Микроэлектромеханические системы (MEMS-компоненты) и датчики на их основе. Мэмс

Наномир на данный момент является своего рода фронтиром – передним краем науки, который пока еще только покоряют ученые-пионеры. А вот микромир уже достаточно давно освоен и в нем вовсю идет строительство. Пожалуй, самым впечатляющим типом микроструктур, которые создаются людьми, являются MEMS – микроэлектромеханические системы.

Обычно MEMS делят на два типа: сенсоры – измерительные устройства , которые переводят те или иные физические воздействия в электрический сигнал, и актуаторы (исполнительные устройства) – системы, которые занимаются обратной задачей, то есть переводом сигналов в те или иные действия. В этой части статьи поговорим о первой категории MEMS.

Датчики движения

Пожалуй, самыми «трендовыми» из MEMS-сенсоров являются датчики движения. Они в последнее время постоянно на слуху: телефоны, коммуникаторы, игровые приставки, фотокамеры и ноутбуки все чаще и чаще снабжаются акселерометрами (датчиками ускорения) и гироскопами (датчиками поворота).

В мобильных телефонах и видеоприставках чувствительность к движениям пользователя используется в основном, что называется, «для прикола». А вот в портативных компьютерах акселерометры выполняют очень даже полезную функцию: улавливают момент, когда жесткий диск может подвергнуться повреждению из-за удара и паркуют его, диска, головки. В фототехнике использование датчиков движения не менее актуально – именно на их основе работают честные системы стабилизации изображения.

Классический гироскоп образца XIX века. Засунуть такой в iPhone или джойстик Wii довольно-таки затруднительно

Впрочем, рассуждать о том, что в реальности полезнее – активные игры на Wii, функция автоматического поворота картинки на iPhone, защита винчестера или возможность снимать фотографии без смазывания – дело неблагодарное. Покупателям нравится и то, и другое, и третье, и четвертое. Поэтому производители в последнее время стараются как можно более плотно использовать датчики движения.

Благо, возможностей у них для этого предостаточно: автопроизводители (из массовых индустрий они первыми опробовали данного рода устройства) уже несколько десятилетий активно эксплуатируют датчики движения, например, в подушках безопасности и антиблокировочных системах тормозов.

Так что соответствующие чипы давно разработаны, выпускаются целым рядом крупных и сравнительно мелких компаний и производятся в таких количествах, что цены давно и надежно сбиты до минимума. Типичный MEMS-акселерометр сегодня обходится в несколько долларов за штуку.

И места занимает – всего ничего. Для примера, размер корпуса пьезогироскопа Epson XV-8000 составляет 6×4,8×3,3 мм, а трехосного акселерометра LIS302DL производства ST Microelectronics – всего лишь 3×5×0,9 мм. Причем речь именно о размерах готового устройства с корпусом и контактами – сам кристалл еще меньше.

Датчик движения Epson XV-8000. И это далеко не самый компактный MEMS-сенсор

На сегодняшний день наиболее популярны датчики движения, основанные на конденсаторном принципе. Подвижная часть системы – классический грузик на подвесах. При наличии ускорения грузик смещается относительно неподвижной части акселерометра. Обкладка конденсатора, прикрепленная к грузику, смещается относительно обкладки на неподвижной части. Емкость меняется, при неизменном заряде меняется напряжение – это изменение можно измерить и рассчитать смещение грузика. Откуда, зная его массу и параметры подвеса, легко найти и искомое ускорение.

Основной принцип работы конденсаторных акселерометров

Это теория. На практике, MEMS-акселерометры устроены таким образом, что отделить друг от друга составные части – грузик, подвес, корпус и обкладки конденсатора – не так-то просто. Собственно, изящество MEMS в том и заключается, что в большинстве случаев в одной детали здесь удается (а вернее, попросту приходится) комбинировать сразу несколько предметов.

Относительно простой, но чрезвычайно миниатюрный и чувствительный MEMS-акселерометр разработки Sandia Labs

Зачастую, современные MEMS-гироскопы устроены идентично акселерометрам. Просто в них значения ускорений по осям пересчитываются в значения углов поворота – конструкция примерно та же, но на выходе другая величина.

Гироскоп L3G4200D производства ST Microelectronics используется в iPhone 4

Тот же STM L3G4200D, фотография с большим увеличением

Однако встречаются и гироскопы, устройство которых «заточено» именно под вращение. Такие MEMS – одни из красивейших.

