Kursy • Poradniki • Inspirujące DIY • Forum
Akcelerometry MEMS i mikrofony MEMS to tylko niektóre elementy wykonywane w zaskakującej technologii, która łączy mechanikę z elektroniką.
Odpowiadając na pytanie, czym są układy MEMS, można byłoby w dużym skrócie powiedzieć, że są to układy scalone, w których wnętrzu znajdują się mikroskopijne elementy mechaniczne.
Akcelerometr, żyroskop i mikrofon to tylko przykłady czujników, przy których często znaleźć można dopisany akronim MEMS. Jest to nic innego jak nazwa technologii, w której wykonano te elementy. Większość elektroników nie jest zainteresowana budową wewnętrzną układów scalonych, ale w tym wypadku naprawdę warto poznać więcej szczegółów, bo to wyjątkowo interesująca technologia!
Z artykułu nie dowiesz się co prawda o wszystkich skomplikowanych szczegółach na temat tego, jaka jest różnica między akcelerometrem MEMS i żyroskopem MEMS, ale wzbogacisz się o wiele podstawowych informacji, które ułatwią dalsze poznawanie tego zagadnienia.
Akronim MEMS pochodzi od angielskiego zwrotu microelectromechanical systems, który bywa również zapisywany jako micro-electro-mechanical systems. Chodzi więc o miniaturowe połączenie elektroniki i mechaniki, czyli o układ scalony, w którego wnętrzu (oprócz tranzystorów) znajdują się jakieś małe elementy mechaniczne – np. sprężyste grzebienie, które poruszą się pod wpływem przeciążeń.
MEMS to połączenie (mikro)mechaniki z elektroniką.
MEMS to mikroukład elektromechaniczny, najczęściej w postaci układu scalonego. I właśnie to wprawia wiele osób w zakłopotanie, bo jakim cudem ruchome elementy mechaniczne miałyby być zrealizowane wewnątrz układu scalonego? Zaraz się tym zajmiemy, jednak najpierw małe ostrzeżenie.
Popularne materiały na temat MEMS zawierają nieścisłe, nieaktualne informacje, które wprowadzają w błąd. Przykładem są liczne fotografie wykorzystywane do ilustrowania artykułów na temat MEMS – obok pcheł i roztoczy pokazane są na nich jakieś maleńkie kółka zębate. Poniżej zamieszczamy przykład takiego zdjęcia – jest tam obwód mikromechaniczny, zapewne wykonany na powierzchni płytki krzemowej. Robi wrażenie, tylko nie ma tam żadnej elektroniki.
Przykład miniaturowych kół zębatych bez elementów elektronicznych
Podobnie jest na poniższej fotografii. Elektroniki brak. To nie MEMS, a co najwyżej MMS. Widać tylko interesujący układ mikromechaniczny, a obraz może wprowadzać w błąd, sugerując, że to przekładnia z zapadkami do jakiegoś mikrominiaturowego silnika MEMS. Na razie takich silników nie ma.
Przykład błędnej ilustracji tematów związanych z MEMS, zdjęcie pochodzi ze strony firmy miDALIX (producenta urządzeń do litografii, można więc potraktować to jako demonstrację możliwości ich urządzeń)
W wielu artykułach opisujących, czym jest MEMS, można również natrafić na nieaktualne informacje. Na przykład w wielu miejscach znajdziemy wpisy, że akronim MEMS używany jest w USA, a w Europie korzysta się z oznaczenia MST. To dziś nie jest już prawdą, bo skrót MEMS jest powszechnie znany i wykorzystywany także w Europie, a zwłaszcza w Polsce.
W procesie produkcji klasycznych układów scalonych kluczowe znaczenie mają takie operacje jak domieszkowanie i nakładanie rozmaitych warstw czynnych, w tym także różnych masek, które na poszczególnych etapach produkcji wybiórczo zasłaniają poszczególne fragmenty wafla krzemowego. Więcej informacji na ten temat znaleźć można w artykule omawiającym, czym jest układ scalony – jest tam sekcja omawiająca w skrócie proces powstawania tych układów.
