаратуры, но и создавать устройства для решения задач в совершенно новых областях.
MEMS устройства представляют собой электронные схемы, механические узлы и чувствительные элементы, выполненные в виде одного компонента с использованием технологических приемов, применяемых для производства микросхем. Фактически технология MEMS позволяет дополнять традиционную электронную схему датчиками и исполнительными механизмами, достигая тем самым интегрированного изготовления законченной системы.
Современные MEMS также часто содержат в себе оптические компоненты. Такие MEMS иногда выделяют в отдельную группу (называемую MOEMS), в основном, из-за конструктивных различий, поскольку MOEMS требуют наличия прозрачных для света окон в корпусе, что иногда является проблемой из-за требований к герметичности.
В настоящее время MEMS уже получили широкое распространение в отдельных областях (например, в автомобильной электронике), но потенциал данной технологии далеко не исчерпан. Во многих областях MEMS только начинают применяться. Кроме того, постоянное развитие самой технологии, позволяющее создавать все более миниатюрные изделия, открывает перспективу новым областям применения электроники, таким как контроль атмосферы взвешенными в ней датчиками, внедрение в кровеносную систему человека устройств для очистки артерий и другие [1].

Преимущества MEMS

Как упоминалось выше, MEMS изготавливаются с помощью тех же технологических приемов, что и интегральные микросхемы (ИМС), поэтому MEMS наследуют большинство преимуществ ИМС над схемами из дискретных компонентов. К данным достоинствам добавляются и те, которые вызваны возможностью интеграции электроники с механическими, оптическими и прочими узлами. Основными преимуществами технологии MEMS являются следующие.

  • Малый разброс параметров в пределах изделия. Изготовление компонентов в едином технологическом цикле позволяет получать практически неотличимые параметры у одинаковых компонентов. При этом значительно упрощается задача компенсации технологического разброса параметров схемотехническими или конструкторскими методами.
  • Высокая технологичность и повторяемость. При изготовлении MEMS в основном применяются хорошо отработанные и управляемые технологические процессы, что позволяет получать изделия с желаемыми характеристиками. Отсутствие сборочных операций повышает технологичность сложных систем и увеличивает гибкость конструирования устройств, построенных на основе MEMS.
  • Микроминиатюрность. Применение технологии микросхем позволяет получать микромеханические и оптические узлы значительно меньших размеров, чем это возможно по традиционным технологиям.
  • Высокая функциональность. Миниатюрность изделия и возможность изготовления датчиков, обрабатывающих схем и исполнительных механизмов в одном устройстве позволяет создавать законченные системы достаточно большой сложности в одном корпусе, сравнимом по размерам с ИМС. Это открывает широкие возможности перед разработчиками конечных устройств, поскольку позволяет выполнять разработку на основе готовых решений не в ограниченной электронной части устройства, а на уровне законченных функциональных модулей.
  • Улучшенные характеристики функционирования. Электронная часть, а также электрические каналы связи с датчиками и механизмами, выполненные по интегральной технологии и имеющие малые размеры, позволяют улучшить такие характеристики, как рабочие частоты, ЭМС, соотношение сигнал/шум и т.п. Применение механически управляемой оптики позволяет использовать MEMS для обработки оптических сигналов без преобразования сигнала из оптического в электрический и обратно. Высокая точность и повторяемость чувствительных элементов, и их интегральное изготовление вместе с обрабатывающей схемой позволяет значительно повысить точность измерений. Также повторяемость и точность исполнения механических компонентов улучшает их характеристики.
  • Высокая надежность и стойкость к внешним воздействиям. Факторов, приводящих к повышению надежности и стойкости к внешним воздействиям изделий при применении MEMS, достаточно много, и они зависят от конкретного типа изделия и его применения. Как и для микросхем, надежность MEMS выше, чем надежность аналогичной системы, собранной из дискретных компонентов благодаря интегральной технологии. Механические узлы MEMS в условиях вибраций и ударов, как правило, работают лучше благодаря малым размерам и массе, а также тому факту, что механические узлы расположены в корпусе MEMS, амортизированном выводами и конструкцией ПП. Также большей надежностью и долговечностью обладают оптические системы, поскольку они располагаются в герметичном корпусе малых размеров, и воздействие среды на оптические поверхности минимально.
  • Низкая стоимость. Как и для ИМС, стоимость устройств на основе MEMS значительно ниже, чем устройств, построенных без применения интегральной технологии, что происходит в первую очередь благодаря высокой технологичности и возможности конструирования на основе серийно выпускаемых функционально законченных компонентов. Применение MEMS уменьшает стоимость как механической, так и электронной частей устройства, поскольку обрабатывающая электроника интегрирована в MEMS компонент, что позволяет избежать дополнительных соединений и, в некоторых случаях, согласующих схем. Следует отметить, что выигрыш в стоимости конечного изделия при применении MEMS в большой степени зависит от серийности самого изделия и компонентов MEMS, в него входящих. Как и ИМС, технология MEMS требует достаточно сложного и дорогого оборудования и оправдывает себя при достаточных объемах выпуска.