Еще один гироскоп ST Microelectronics – LYPR540AH

Крупный план STM LYPR540AH. Толщина деталей этой ажурной конструкции – около 3 микрон!

Еще один MEMS-гироскоп

Помимо конденсаторных датчиков, существуют MEMS-акселерометры, использующие иные принципы. Например, датчики, основанные на пьезоэффекте. Вместо смещения обкладок конденсатора, в акселерометрах такого типа происходит давление грузика на пьезокристалл. Основной принцип тот же, что и в пьезозажигалках – под воздействием деформации пьезоэлемент вырабатывает ток. Из значения напряжения, зная параметры системы, можно найти силу, с которой грузик давит на кристалл – и, соответственно, рассчитать искомое ускорение.

Основной принцип работы акселерометров на пьезоэлементах

Есть и более экзотический тип MEMS-акселерометров – термальные датчики ускорения. В них в качестве основного объекта используется горячий пузырек воздуха. При движении пузырек отклоняется от центра системы, это отслеживается датчиками температуры. Чем дальше сместился пузырек – тем больше величина ускорения.

Двухосный термальный акслерометр

Микрофоны

Менее популярный в статьях и обсуждениях, но гораздо более массовый тип MEMS-устройств – микроскопические микрофоны. Опять-таки, наиболее распространенными системами этого типа являются те, которые основаны на конденсаторном принципе.

Устроены они – проще некуда. Принципиально важных элементов в таком микрофоне всего два: это гибкая обкладка – мембрана, и более толстая, неподвижная обкладка. Под воздействием давления воздуха мембрана смещается, изменяется емкость между обкладками – при постоянном заряде изменяется напряжение. Эти данные пересчитываются в амплитуды и частоты звуковой волны.

Чтобы минимизировать влияние давления воздуха на неподвижную обкладку, эта обкладка перфорируется. Кроме того, под ней делается сравнительно большая ниша с обязательным вентиляционным отверстием. Идея в том, что единственным подвижным элементом в системе в идеале должна быть мембрана – и только она.

микроэлектромеханический микрофон под микроскопом. Диаметр мембраны чуть больше половины миллиметра

Как и в случае с акселерометрами, здесь может быть использован пьезоэффект – в этом случае под мембраной ставится пьезокристалл. Дальше – как и в случае пьезоакселерометров: давление воздуха передается мембраной на пьезоэлемент, под этим воздействием кристалл вырабатывает ток. Напряжение измеряется и переводится в амплитуду и частоту звука.

Самый миниатюрный MEMS-микрофон компании Akustica (площадь кристалла – 1 кв.мм) теряется рядом со своими более крупными родственниками

Датчики давления

То, что годится для звука, подходит и для измерения давления в иных областях. Похожие на микрофоны MEMS-системы могут использоваться в качестве датчиков давления. Несложно догадаться, что применение такие сенсоры находят в уйме областей.

Но можно выделить одну область, которая является наиболее интересной и наиболее специфичной для датчиков давления, основанных на MEMS-технологии. Это медицина. Здесь размер действительно имеет значение. Если в какой-нибудь трубопровод вполне можно встроить «обычный», макроскопический датчик, то с кровеносным сосудом такой фокус, очевидно, не получится. Тут нужны очень и очень компактные решения.

Ультракомпактный и высокоточный датчики давления на фоне одноцентовой монеты (по размеру она примерно эквивалентна нынешним русским 50 копейкам)

Разумеется, в медицине востребованы не только датчики давления. Существует множество микроскопических биодатчиков, измеряющих массу разнообразных величин – от температуры до уровня глюкозы. Есть и более неожиданные устройства, вроде микроскопических систем подачи лекарств. И, разумеется, есть куча интереснейших прототипов, многие из которых в принципе не имеют аналогов среди макроустройств.

Прототип щипцов для микрохирургии глаза. Размеры головки щипцов – порядка 1,5х1,5 миллиметра. Толщина губ – несколько десятков микрон. Человеческий волос этими щипцами подцепить не получится – он для них слишком толстый

Что ж, разговор о MEMS-сенсорах мы на этом завершим. Впереди у нас еще более интересная и захватывающая тема: MEMS-актуаторы. Печатающие головки струйных принтеров, микрозеркальные матрицы, элементы оптико-волоконных сетей и многое другое. Обещаем: скучно не будет!