Jednym z etapów produkcji układów scalonych może być – i często bywa – trawienie. I właśnie podczas produkcji układów MEMS oprócz nakładania warstw czynnych i masek ochronnych podstawowe znaczenie ma trawienie, czyli lokalne wytrawianie, usuwanie krzemu czy innych warstw w miejscach, gdzie nie ma maski ochronnej.
Przykładowa struktura wytrawiona w krzemie (zdjęcie: Denis Elbl, KIT, CC BY-SA 4.0)
Przede wszystkim maski ochronne i trawienie pozwalają zrealizować na powierzchni krzemu głębokie „wąwozy”. To jednak za mało. W wielu układach MEMS niezbędne są „jaskinie” oraz masywniejsze elementy zawieszone sprężyście – „wiszące w powietrzu”. Trudno sobie to wyobrazić, ale współczesne technologie produkcji układów scalonych umożliwiają tworzenie takich mechanicznych struktur, które są zawieszone sprężyście. A jednak...
Z wykorzystaniem masek można trawić wąwozy, ale trudno byłoby podtrawiać od dołu powstające kolumny. Realizowane jest to inaczej – nakładane są warstwy pomocnicze (ang. sacrifical layers), które pod koniec procesu produkcyjnego zostają wytrawione, ale wcześniej są na nie nakładane (z użyciem innych masek) elementy czynne, które po finalnych trawieniach zostaną „w powietrzu”.
Sprężysta struktura (zdjęcie: NASA)
W każdym razie sprytne wykorzystanie masek, selektywnego nakładania i trawienia warstw o różnym składzie pozwala wytworzyć na powierzchni wafla krzemowe (często również metalizowane elementy) i „wiszące w powietrzu” struktury mikromechaniczne, które są zawieszone na krzemowych sprężynkach.
Przykładowa struktura układu MEMS (zdjęcie: Bosch)
Taka struktura mechaniczna może zostać umieszczona na powierzchni płatka krzemu, na którym obok zawarte będą typowe struktury układu scalonego. Jednak jest to kłopotliwe, bo etapy realizacyjne procesu elementów mikromechanicznych są zdecydowanie inne niż przy produkcji klasycznych układów scalonych. Dlatego często spotyka się też hybrydowe układy MEMS, w których w jednej obudowie zawarte są dwie krzemowe struktury, produkowane w oddzielnych procesach.
Jeden układ z dwiema niezależnymi strukturami krzemowymi (zdjęcie: Bosch)
Przykład na powyższej fotografii to zawierający dwie krzemowe struktury hybrydowy układ MEMS firmy Bosch – największego producenta elementów MEMS. W wielu układach MEMS, ale nie we wszystkich, spotyka się dziwne na pozór grzebienie, z których jeden jest nieruchomy, a drugi współpracuje ze sprężyście zawieszoną masą.
Przykładowe grzebienie wewnątrz układu MEMS (zdjęcie: RresearchGate, CC BY 4.0)
W istocie jest to czujnik pojemnościowy. Współpracujący układ elektroniczny mierzy pojemność między grzebieniami i w ten sposób określa wielkość przesunięcia elementu ruchomego. Właśnie czujniki pojemnościowe są podstawą wielu układów MEMS, ale nie wszystkich.
Spośród układów MEMS elektroników hobbystów najbardziej dziś fascynują mierniki przyspieszenia, czyli akcelerometry MEMS, które nie tylko mierzą przyspieszenie podczas ruchu, ale przede wszystkim wykrywają przyspieszenie ziemskie i służą do orientacji względem ziemi. Pokrewnymi elementami są żyroskopy MEMS. W skrócie: akcelerometr wykrywa pozycję, położenie i przyspieszenie, natomiast żyroskop wykrywa i mierzy obrót, przekręcanie.