Основные преимущества MEMS определили области применения, в которых они к настоящему времени получили наиболее широкое распространение. Это те области, в которых требуются либо простые, но миниатюрные и повторяемые изделия при достаточно больших объемах выпуска и ограничениях на стоимость конечного изделия, либо сложные специализированные высокоточные, сверхмикроминиатюрные и высоконадежные изделия: автомобильная электроника, мобильные телефоны и миниатюрные бытовые устройства, ноутбуки, телекоммуникационные устройства, а также военная, медицинская, научная и другая специализированная техника.

MEMS в автомобильной электронике

Автомобильная промышленность стала первой областью, где технология MEMS стала применяться серийно. В автомобильной технике применение MEMS оказалось экономически оправдано и позволило улучшить функциональность и надежность различных систем, и в первую очередь, систем безопасности водителя и пассажиров.

Структура MEMS-акселерометра

Рис. 1. Структура MEMS-акселерометра (Фото с сайта www.analog.com)

Первое серийное коммерческое применение MEMS относится к девяностым годам. Им стали акселерометры подушек безопасности. Стоимость акселерометра, выполненного по технологии MEMS, составляла около $10, в то время как акселерометры, собранные из дискретных элементов, стоили около $50 [1]. Поскольку размер MEMS-акселерометра достаточно мал, он хорошо реагирует на резкое замедление автомобиля, а низкая стоимость изделия позволяет в современных автомобилях устанавливать набор датчиков, управляющих несколькими подушками безопасности, повышая тем самым безопасность водителя и пассажиров. Кроме того, датчики MEMS используются для определения параметров человека, таких как рост, вес, реакция на ускорение, что позволяет создавать «умные» подушки безопасности, учитывающие при срабатывании особенности каждого пассажира и водителя.
При разработке современных автомобилей потребность в качественных и надежных датчиках крайне высока, поэтому MEMS находят в этой области все новые и новые применения, такие как датчики давления различных систем (в том числе топливной), датчики потока воздуха, давления в шинах, элементы систем безопасности движения, таких как антиблокировочная, антипробуксовочная, система распределения торможения, автоматические системы натяжения ремней безопасности и блокировки замков, датчики для корректировки направления света фар.
Также MEMS применяются в охранных системах автомобиля. Одним из примеров может служить использование MEMS-гироскопов для отслеживания наклона автомобиля, что позволяет охранной системе среагировать на попытку кражи с помощью автофургона.
Навигация транспортного средства – область, в которой также используются MEMS-устройства. Обычно навигационная система строится на основе приемника спутниковых сигналов, например, системы GPS. Однако часто возникают ситуации, когда прием радиосигнала невозможен: мосты, тоннели, другие сооружения и элементы ландшафта могут экранировать сигнал. Поэтому возникает потребность в отслеживании движения автомобиля в периоды недоступности сигнала. Для решения этой задачи применяются MEMS-датчики: акселерометры, устанавливающиеся в трансмиссию автомобиля, гироскопы, основанные на эффекте Кориолиса, и магнитометры. Совместное действие этих систем позволяет осуществлять навигацию в течение определенного времени, при этом накопление ошибок исключается спутниковой системой, когда прием сигналов возобновляется.
Системы навигации на MEMS применяются и в переносных навигационных системах. Поскольку системы GPS потребляют большую мощность, MEMS-устройства в этом случае применяются также для увеличения времени работы от аккумуляторов за счет более редких обращений к системе GPS [2].