Интеграция на едином кристалле микросхем с микроэлектромеханическими устройствами - наиболее безболезненный способ преодоления наноразмерных «выкрутас» электроники будущего. Микромашины открывают огромные перспективы для диверсификациии кремниевой электроники, а главное - для компактизации и повышения энерго- и экономической эффективности товаров электронной промышленности. Микроскопические сенсоры, актуаторы, резонаторы, да ещё и внедрённые в микрофлюидические системы - чего же ещё желать душеньке инженера, учёного, врача и пациента? Ну разве что наноэлектромеханики с нанофлюидикой - об этом тоже пара слов в статье сказана.

Микроэлектромеханика развивалась как отдельное направление полупроводниковой промышленности в течение 15-20 лет, однако при достижении пределов элементной интеграции в кристаллах это направление может возглавить диверсификацию CMOS-устройств и продлить славный путь кремния в электронике. Считается, что микроэлектромеханические системы позволят с минимальными затратами повысить чувствительность и механическую отдачу устройств на кристаллах. По предсказаниям экспертов, в ближайшие годы будет особенно интенсивно расширяться внедрение микроэлектромеханики в портативные медиаустройства (смартфоны, планшеты, ноутбуки).

Микроэлектромеханические системы (MEMS , MST, микромашины) - устройства из миниатюрных механических компонентов, интегрированных с микроэлектроникой, которые можно получать методами стандартной микрообработки.

Рисунок 1. Очарование микроэлектромеханики: размеры и формы. (А) MEMS-микрофон в сборке (CMOS + MEMS). Под давлением звука диафрагма микрофона колеблется, изменяя ёмкость между ней и подложкой. Эти изменения считываются и выводятся в виде электрического сигнала. Фото с www.analitika.info . (Б) MEMS-моторы от лаборатории Sandia. (В) MEMS-индуктор, фото с heim.ifi.uio.no .

Механическая составляющая часто представлена подвижными кронштейнами, консолями, мембранами, отверстиями, каналами и т.п. Размер устройств варьирует между единицами микрометров и миллиметрами , а основу обычно составляют микропроцессор и компоненты, взаимодействующие с окружающей средой. MEMS преобразуют механические воздействия в электричество (сенсоры ) или проводят обратную трансформацию (актуаторы ). Однако при рассмотрении приборов на основе этих систем подобное деление не всегда пригодно: в состав сложных сенсорных устройств могут входить MEMS-актуаторы, например.

Микромашины превосходят макроскопические аналоги по эффективности , в том числе экономической, обычно производятся хоть и по не слишком дешёвым и немного модифицированным, но отработанным кремниевым технологиям или же на основе полимеров. Для особых целей в ход идут металлы и керамика - например, устойчивый к биокоррозии нитрид титана (TiN) идеален при производстве биочипов, контактирующих со средами организма.

Кремниевые MEMS легко интегрируются со стандартными электронными устройствами управления и обработки данных. Различают два типа таких микросистем:

- гибридные : механическое устройство и отдельная микросхема размещены на общей подложке из кремния, стекла или кварца;

- монолитные : CMOS-микросхема и механические элементы интегрированы в одном кристалле. Последние отличаются более низкими издержками производства и корпусирования, причём один миниатюрный компонент может заменить тысячи традиционных элементов схемы.

«Профориентация» микроэлектромеханических систем

Раз микромашины так многолики, то и сферы их применения чрезвычайно разнообразны. В данном обзоре разделим MEMS на 3 функциональные категории и попытаемся перечислить точки приложения каждой из них.

1. Сенсоры - «интеллигенты-аналитики», высокочувствительные микромашины. Именно в сфере сенсорики трудится большинство выходцев из MEMS-лабораторий: например, миниатюрные датчики давления (кровяного или в покрышках автомобилей), температуры, влажности, радиации, магнитных полей, инерционных сил, химических веществ и т.п. Наиболее известные приборы на их основе - акселерометры и гироскопы в автомобилях, летательных аппаратах и мультироторах, в потребительской электронике (телефонах, цифровых камерах), микрофоны, «лаборатории на чипе», слуховые аппараты .

Акселерометры - детекторы ускорения - одна из самых ранних MEMS-разработок, которая сейчас используется в игровых приставках и во многих автомобилях для выпуска защитных подушек при столкновении.

Гироскопы - датчики переворота и элементы GPS-навигации в автомобилестроении, однако активное внедрение кремниевых гироскопов в медиаустройства тормозится сложностью корпусирования и дороговизной, связанными с базовой проблемой - высокой чувствительностью этих элементов к стрессовым воздействиям.

