Датчики и микроактюаторы на основе MEMS-технологий

Практически пригодилось более 30 лет на то, чтоб появилось 1-ое коммерческое приложение MEMS. Одной из первых MEMS-технологий, получивших повсеместное распространение, стали датчики ускорения (акселерометры), устанавливаемые на данный момент фактически во все современные авто для детектирования столкновения и выпуска защитных воздушных подушек (SRS).

Компания Analog Devices, изготовившая 1-ые такие детекторы в 1993 г., на данный момент реализует автомобилестроителям 10-ки миллионов так именуемых MEMS-акселерометров в год. Акселерометры воздушных мешков рассматриваются как один из наилучших примеров MEMS-датчиков, предоставляющих изготовителям автомобилей сразу выигрыш в цены и свойствах.

Подходит время, когда то же самое можно будет сказать относительно устройств контроля давления в шинах, которые в текущее время интегрируются в серийно выпускаемые модели в ответ на закон по обеспечению безопасности.

Существует еще одна область, где MEMS могут содействовать внедрению электроники в автомобиль — это защита от боковых ударов при аварии. Специалисты считают, что это может внести большой вклад в реализации MEMS, если будут приняты более жесткие эталоны для защиты от бокового удара при аварии. Подобные меры позволят спасти тысячи жизней в год.

В накопителях на жестких дисках крутящиеся акселерометры могут употребляться для обнаружения ротационных перемещений, влияющих на размещение головки и способных привести к потере дорожки. Компенсация ротационных перемещений употребляется обычно в дорогих моделях дисководов, так как при издержек чуток большего времени на чтение и запись существенно меньше его требуется на восстановление позиционирования головки после удара.

Государственный институт эталонов и технологии США объявил о разработке маленького магнитного датчика, который может обнаруживать конфигурации магнитного поля порядка 50 пТ (это в миллионы раз слабее магнитного поля Земли). Прибор размером с рисовое зерно приблизительно в 100 раз меньше, чем современные датчики с аналогичной чувствительностью. Новый магнитный датчик можно сделать и собрать с внедрением имеющихся технологий микроэлектроники и MEMS. Новый магнетометр способен обнаруживать запрятанное орудие на расстоянии 12 м либо железную трубу поперечником 150 мм под землей на глубине 35 м.

Датчик работает на принципе обнаружения малозначительных конфигураций уровней энергии электронов в критериях магнитного поля. Маленький рубидиевый элемент греется в герметичной прозрачной ячейке до образования пара рубидия. Луч полупроводникового лазера пропускается через атомный пар. При наличии магнитного поля некое количество лазерного излучения абсорбируется атомами, и это находится фотоэлементом. Огромные магнитные поля вызывают пропорционально огромные конфигурации уровней атомной энергии и изменяют поглощение атома.

Планируется сделать «темный ящик», в каком будут применены нанодатчики массой несколько граммов. Подобные устройства будут служить для сбора данных о входе галактических объектов в земную атмосферу из космоса. После прохождения небезопасного высокоскоростного участка и входа в плотные слои атмосферы темный ящик будет «звонить домой» и передавать данные с внедрением спутника до посадки на землю либо водную поверхность. Для сопоставления: «темный ящик» промышленной авиации аналогичного предназначения (REBR) весит в районе 1кг. NASA намечает бывалые тесты REBR на борту невозвращаемой ракеты Delta II. Если тесты пройдут удачно, планируется использовать нанотехнику в экспедициях на Луну и Марс. Нанодатчики могут быть упакованы в мелкие сферы, которые будут употребляться на галлактическом корабле Crew Exploration Vehicle (CEV), разрабатываемом для подмены «челнока».

Нанотехника способна послужить для выполнения контрольных функций на борту. Зонды могут употребляться как разведывательные устройства, которые выбирают посадочного места для галактического корабля, либо для ориентирования корабля на незнакомой местности. Радиосигналы с нанозондов позволят экипажу знать, где он находится.

Нанотехника может также сыграть роль в полетах, использующих «аэрозахват», либо при входе в незнакомую атмосферу. В технике аэрозахвата планетарная атмосфера употребляется для конфигурации скорости корабля. Галактический корабль делает глубочайший «прыжок» в атмосферу для установления орбиты без использования горючего. Этот способ позволит уменьшить типовую массу межпланетного галактического корабля наполовину, позволяя использовать наименее дорогие тс. Разведывательный зонд может двигаться впереди галактического корабля и предоставлять данные о давлении и плотности атмосферы, определяя полетный коридор с устойчивым положением корабля и уменьшением степени риска при выполнении миссии аэрозахвата.

Важная составная часть большинства MEMS — микроактюатор (набросок 10.1). Обычно данное устройство конвертирует энергию в управляемое движение. Размеры микроактюаторов могут достаточно очень варьироваться. Спектр внедрения этих устройств очень широкий и при всем этом повсевременно вырастает. Так, микроактюаторы употребляются в робототехнике, в управляющих устройствах, в галактической области, в биомедицине, дозиметрии, в измерительных устройствах, в технологии утехи, в автомобилестроении и в домашнем хозяйстве.

