Dit artikel gaat in op de basiskenmerken en veelvoorkomende toepassingen van een technologie die is verwerkt in een grote verscheidenheid van elektronische apparaten met hoge prestaties.

Ik waardeer altijd een naam die echt informatief is en in dit opzicht stelt de term “micro-elektromechanische systemen” (MEMS) niet teleur – het is evenzeer een beknopte definitie als een naam.

Wat betekent MEMS?

MEMS verwijst naar technologie waarmee mechanische structuren kunnen worden geminiaturiseerd en grondig kunnen worden geïntegreerd met elektrische circuits, wat resulteert in een enkel fysiek apparaat dat eigenlijk meer op een systeem lijkt, waarbij “systeem” aangeeft dat mechanische componenten en elektrische componenten samenwerken om de gewenste functionaliteit te implementeren. Het is dus een micro (d.w.z. zeer klein) elektrisch en mechanisch systeem.

Mechanisch naar elektrisch naar (micro)mechanisch

Mechanische componenten en systemen worden over het algemeen beschouwd als minder technologisch geavanceerd dan vergelijkbare oplossingen die hoofdzakelijk op elektrische verschijnselen zijn gebaseerd, maar dit betekent niet dat de mechanische aanpak universeel inferieur is. Het mechanische relais, bijvoorbeeld, is veel ouder dan transistor-gebaseerde apparaten die vergelijkbare functionaliteit bieden, maar mechanische relais worden nog steeds op grote schaal gebruikt.

Niettemin zullen typische mechanische apparaten altijd het nadeel hebben dat ze hopeloos omvangrijk zijn in vergelijking met de elektronische componenten die in geïntegreerde circuits worden aangetroffen. De ruimtebeperkingen van een bepaalde toepassing kunnen ertoe leiden dat de voorkeur wordt gegeven aan elektrische componenten of dat deze vereist zijn, zelfs wanneer een mechanische uitvoering zou hebben geleid tot een eenvoudiger of performanter ontwerp.

MEMS-technologie biedt een conceptueel eenvoudige oplossing voor dit dilemma: als we de mechanische onderdelen zo wijzigen dat ze niet alleen heel klein zijn, maar ook volledig compatibel met de fabricageprocessen voor geïntegreerde schakelingen, kunnen we tot op zekere hoogte het “beste van twee werelden” hebben.”

Dit is een fysiek tandwiel en een fysieke ketting. Deze machine beweegt en functioneert zoals je zou verwachten dat een tandwiel en ketting bewegen en functioneren. De schakels in de ketting zijn echter ongeveer 50 µm lang, d.w.z. minder dan de diameter van een menselijke haar. Afbeelding met dank aan Sandia National Laboratories.

Wat maakt een MEMS?

In het vorige hoofdstuk heb ik gezegd dat MEMS-technologie een conceptueel eenvoudige oplossing is. Zoals te verwachten, is het bedenken van een idee voor een microscopisch mechanisch apparaat veel gemakkelijker dan het daadwerkelijk bouwen ervan.

We gebruiken het werkwoord “machinaal bewerken” om aan te geven dat van een stuk metaal een mechanisch onderdeel wordt gemaakt, zoals een tandwiel of een katrol. In de MEMS-wereld is de equivalente term “micromachine”. De kleine mechanische structuren in een MEMS-apparaat worden vervaardigd door silicium (of een ander substraatmateriaal) fysisch te wijzigen met behulp van gespecialiseerde technieken waarover ik bijna niets weet. Deze mechanische structuren van silicium worden vervolgens gecombineerd met geïntegreerde schakelingen van silicium, en het resulterende elektromechanische systeem wordt verpakt en als een enkel apparaat verkocht.

Zoals wordt uitgelegd in een document over MEMS dat door de Loughborough University in Engeland is gepubliceerd, maken MEMS-apparaten gebruik van micromachine-structuren, sensoren, en actuatoren. Met sensoren kan een MEMS thermische, mechanische, magnetische, elektromagnetische of chemische veranderingen detecteren die door elektronische schakelingen kunnen worden omgezet in bruikbare gegevens, en actuatoren creëren fysieke veranderingen in plaats van ze alleen maar te meten.