Уже в ближайшее время планируется создание мультисенсорных модулей с 10-ю степенями свободы, выполняющих одновременно функции трёхосевых акселерометра, гироскопа, магнетометра, а также сенсора давления.

Через пару-тройку лет обещают даже интеграцию всего перечисленного добра на одном кристалле. Но есть и обидные помехи, которые непременно нужно преодолеть, - высокая себестоимость таких химер, пресловутое проблемное корпусирование и ещё более проблемное тестирование.

Способность MEMS к преобразованию механических колебаний и вибраций в электрический ток используют в energy scavenging chips - датчиках, извлекающих энергию «из воздуха». Такие чипы пытаются применять в рамках подхода energy harvesting (производство и аккумуляция энергии из всевозможных природных стихий и прочих «халявных» воздействий). MEMS-чипы в этом смысле весьма перспективны для замены ординарных батареек и аккумуляторов в маломощных гаджетах, электронной одежде, медицинских устройствах для непрерывного функционального мониторирования.

Об определённых успехах заявляет, в частности, Texas Instruments. А британская фирма Perpetuum в 2013 году представила вибрационный «сборщик энергии» (VEH, Vibration Energy Harvester ) - простой и некапризный датчик, измеряющий температуру и передающий эти данные по беспроводной связи оператору. Но самое интересное - всю необходимую для этого электроэнергию VEH сам вырабатывает из механических колебаний: он устанавливается на вращающиеся детали (например, колёса поездов). Собственно, и сослужить добрую службу он должен именно железнодорожникам, молниеносно фиксируя опасное повышение температуры в подшипниках вагонных колёс.

Большие надежды возлагаются и на «электронный нос» , имитирующий обоняние животных и способный различать широкий спектр химических веществ в среде. Сейчас с этим справляются разнообразные спектрометры - крупногабаритные, стационарные и дорогие приборы. Очевидно, что для полевых и бытовых условий, для массового пользования, подойдут только дешёвые портативные аналоги. Но очень сложно подобрать какой-то один материал или универсальную технологию для идентификации разных молекул и калибровать по ним устройство. Но ничего фантастического в этой затее нет - решения рано или поздно найдутся.

2. Актуаторы , приспособленные к тяжёлому физическому труду, пока «выпускаются» ограниченно, но как и квалифицированные рабочие, они очень востребованы в промышленности. Наиболее часто в литературе обсуждаются подвижные микрозеркала, микроклапаны для контроля потока жидкостей или газа, микронасосы , элементы головок струйных принтеров для скоростной печати (Memjet), хирургические микроинструменты, микротранспортеры .

В этом ролике миниатюрное зеркало вращается по разным траекториям.

Микромеханические зеркала включают в «начинку» многоканальных коммутаторов оптоволоконных сетей, цифровых проекторов, телескопов и микроскопов. Ну и никуда не деться сейчас от всяких интернет-гаджетов: MEMS-зеркала успешно работают в технологиях создания пикопроекторов. При «доведении до ума» всех характеристик такие проекторы позволят визуализировать, например, собеседника при разговоре по телефону или фото/видео, проецируя картинку со смартфона на стену, одежду, лист бумаги. Однако приходится пока поломать голову над созданием эффективного источника света - энергоэкономичного, но обеспечивающего высокую яркость изображения.

На видео представлен принцип действия проектора PicoP компании Microvision Inc.: микрозеркало формирует изображение, сканируя и отклоняя в нужном направлении пучок из трёх разноцветных лазерных лучей, преломлённых линзой.

Микроактуаторы также рекрутировали для точной подстройки магнитных головок, отвечающих за детекцию сигналов в накопителях на магнитных дисках. MEMS в данном случае позволяет повысить плотность информации «дорожка на дюйм», а потому и ёмкость накопителя.

Созданы и микроэлектромеханические актуаторы, способные работать как высокочастотные резонаторы.

3. Резонаторы или осцилляторы - перспективные «кадры» для синхронизации и фильтрации частот (в часах реального времени, портативной электронике, брелоках-ключах для автосигнализации и др.). Миниатюрные MEMS могут заменить целые узлы для широкополосных систем связи, снизив тем самым массогабаритные показатели, стоимость и энергопотребление устройств радиочастотной коммуникации.