MEMS в вычислительной и бытовой технике

Если в автомобильной электронике MEMS применяются в основном как датчики и системы обработки информации, то в компьютерной технике они нашли свое место также и в качестве микроприводов. Это прежде всего микрофорсунки струйных принтеров и микроприводы систем зеркал проекционных систем.
Благодаря своим миниатюрным размерам, MEMS активно применяется в мобильных и карманных компьютерах, таких как ноутбуки, КПК, а также в бытовых устройствах, которые все чаще своими системами управления и интерфейсами пользователя напоминают компьютеры.
Интерфейсы карманных устройств часто представляют собой многоуровневые системы меню, для работы с которыми требуется многократное нажатие клавиш. Это затрудняет работу и уменьшает надежность изделий. На основе MEMS-акселерометров, чувствительных во всех трех направлениях, возможно создание устройств, управляемых движением. Таким образом, при отсутствии большого количества механических компонентов, работа с карманным устройством может превратиться во «взмах руки». Простейшими из таких функций являются включение подсветки дисплея, когда карманное устройство берут со стола, изменение ориентации информации на дисплее КПК с книжной на альбомную и обратно при его повороте и выключение сигнала мобильного телефона, когда он кладется на стол дисплеем вниз. Те же возможности применяются и в таких устройствах, как пульты игровых приставок.
Еще одним крайне важным применением MEMS является стабилизация изображения. MEMS-гироскопы позволяют избежать «смазывания» картинки при фотографировании и видеосъемке портативными устройствами «с рук». Это особенно важно для камер мобильных телефонов, поскольку применение MEMS позволяет решить эту проблему без существенного увеличения габаритов, массы и стоимости изделия.
Сами камеры в мобильных изделиях, а также некоторые миниатюрные скрытые камеры охранных систем, тоже представляют собой MEMS (MOEMS) устройства.

Цифровая MEMS-камера

Рис. 2. Цифровая MEMS-камера (Фото из статьи [3])

 Современные карманные устройства, такие как КПК и MP3 плееры, часто содержат в себе жесткие диски. Но эти устройства, к сожалению, часто падают. В момент падения незапаркованная головка диска может повредить его поверхность. С помощью MEMS-акселерометра можно избежать данной проблемы. Датчик регистрирует состояние свободного падения по отсутствию силы тяжести и дает команду на парковку головок до момента удара устройства о пол.
MEMS-акселерометры также могут применяться в аудиосистемах для компенсации гармонических искажений конструкцией активных сабвуферов путем измерения параметров вибрации.
Еще одним специфическим применением MEMS-акселерометров являются системы, направленные против краж бытовой и компьютерной техники. Благодаря малым размерам и высокой функциональности MEMS-устройство со встроенным акселерометром может не только фиксировать передвижение даже небольшого изделия, но и по характеристикам этого движения принимать решение, является ли это нормальной ситуацией или изделие пытаются украсть.

MEMS в беспроводных технологиях

Беспроводные технологии проникают во многие области техники от персональных систем связи и навигационных систем до решений для медицины, когда устройство, введенное в организм человека, передает сигналы о его состоянии на внешние приемники. Расширение области применения беспроводных устройств требуют развития сложных микроминиатюрных систем, позволяющих работать в широком спектре частот с различными ограничениями на дальность и мощность сигнала. Так, например, современные мобильные телефоны при ограниченных размерах и весе фактически содержат в себе несколько беспроводных систем, таких как GSM, BlueTooth, WiFi, 3G и другие.
Все это ясно указывает на необходимость разработки РЧ-устройств на одном кристалле. Эту возможность предоставляет технология MEMS. Многие дискретные компоненты РЧ-каналов, например РЧ-реле, варикапы, резонаторы с высокой добротностью, фильтры, могут быть выполнены интегрированно в MEMS-устройствах.

Устройство MEMS-резонатора

Рис. 3. Устройство MEMS-резонатора серии EMO фирмы Ecliptek Corporation (Рисунок с сайта www.future-mag.com, перевод ЭЛИНФОРМ)

Недавно появилась новая технология для РЧ-решений, называемая “above-IC” (AIC). Данная технология позволяет устанавливать РЧ MEMS-устройства непосредственно на ИМС с применением толстых медных пленок, совместимых с КМОП, БиКМОП и арсенид-галлиевой технологиями [4].
Сейчас применение подобных решений в промышленности только начинается <[4]. Далеко не все РЧ-компоненты могут быть заменены MEMS-структурами из-за технологических ограничений, однако есть предположение, что с развитием технологии в будущем удастся полностью отказаться от применения дискретных РЧ-компонентов.

MEMS в оптических каналах связи

Особой областью применения MEMS (MOEMS) являются телекоммуникационные устройства, работающие по оптическим каналам связи. Важным достоинством MEMS является возможность работы на микроуровне непосредственно с лучом света. Оптические переключатели (switches), могут быть построены на основе микромеханики или микроструйной технологии [5]. Микромеханические переключатели на данный момент признаются наиболее надежными и гибкими. Они представляют собой системы микрозеркал, управляемых микроприводами, насчитывающие от сотен до тысяч зеркальных поверхностей на одном кристалле. При подаче напряжения на микропривод зеркальная поверхность сдвигается и остается в этом положении, пока не будет дана команда на следующее перемещение. Зеркала могут передвигаться вдоль двух (2D) либо трех (3D) осей в зависимости от типа MEMS-устройства.

