W niniejszym artykule omówimy podstawowe cechy i powszechne zastosowania technologii, która została wykorzystana w wielu wydajnych urządzeniach elektronicznych.

Zawsze doceniam nazwy, które są naprawdę pouczające i pod tym względem termin „systemy mikroelektromechaniczne” (MEMS) nie zawodzi – jest tak samo zwięzłą definicją, jak i nazwą.

Co więc oznacza termin MEMS?

MEMS odnosi się do technologii, która pozwala na miniaturyzację struktur mechanicznych i dokładną integrację ich z obwodami elektrycznymi, w wyniku czego powstaje pojedyncze urządzenie fizyczne, które w rzeczywistości przypomina raczej system, gdzie „system” oznacza, że komponenty mechaniczne i elektryczne współpracują ze sobą w celu wdrożenia pożądanej funkcjonalności. Jest to więc mikro (tj. bardzo mały) system elektryczny i mechaniczny.

Mechaniczny do elektrycznego do (mikro)mechanicznego

Komponenty i systemy mechaniczne są ogólnie uważane za mniej zaawansowane technologicznie niż porównywalne rozwiązania oparte głównie na zjawiskach elektrycznych, ale nie oznacza to, że podejście mechaniczne jest powszechnie gorsze. Na przykład przekaźnik mechaniczny jest znacznie starszy od urządzeń opartych na tranzystorach, które zapewniają podobną funkcjonalność, ale przekaźniki mechaniczne są nadal szeroko stosowane.

Niemniej jednak typowe urządzenia mechaniczne zawsze będą miały tę wadę, że są beznadziejnie nieporęczne w porównaniu z elementami elektronicznymi występującymi w układach scalonych. Ograniczenia przestrzenne danej aplikacji mogą spowodować, że preferowane lub wymagane będą komponenty elektryczne, nawet jeśli implementacja mechaniczna dała by prostszy lub bardziej wydajny projekt.

Technologia MEMS reprezentuje koncepcyjnie proste rozwiązanie tego dylematu: jeśli zmodyfikujemy urządzenia mechaniczne tak, aby były nie tylko bardzo małe, ale również w pełni kompatybilne z procesami produkcji układów scalonych, możemy, do pewnego stopnia, mieć „najlepsze z obu światów.”

To jest fizyczna przekładnia i łańcuch. Ta maszyna porusza się i funkcjonuje tak, jak można by się spodziewać, że przekładnia i łańcuch będą się poruszać i funkcjonować. Jednak ogniwa łańcucha mają długość około 50 µm, czyli mniej niż średnica ludzkiego włosa. Zdjęcie dzięki uprzejmości Sandia National Laboratories.

Co tworzy MEMS?

W poprzednim rozdziale stwierdziłem, że technologia MEMS jest koncepcyjnie prostym rozwiązaniem. Jak można się spodziewać, wymyślenie mikroskopijnego urządzenia mechanicznego jest znacznie łatwiejsze niż jego zbudowanie.

Czasownika „obrabiać” używamy do opisania procesu przekształcania kawałka metalu w element mechaniczny, taki jak koło zębate czy koło pasowe. W świecie MEMS, odpowiednikiem tego terminu jest „mikromaszyna”. Maleńkie struktury mechaniczne w urządzeniach MEMS są wytwarzane poprzez fizyczną modyfikację krzemu (lub innego materiału podłoża) przy użyciu specjalistycznych technik, o których nie wiem prawie nic. Te krzemowe struktury mechaniczne są następnie łączone z krzemowymi układami scalonymi, a powstały w ten sposób system elektromechaniczny jest zamykany w opakowaniu i sprzedawany jako pojedyncze urządzenie.

Jak wyjaśniono w artykule na temat MEMS opublikowanym przez Uniwersytet Loughborough w Anglii, urządzenia MEMS wykorzystują struktury mikroobrabiane, czujniki i siłowniki. Czujniki pozwalają urządzeniu MEMS wykrywać zmiany termiczne, mechaniczne, magnetyczne, elektromagnetyczne lub chemiczne, które mogą być przekształcane przez układy elektroniczne w dane użytkowe, a siłowniki tworzą zmiany fizyczne, a nie tylko je mierzą.