Высокочастотные MEMS-осцилляторы (1-125 МГц) 2006 года выпуска от компании SiTime имели размеры 2×2,5×0,85 мм. Резонаторы семейства SiT15xx (1-32 кГц, 2013 год) оказались на 85% меньше, в 15 раз надёжнее и на 50% энергоэкономичнее, чем кварцевые аналоги. Кстати, даже первый кремниевый МЭМС-резонатор в пластмассовом корпусе SiT1052 позиционировался SiTime как заведомо бездефектный продукт. По мнению экспертов, MEMS-приборы способны вытеснить с рынка менее компактные и устойчивые к механическому шоку и вибрации, но более дорогие кварцевые осцилляторы. Благодаря разработке упаковки, совместимой с традиционной CMOS-архитектурой, новые MEMS-устройства активно приобретаются микроэлектронщиками, замещая кварц кремнием в технологиях синхронизации.

MEMS-приборы способны вытеснить с рынка менее компактные и устойчивые к механическому шоку и вибрации, но более дорогие кварцевые осцилляторы.

Все приведённые выше категории микромашин «встречаются» в мобильных интернет-устройствах. Симбиотические отношения в них выстраивают акселерометры (в смартфоне количество этих MEMS перевалило уже за десяток), гироскопы, микрофоны, радиочастотные переключатели и резонаторы. Возможно, в скором времени все они найдут применение и в компонентах систем «Умный дом» , поспособствовав более широкому внедрению этих технологий в быт населения с невысокими доходами.

Тройку лидеров по производству MEMS-устройств формируют компании ST Microelectronics, Bosch и Texas Instruments.

В будущем много интересных решений ожидают от реализации на одном чипе систем «глаз (сенсор)-мозг (микросхема)-рука (актуатор)», способных одновременно чувствовать среду, управлять ею и проводить самотестирование, существенно снижая при этом стоимость конечного продукта.

Всё течёт, всё измеряется...

Особого внимания заслуживает направление, объединяющее MEMS с микро-/нанофлюидикой и прецизионным конструированием.

«Лаборатории на чипе» - одни из самых обсуждаемых и уже реализованных в несложных формах конструкций « MEMS-микрофлюидика» . На чипах размером с кредитку (иногда и меньше) с целью диагностики заболеваний или загрязнений среды можно осуществлять комплексы параллельных и последовательных химических или иммунных реакций, разделяя и смешивая промежуточные продукты. Классические варианты lab- on- chip производят полимеразную цепную реакцию (ПЦР) для выявления ДНК возбудителей инфекций или обнаруживают с помощью иммобилизованных антител онкомаркеры, токсины, наркотики. Даже если предусмотрены дополнительные считыватели, эти устройства не только портативны, но и дёшевы, могут выпускаться в виде безумно простых в использовании одноразовых картриджей, проводящих реакции всего за минуты или часы. Такие преимущества особенно ценны в местностях, где нет оснащённых техникой и реактивами лабораторий. В Сингапуре в 2013 году, например, разработали портативный кит с чипом VereTrop, позволяющий по одному образцу крови диагностировать за несколько часов 13 тропических инфекций, многие из которых проявляются одинаковыми симптомами, а лечения требуют разного.

«Лаборатории на чипе» не только портативны, но и дёшевы, могут выпускаться в виде безумно простых в использовании одноразовых картриджей, проводящих реакции всего за минуты или часы.

Микрофлюидическая схема (может быть частью «лаборатории на чипе»)

На стадии разработки находятся устройства «MEMS-нанофлюидика» . По словам С. Полонского (монолог на postnauka.ru), директора Института передовых технологий Самсунг (Россия), это направление «выстрелит» прежде всего в сфере секвенирования («чтения») ДНК , причём секвенирования в рамках персональной медицины. Поскольку геном каждого человека имеет свои особенности, то компенсация тех или иных патологий в идеале требует индивидуального подхода. Более того, при онкологических заболеваниях для назначения адекватной терапии желательно знать последовательности ДНК клеток конкретной опухоли конкретного человека. Для таких случаев очень подошли бы компактные, портативные и недорогие устройства с высокой чувствительностью.