2D-микрозеркало

Рис. 4. 2D-микрозеркало (Фото из статьи [6])

 Тот факт, что переключение луча осуществляется без преобразования свет –электрический сигнал – свет, позволяет избежать ограничений спектра и искажений сигнала.

Оптический MEMS-переключатель

Рис. 5. Оптический MEMS-переключатель на 80 портов (Фото с сайта www.elecdesign.com)

 Оптические переключатели – на сегодняшний день наиболее активная область применения MEMS в оптических каналах, однако она не является единственной. MEMS также применяются в активных источниках, управляемых фильтрах, переменных оптических аттенюаторах и устройствах коррекции.

Промышленные применения MEMS

В электронике для промышленности MEMS находит различное применение, но в основном это контроль механических воздействий.
Одним из таких применений является использование MEMS-акселерометров для измерения характеристик вибрации оборудования. Низкая стоимость и высокая достоверность результатов позволяет устанавливать набор MEMS-датчиков на оборудование и производить с их помощью мониторинг вибрации, определяя неточности в балансировке движущихся частей. Это позволяет повысить качество технологических процессов и увеличить время жизни инструментов обрабатывающих станков.
Этот же метод может применяться и в бытовой технике, например в стиральных машинах.
Еще одно новое применение MEMS находит в задачах транспортировки грузов. Вновь благодаря миниатюрным размерам и невысокой стоимости MEMS-датчики могут быть установлены на перевозимые контейнеры для контроля и регистрирования возможных ударов, их значений и момента времени, когда они произошли.

MEMS в медицинской и спортивной технике

В медицинской и спортивной технике находят применение как MEMS-акселерометры, так и другие датчики, в том числе, на основе микроструйной технологии. В основном, они применяются для мониторинга состояния организма и контроля физических нагрузок.
На базе MEMS-акселерометров строятся беспроводные шагомеры, которые устанавливаются, например, в кроссовки и фиксируют пройденный путь, скорость и другие параметры.
Также MEMS-датчики применяются для измерения артериального давления, числа потраченных калорий, длительности упражнений и перерывов в них и т.п.

Микроструйные MEMS

Микроструйные (microfluidic) MEMS имеют широчайшую область применения, но основным их использованием является создание диагностических устройств для мониторинга окружающей среды, определения сохранности продуктов, применяемых в сельском хозяйстве и здравоохранении [2].
Фактически системы с интегрированными микроструйными элементами способны привести к замене стационарных лабораторий портативными диагностическими устройствами.

MEMS-структура

Рис. 6. MEMS-структура (Фото с сайта www.st.com)

Некоторые особенности применения MEMS

MEMS устройства, как уже говорилось, имеют много общего с интегральными микросхемами, поэтому производители MEMS стремятся к тому, чтобы их изделия максимально вписывались в технологию сборки устройств на ИМС. В частности, когда возможно, MEMS выпускаются в тех же формфакторах, что и ИМС. Однако из-за наличия в составе MEMS механических датчиков, оптических и микроструйных элементов, возникает ряд особенностей, касающихся как конструкции самих MEMS, так и конструирования и технологии изготовления устройств на их основе.

MEMS-акселерометр

Рис. 7. MEMS-акселерометр в корпусе ИМС (SOIC) (Фото с сайта www.analog.com)

Некоторые изделия MEMS имеют отверстия или светопрозрачные окна, что накладывает ограничения на применение отмывки и влагозащиты.
Механические MEMS-датчики значительно меньшие по размерам и весу, чем датчики, изготавливаемые без применения технологии MEMS, поэтому их реакция на механические воздействия отличается.

MEMS-датчик давления

Рис. 8. MEMS-датчик давления для поверхностного монтажа (Изображение с сайта www.sensorsportal.com)

 В случае применения в прецизионных устройствах, например, MEMS-акселерометры, выпускаемые в корпусах для поверхностного монтажа, являются хорошим решением, поскольку они монтируются непосредственно на плату вместе с остальной электроникой, что приводит к уменьшению размеров и улучшению технологичности.
В то же время, в устройствах для измерения вибрации такая конструкция может привести к недостаткам. Резонанс платы и корпуса MEMS-датчика могут привести к искажениям измерения, в особенности, если диапазон измеряемых частот достаточно широкий. Если корпус устанавливается на клей, резонанс корпуса пропадает. Однако если датчик должен быть установлен, например, на мотор или механизм, по всей видимости, он должен быть защищен, и в этом случае более подходящим является литой пластиковый корпус или корпус из нержавеющей стали [7].
Поэтому, хотя MEMS и позволяют выполнять их в корпусах микросхем, далеко не всегда эта конструкция применяется.

