Sistemas microelectromecánicos (componentes MEMS) y sensores basados ​​en ellos

Componentes MEMS (MEMS ruso): significa sistemas microelectromecánicos. La principal característica distintiva de ellos es que contienen una estructura 3D móvil. Se mueve debido a influencias externas. Por lo tanto, no solo los electrones se mueven en los componentes MEMS, sino también en las partes constituyentes.

Los componentes MEMS son uno de los elementos de la microelectrónica y la micromecánica, a menudo fabricados sobre un sustrato de silicio. En estructura, se asemejan a los circuitos integrados de un solo chip. Por lo general, estas piezas mecánicas MEMS varían en tamaño desde unidades hasta cientos de micrómetros, y el cristal en sí es de 20 μm a 1 mm.

La Figura 1 es un ejemplo de una estructura MEMS

Ejemplos de uso:

1. Producción de varios microcircuitos.

2. Los osciladores MEMS a veces se reemplazan resonadores de cuarzo.

3. Producción de sensores, incluyendo:

• acelerómetro;

• giroscopio

• sensor de velocidad angular;

• sensor magnetométrico;

• barómetros;

• analistas ambientales;

• transductores de medición de señales de radio.

Materiales utilizados en estructuras MEMS

Los principales materiales con los que se fabrican los componentes MEMS incluyen:

1. Silicio. Actualmente, la mayoría de los componentes electrónicos están fabricados con este material. Tiene una serie de ventajas, que incluyen: extensión, resistencia, prácticamente no cambia sus propiedades durante la deformación. La fotolitografía seguida del grabado es el principal método de fabricación de MEMS de silicio.

2. Polímeros. Dado que el silicio, aunque es un material común, es relativamente caro, en algunos casos se pueden usar polímeros para reemplazarlo. Se producen industrialmente en grandes volúmenes y con diferentes características. Los principales métodos de fabricación de polímeros MEMS son el moldeo por inyección, el estampado y la estereolitografía.

Volúmenes de producción basados ​​en el ejemplo de un gran fabricante

Para ver un ejemplo de la demanda de estos componentes, tomemos ST Microelectronics. Realiza una gran inversión en tecnología MEMS, sus fábricas y plantas producen hasta 3.000.000 de elementos por día.

Figura 2: Instalaciones de producción de una empresa que desarrolla componentes MEMS

El ciclo de producción se divide en 5 etapas principales principales:

1. Producción de chips.

2. Pruebas.

3. Embalaje en cajas.

4. Pruebas finales.

5. Entrega a los concesionarios.

Figura 3 — ciclo de producción

Ejemplos de sensores MEMS de diferentes tipos

Echemos un vistazo a algunos de los sensores MEMS populares.

Acelerómetro Este es un dispositivo que mide la aceleración lineal. Se utiliza para determinar la ubicación o el movimiento de un objeto. Se utiliza en tecnología móvil, automóviles y más.

Figura 4 — Tres ejes reconocidos por el acelerómetro

Figura 5 — Estructura interna del acelerómetro MEMS

Figura 6 — Explicación de la estructura del acelerómetro

Características del acelerómetro utilizando el ejemplo del componente LIS3DH:

Acelerómetro de 1,3 ejes.

2. Funciona con interfaces SPI e I2C.

3. Medida en 4 escalas: ± 2, 4, 8 y 16g.

4. Alta resolución (hasta 12 bits).

5. Bajo consumo: 2 µA en modo de bajo consumo (1 Hz), 11 µA en modo normal (50 Hz) y 5 µA en modo apagado.

6. Flexibilidad laboral:

• 8 ODR: 1/10/25/50/100/400/1600/5000 Hz;

• Ancho de banda de hasta 2,5 kHz;

• FIFO de 32 niveles (16 bits);

• 3 entradas ADC;

• Sensor de temperatura;

• fuente de alimentación de 1,71 a 3,6 V;

• función de autodiagnóstico;

• Caja 3 x 3 x 1 mm. 2.

Giroscopio Es un dispositivo que mide el desplazamiento angular. Se puede utilizar para medir el ángulo de rotación sobre el eje. Dichos dispositivos se pueden utilizar como sistema de navegación y control de vuelo para aeronaves: aviones y varios UAV, o para determinar la posición de dispositivos móviles.

Figura 7 — Datos medidos con un giroscopio

Figura 8 — Estructura interna

Por ejemplo, considere las características del giroscopio MEMS L3G3250A:

• giroscopio analógico de 3 ejes;

• Inmunidad al ruido y vibración analógicos;

• 2 escalas de medición: ± 625 °/s y ± 2500 °/s;

• Modos de apagado y suspensión;

• función de autodiagnóstico;

• calibración de fábrica;

• Alta sensibilidad: 2 mV/°/s a 625°/s

• Filtro de paso bajo incorporado

• Estabilidad a alta temperatura (0,08°/s/°C)

• Estado de alto impacto: 10000g en 0.1ms

• Rango de temperatura -40 a 85 °C

• Tensión de alimentación: 2,4 — 3,6 V

• Consumo: 6,3 mA en modo normal, 2 mA en modo reposo y 5 μA en modo apagado

• Caso 3.5 x 3 x 1 LGA

conclusiones

En el mercado de sensores MEMS, además de los ejemplos discutidos en el informe, hay otros elementos que incluyen:

• Sensores multieje (p. ej., 9 ejes)

• brújulas;

• Sensores para medir el ambiente (presión y temperatura);

• Micrófonos digitales y más.

Sistemas microelectromecánicos industriales modernos de alta precisión que se utilizan activamente en vehículos y computadoras portátiles portátiles.