К примеру, микроактюаторы необходимы для управления резонансными датчиками (они генерируют и передают им резонансную частоту), для управления режущими инструментами в микрохирургии. Это могут быть также разные микродвигатели, которые употребляются для управления микрореле, микрозеркалами и микрозажимами. Микроактюатором может быть даже микроэлектродное устройство для возбуждения мышечных тканей в неврологических протезах.

Набросок 10.1 — Микроактюатор в MEMS (изображение увеличено в 5000 раз)

Все способы активации (движение, деформация, приведение в действие) в таких устройствах коротко можно свести к последующим:

• электростатический,
• магнитный,
• пьезоэлектрический,
• гидравлический,
• термический.

При оценке использования того либо другого способа нередко используют законы пропорционального уменьшения размеров. Более многообещающими способами числятся пьезоэлектрический и гидравлический, хотя и другие имеют огромное значение. Электростатическая активация применяется приблизительно в одной трети микроактюаторов, и это, возможно, более общий и отлично разработанный способ; главные его недочеты — износ и слипание.

Магнитные микроактюаторы обычно требуют относительно огромного электронного тока, также на микроскопичном уровне. При использовании электростатических способов активации получаемый выходной сигнал на относительную единицу размерности лучше, чем при использовании магнитных способов. Другими словами, при одном и том же размере электростатическое устройство выдает несколько наилучший выходной сигнал. Термические микроактюаторы тоже потребляют относительно много электронной энергии; главный их недочет заключается в том, что генерируемое тепло приходится рассеивать.

Для оценки микроактюаторов употребляют такие аспекты свойства, как линейность, точность, погрешность, повторяемость, разрешение, гистерезис, пороговое значение, свободный ход, шум, сдвиг, несущая способность, амплитуда, чувствительность, скорость, переходная черта, масштабируемость, выход по энергии.Одной из самых многообещающих областей внедрения

MEMS многие специалисты в текущее время считают рынок телекоммуникаций. Еще в конце 2000 г. от Государственной лаборатории Sandia, принадлежащей министерству энергетики США, отпочковалась личная компания MEMX, занимающаяся вопросами коммерческого внедрения создаваемых в лаборатории MEMS-технологий. Компания сфокусировалась в собственной деятельности на оптических коммутаторах для оптоволоконных телекоммуникационных систем. В их базу положена фирменная разработка Sandia под заглавием SUMMiT V (от Sandia Ultraplanar Multilevel MEMS Technology). Это микромашинный процесс обработки поверхности кристалла напылением и травлением, обхватывающий 5 независящих слоев поликристаллического кремния — четыре «механических» слоя для построения устройств и один электронный для обеспечения межсоединений всей системы. Разработка позволяет доводить размеры механических частей до 1 мкм.

Что все-таки касается 1-го из электрических гигантов — компании Intel, то решение о развитии технологий MEMS было принято ею еще в 1999 г. На вешнем Форуме Intel для разработчиков в 2002 г. было не только лишь официально заявлено об интересе к микро-электромеханическим устройствам, да и провозглашена стратегическая значимость этого направления. Беря во внимание потенциал компании, как в сфере разработок, так и в производстве, значение этого заявления для рынка MEMS переоценить тяжело.

На заводе Intel была внедрена микроэлектромеханическая разработка, позволяющая сформировывать снутри либо на поверхности полупроводниковых кристаллов крохотные механические устройства — датчики, клапаны, шестерни, зеркала, исполнительные элементы.

Такие микроскопичные механические составляющие употребляются в устройствах, которые отличаются пониженным энергопотреблением и сверхкомпактными конструктивными чертами и делают вычислительные и коммуникационные функции. Ведутся исследования вероятных применений этих технологий в антеннах, экранах, настраиваемых фильтрах, конденсаторах, индукторах и микрокоммутаторах.

В 2004 г. Intel начала предлагать своим партнерам для интеграции в мобильники радиочастотные front-end-модули, построенные по технологии MEMS. В схожий модуль интегрировано около 40 пассивных частей, что позволяет сберечь до 2-ух третей места в мобильнике. Количество и состав модулей зависят от нужд заказчиков, которым предлагается использовать такие MEMS-модули для миниатюризации пассивных фильтров, резистивных и емкостных цепей.

В дальнейшем в подобные модули планируется интегрировать в высокочастотные коммутаторы передачи/приема и фильтры на поверхностных акустических волнах SAW (Surface Acoustic Wave). Имеющиеся дискретные SAW-фильтры хотя и достаточно громоздки в сопоставлении с интегральными микросхемами, но показатель свойства фильтрации у их выше приблизительно на два порядка. К тому же, если размер SAW-фильтров измеряется в сантиметрах, то MEMS-резонаторов на 1 см2 площади можно расположить несколько 10-ов тысяч штук.

Отмечают огромные способности рынка ВЧ-фильтров. Такие фильтры отыщут применение в телефонах для выбора подходящего ВЧ-канала и устройствах ВЧ будущих поколений, где MEMS предоставляют решение с фактором свойства Q выше 10 000, что существенно лучше показателя обыденных глиняных фильтров. MEMS ВЧ-фильтры можно использовать в малошумящих усилителях, в программируемых радиоустройствах, также в радиолокационных станциях с фазированными антенными решетками на спутниках.

Неувязкой остается то, что MEMS-приборы дороги и их внедрение на промышленный рынок пока достаточно проблемно.