Перспективы

Безусловно, приведенные примеры не исчерпывают всех областей применения MEMS, которые продолжают расширяться вместе с развитием самой технологии. Технология MEMS позволяет выполнять на кристалле различные устройства, такие как микрофоны, резонаторы с высокой добротностью, датчики давления. Постепенно преодолеваются трудности с формированием тех или иных новых элементов структуры.

MEMS-микрофон

Рис. 9. MEMS-микрофон для поверхностного монтажа (Фото с сайта www.engineerlive.com)

Уже сейчас видны некоторые перспективы применения MEMS, такие как «умные дороги» – системы, встроенные в дорожное покрытие для контроля их состояния, контроль качества приготовления пищи в бытовых духовках и микроволновых печах по составу испарений, РЧ-системы на одном кристалле, медицинские зонды, внедряемые в человеческое тело.
Большим преимуществом технологии MEMS является функциональная законченность устройств, что позволит в ближайшем будущем создавать недорогие специализированные устройства с высокой функциональностью.

Список использованных источников

  1. MEMS Applications
    www.allaboutmems.com
  2. MEMS Micro-Electro-Mechanical System, ST Microelectronics
    www.st.com
  3. MEMS Digital Camera R.C. Gutierrez*, T.K. Tang, R. Calvet, E.R. Fossum Siimpel Corporation, 400 East Live Oak Ave., Arcadia, CA 91006 USA
    SPIE Electronic Imaging – Digital Photography III January 28-29, 2007 San Jose California USA
    Proc. SPIE vol. 6502 paper 36
    www.siimpel.com
  4. MEMS in Wireless
    www.allaboutmems.com
  5. MEMS in Optical Networks
    www.allaboutmems.com
  6. An Introduction to MEMS Optical Switches. Prepared for Penny Beebe Engineering Communications Program, Joseph M. Ballantyne School of Electrical and Computer Engineering by Meng Fai Tung School of Electrical and Computer Engineering, December 13, 2001
    http://132.236.67.210/engrc350/ingenuity/Tung_MF_issue_1.pdf
  7. Using iMEMS Accelerometers in Instrumentation Applications. James Doscher, Marketing Manager. Analog Devices
    www.analog.com
  8. MEMS and Nanotechnology Applications/ MEMS and Nanotechnology Clearinghouse
    www.memsnet.org
  9. Surface mount microphone creates new options for manufacturers. Engineer Live
    www.engineerlive.com
  10. Ecliptek Corporation Offers New EMO™ Series MEMS Surface Mount Oscillators. Technology Magazine
    www.future-mag.com
  11. Surface Mount MEMS Pressure Sensor. Sensors & Transducers e-Digest, Vol. 78, Issue 4, April 2007: Product News
    www.sensorsportal.com
  12. 3D MEMS-Based Optical Switch Handles 80-By-80 Fibers
    www.elecdesign.com

Оцените материал

Оценка полезности информации:
Оценка полноты информации:  
Оценка изложения информации:  
Комментарий:  
 



Ссылки по теме

Классификатор

Технологии » Микро-Электро-Механические Системы (MEMS)

Последние новости

Институт радиотехнических и телекоммуникационных систем активно реализует новый проект «Радиоинжиниринг»
подробнее
Компания Остек-Тест на 14-й Международной выставке испытательного и контрольно-измерительного оборудования Testing & Control
подробнее
Низкопрофильные осциллографы на базе серии WaveRunner 8000R с полосой пропускания до 4 ГГц
подробнее
«Диполь» на выставке «3D Print Expo»
подробнее
Триальная карта Микрона - новый универсальный инструмент для умного транспорта
подробнее
На склад АО «ПРИСТ» поступила партия миллиомметров Е6-25
подробнее
Учебно-консультационный центр НПП «Родник» приглашает на курс «Методология и инструменты эффективного проектирования печатных плат со скоростными приложениями в САПР Altium Designer»
подробнее
© “Элинформ” 2007-2017.
Информационный портал для производителей электроники:
монтаж печатных плат, бессвинцовые технологии, поверхностный монтаж, производство электроники, автоматизация производства