Przykłady urządzeń MEMS

Przyjrzyjrzyjmy się przykładowi funkcjonalności i wewnętrznej struktury urządzenia MEMS.

Mikromaszynowe belki przełączników wspornikowych. Obraz dzięki uprzejmości firmy Analog Devices.

Ta grafika przedstawia fizyczną strukturę mikromaszynowego przełącznika wysięgnikowego. Są to cztery belki przełączające i każda z nich ma pięć kontaktów (użycie wielu kontaktów jest techniką redukcji rezystancji w stanie włączonym). Belki przełączników są uruchamiane przez przyłożone napięcie.

Obraz dzięki uprzejmości Analog Devices.

Tutaj widzimy przełącznik MEMS (po prawej) i powiązany z nim obwód sterownika (po lewej), połączone ze sobą i umieszczone w obudowie QFN. Obwód sterownika pozwala typowemu urządzeniu cyfrowemu, takiemu jak mikrokontroler, na efektywne sterowanie przełącznikiem, ponieważ robi wszystko, co konieczne do wygenerowania rampowego, wysokonapięciowego sygnału aktywacji, który promuje efektywne i niezawodne działanie przełącznika.

Zastosowania MEMS: Kiedy wykorzystuje się urządzenia MEMS?

Technologia MEMS może być zastosowana w wielu różnych komponentach elektronicznych. Firmy produkujące te komponenty z pewnością twierdzą, że implementacja MEMS jest lepsza od tego, co było używane zanim wersja MEMS stała się dostępna. Trudno byłoby zweryfikować te twierdzenia na tyle, aby uzasadnić uogólnione stwierdzenie w stylu „urządzenia MEMS oferują znacznie lepsze osiągi niż urządzenia nie MEMS”. Jednak moje ogólne wrażenie jest takie, że w wielu sytuacjach MEMS jest rzeczywiście znaczącym krokiem naprzód i jeśli wydajność lub łatwość implementacji jest priorytetem w Twoim projekcie, w pierwszej kolejności przyjrzałbym się urządzeniom MEMS.

W kontekście inżynierii elektrycznej, technologia MEMS została włączona do czterech kategorii produktów:

• Audio
• Czujniki
• Przełączniki
• Oscylatory

Mogą istnieć mniej popularne produkty, które nie pasują do żadnej z tych kategorii; jeśli wiesz o czymś, co przeoczyłem, daj nam znać w komentarzach.

Audio

W dziedzinie audio mamy mikrofony MEMS i głośniki MEMS. Podstawowe cechy mikrofonu MEMS są przedstawione na poniższym diagramie.

Czujniki

Czujniki są dominującym zastosowaniem technik MEMS; istnieją żyroskopy MEMS, inklinometry, akcelerometry, czujniki przepływu, czujniki gazu, czujniki ciśnienia i czujniki pola magnetycznego.

Przełączniki

Przełączniki sterowane elektrycznie są, moim zdaniem, szczególnie ciekawym zastosowaniem techniki MEMS. ADGM1004, o którym pisałem w tym artykule, jest łatwy do sterowania, pracuje z częstotliwościami sygnałów od 0 Hz do ponad 10 GHz, ma mniej niż 1 nA prądu upływu w stanie wyłączonym i zapewnia żywotność aktywacji na poziomie co najmniej miliarda cykli.

Oscylatory

Połączenie mikromaszynowego rezonatora z układami wzbudzającymi i podtrzymującymi daje w efekcie oscylator MEMS. Jeśli chciałbyś zbadać rzeczywisty komponent MEMS, możesz sprawdzić artykuł z 2017 r., w którym omówiłem oscylator SiT2024B MEMS firmy SiTime.

Diagram dzięki uprzejmości SiTime.

Nie mam dużego doświadczenia z oscylatorami MEMS, ale myślę, że mogą one być doskonałym wyborem w wymagających aplikacjach; we wspomnianym wyżej artykule o SiT2024B wskazuję, że w oparciu o informacje SiTime, oscylator MEMS może poważnie przewyższać oscylatory oparte na kwarcu.