Voorbeelden van MEMS-apparaten

Laten we eens kijken naar een voorbeeld van de functionaliteit en interne structuur van een MEMS-apparaat.

Micromachined cantilever switch beams. Afbeelding met dank aan Analog Devices.

Deze afbeelding laat de fysieke structuur zien van cantilever-schakelbalken met microtechnologie. Er zijn vier schakelbundels en elke bundel heeft vijf contacten (het gebruik van meerdere contacten is een techniek om de on-state weerstand te verminderen). De schakelaarbundels worden aangestuurd door een toegepaste spanning.

Afbeelding met dank aan Analog Devices.

Hier zien we de MEMS-schakelaar (rechts) en de bijbehorende driver-schakelingen (links), onderling verbonden en ondergebracht in een QFN-pakket. Het drivercircuit maakt het mogelijk dat een typisch digitaal apparaat, zoals een microcontroller, de schakelaar effectief kan bedienen omdat het alles doet wat nodig is voor het genereren van een geïntegreerd hoogspanningssignaal dat een effectieve en betrouwbare werking van de schakelaar bevordert.

MEMS-toepassingen: Wanneer worden MEMS-apparaten gebruikt?

MEMS-technologie kan worden verwerkt in een grote verscheidenheid van elektronische componenten. De bedrijven die deze componenten maken, zullen vermoedelijk beweren dat een MEMS-implementatie superieur is aan wat werd gebruikt voordat de MEMS-versie beschikbaar kwam. Het zou moeilijk zijn om voldoende van deze beweringen te verifiëren om een algemene uitspraak te rechtvaardigen in de trant van “MEMS-apparaten leveren aanzienlijk betere prestaties dan niet-MEMS-apparaten”. Mijn algemene indruk is echter dat in veel situaties MEMS inderdaad een belangrijke stap voorwaarts is en, als de prestaties of het gemak van implementatie een prioriteit in uw ontwerp is, zou ik eerst naar MEMS-apparaten kijken.

In de context van de elektrotechniek is MEMS-technologie opgenomen in vier productcategorieën:

• Audio
• Sensoren
• Switches
• Oscillatoren

Er zijn misschien minder gangbare producten die niet in een van deze categorieën passen; als u iets weet dat ik over het hoofd heb gezien, laat het ons dan gerust weten in de reacties.

Audio

In het audiodomein hebben we MEMS-microfoons en MEMS-luidsprekers. De basiskenmerken van een MEMS-microfoon worden weergegeven door het volgende diagram.

Sensoren

Sensoren zijn de dominante toepassing van MEMS-technieken; er zijn MEMS gyroscopen, inclinometers, versnellingsmeters, stromingssensoren, gassensoren, druksensoren, en magnetische-veldsensoren.

Schakelaars

Elektrisch gestuurde schakelaars zijn, naar mijn mening, een bijzonder interessante toepassing van MEMS-technologie. De ADGM1004, waarover ik in dit artikel schreef, is eenvoudig te besturen, werkt met signaalfrequenties van 0 Hz tot meer dan 10 GHz, heeft minder dan 1 nA lekstroom in de uit-stand, en biedt een activeringslevensduur van minstens een miljard cycli.

Oscillatoren

Het combineren van een micromachined resonator met excitatie schakelingen en ondersteunende schakelingen resulteert in een MEMS oscillator. Als u een echte MEMS-component wilt onderzoeken, kunt u een nieuwsartikel uit 2017 bekijken waarin ik de SiT2024B MEMS-oscillator van SiTime besprak.

Diagram met dank aan SiTime.

Ik heb niet veel ervaring met MEMS-oscillatoren, maar ik denk dat ze een uitstekende keuze zouden kunnen zijn in veeleisende toepassingen; in het bovengenoemde artikel over de SiT2024B wijs ik erop dat op basis van de informatie van SiTime een MEMS-oscillator serieus beter kan presteren dan quartz-gebaseerde oscillatoren.