Jak działa akcelerometr MEMS? Najprościej to ujmując, albo siła ciążenia, albo przyspieszenie powodują wzajemne przesunięcie grzebieni, co z kolei powoduje zmiany pojemności między nimi. I właśnie te zmiany pojemności są proporcjonalne do przyspieszenia.
W zasięgu hobbystów są także rozmaite czujniki ciśnienia MEMS. Niezwykle popularne mikrofony elektretowe są sukcesywnie wypierane właśnie przez mikrofony MEMS, które są odmianą mikrofonów pojemnościowych. Drgania akustyczne odkształcają membranę czujnika, co zmienia pojemność i jest zamieniane na sygnał elektryczny, tak jak we wszystkich mikrofonach pojemnościowych.
Przykład mikrofonu MEMS (fragment prezentacji producenta Infineon, 10.5162/sensor2013/A4.3)
Do układów MEMS zaliczane są też uniwersale czujniki wilgotności i gazów, np. Bosch BME680. Taki element raczej nie ma części „zawieszonych w powietrzu”, ale też zawiera struktury mechaniczne, na dodatek bezpośrednio wystawione na wpływ otoczenia.
Czujnik MEMS Bosch BME680 (źródło: mat. producenta)
Warto wiedzieć, że do niedawna popularne projektory telewizyjne zawierały albo przetwornik obrazu LCD, albo właśnie lusterkowy przetwornik MEMS (MMD, DLP). Przetwornik DLP z matrycą mnóstwa mikroluster to układ scalony MEMS. Ma on na powierzchni co najmniej setki tysięcy ruchomych mikrolusterek, które za pomocą impulsów napięcia dodatniego i ujemnego mogą być ustawiane w dwóch pozycjach – jedna z nich kieruje światło do obiektywu i na ekran.
Fragmenty z materiałów firmy Texas Instruments, która opracowała technologię DLP (źródło)
Jak widać, elementy MEMS to nie tylko czujniki, ale też elementy wykonawcze. W przypadku mikroluster napędzane są napięciem elektrycznym – siłami elektrostatycznymi, siłami przyciągania elektrostatycznego. Wbrew temu, co sugerują fotografie pokazujące krzemowe mikroprzekładnie z kołami zębatymi, prawda jest taka, że nie ma silników MEMS wykorzystujących siły elektrodynamiczne, „magnetyczne”, powstające podczas przepływu prądu.
Oprócz tych wymienionych istnieje jeszcze wiele innych elementów MEMS – ich omówienie wykracza jednak poza ramy tego artykułu.
Koniecznie trzeba wiedzieć, że dostępne w internecie informacje na temat MEMS są nieścisłe i wręcz dezinformują. Dziś MEMS można i należy rozumieć głównie jako rodzaj układów scalonych, które oprócz klasycznych struktur z tranzystorami zawierają elementy mikromechaniczne, wykonane na powierzchni krzemowej płytki. Elementy te są najczęściej czujnikami pojemnościowymi.
Temat MEMS jest ogromnie szeroki. Już teraz mamy do czynienia z wieloma różnymi układami MEMS, przede wszystkim z rozmaitymi czujnikami. Wykorzystanie wielu z nich leży w zasięgu hobbystów. Nie trzeba się ich bać – wystarczy poszukać przykładów ich wykorzystania, choćby z Arduino UNO.
Piotr Górecki
Dokumentacja techniczna (nota katalogowa) to dokument, który opisuje element elektroniczny. Są tam podane m.in. liczne parametry, wykresy... Czytaj dalej »
Przeczytaj powiązane artykuły oraz aktualnie popularne wpisy lub losuj inny artykuł »
akcelerometr, jtd, MEMS, żyroskop
Dołącz do 20 tysięcy osób, które otrzymują powiadomienia o nowych artykułach! Zapisz się, a otrzymasz PDF-y ze ściągami (m.in. na temat mocy, tranzystorów, diod i schematów) oraz listę inspirujących DIY z Arduino i RPi.
Trwa ładowanie komentarzy...