Стандартизация технологий производства всегда снижает цену конечного продукта, это применимо и к устройствам «MEMS-нанофлюидика». Создавать наноканалы диаметром более 20 нм, интегрировать их с кремниевыми микросхемами можно совершенно стандартными способами. Сенсоры, усилители, микропроцессоры интегрируются с наноканалами монолитно. Эти наноканалы заполняются электролитом и по ним запускаются по разности потенциалов (электрофорез) или градиенту давления молекулы ДНК (как известно, они отрицательно заряжены). К системе подключают наноэлектроды и фиксируют, что мимо них проходит. Пока такие устройства «видят» только фрагменты ДНК, а не её элементарные частицы - нуклеотиды. Неизвестно, можно ли вообще добиться разрешения на уровне единичных нуклеотидов с помощью «электрических» методов. Возможный выход - гибридизация этой технологии с оптикой. В частности, эффект гигантского усиления оптического отклика наноструктурами (сигналов поверхностно-усиленного рамановского рассеяния и люминисценции ) считается очень перспективным для создания суперчувствительных оптических биосенсоров.

По нанофлюидическим системам можно передавать не только ДНК, но и белки.

Секвенирование - это первый и вполне достижимый этап , в дальнейшем подобные системы планируется приспособить под органический синтез. Однако, как водится, всплывает большое НО: внедрение новых технологий ограничивается не только, а порой и не столько, научно-техническими недоработками или экономической нецелесообразностью. Бурное развитие методик секвенирования с постоянным удешевлением процесса сейчас замедлилось . Из компетентных источников известно, что несколько компаний монополизировали отрасль производства секвенаторов и новых реагентов, и это привело к прекращению падения цены в пересчёте на прочитанный нуклеотид (аналог бита информации). Судя по всему, монополисты скупают конкурирующие технологии «в зародыше», убивая таким образом отраслевую конкуренцию. А вместе с ней, кстати, и мечту о персональной медицине.

Несколько компаний монополизировали отрасль производства секвенаторов и новых реагентов, что привело к прекращению падения цены в пересчёте на прочитанный нуклеотид (аналог бита информации).

Не менее актуально и такое экзотическое приложение MEMS, как производство гибридных органов . Например, в Институте регенеративной медицины при Питтсбургском университете бьются над созданием биогибридных лёгких, имитирующих альвеолярный газообмен. Человек дышит посредством нагнетания воздуха в альвеолы (пузырьки) лёгких, покрытые густой сетью капилляров. Через стенку толщиной всего 0,5 мкм из альвеол в капиллярную кровь просачивается кислород, а обратно - углекислый газ, удаляемый из организма при выдохе. При поражениях лёгких (рак, эмфизема) нарушается целостность альвеол и страдает газообмен, что постепенно ведёт к смерти. Спрос на донорские лёгкие значительно превышает возможности трансплантологов.

Питтсбургский биогибрид, содержащий MEMS размером с пластиковую карту, симулирует альвеолы, обеспечивая тесный контакт между протекающей кровью и воздухом. Чип пронизан микроканалами, заполненными или воздухом, или кровью; эти среды разделены тончайшей мембраной, имитирующей стенку альвеол. Кровяные микроканалы выстланы слоем клеток из пуповины (в перспективе их планируют заменить собственными жировыми клетками пациента) для предотвращения сворачивания крови при небольшой скорости тока. Когда «наладят» функционирование таких минимальных ячеек, их интегрируют в крупные модули a la натуральные лёгкие, пригодные к имплантации или ношению на поверхности тела.

Микро-нано-симбиоз

Глубокое взаимопроникновение MEMS и нанотехнологий неизбежно. При переходе на следующий этап миниатюризации термин MEMS вообще сливается с NEMS - наноэлектромеханическими системами . Фактически взаимопроникновение наблюдается уже сейчас. Например, работа сканирующих атомно-силовых микроскопов , позволяющих изучать нанометровые объекты и манипулировать атомами и молекулами, по сути, основана на MEMS (кантилеверы - подвижные микробалки). Эти микроскопы могут, в свою очередь, использоваться при производстве микро- и наномашин. Интересно, что принципы работы атомно-силового микроскопа компания IBM использовала при создании накопителя с высокой плотностью хранения данных: энергонезависимая память Millipede (рус. многоножка) основана на записи и считывании битов информации в виде наноямок в полимерном слое посредством разогреваемых наномеханических зондов. Это очень напоминает работу с «ушедшими в историю перфокартами». Несмотря на возможность уплотнения до 1 Гбит на мм 2 , Millipede пока не удаётся конкурировать с флэш- и другими «прокачанными» технологиями.

Что такое МЭМС?Микроэлектромеханические системы (МЭМС) – это
системы, включающие в себя взаимосвязанные
механические и электрические компоненты микронных
размеров.
Трехосевой
акселерометр
Электрический
микродвигатель

Что такое МЭМС?

МЭМС =
Электроника + Микромеханика

История создания

1958 г. - первые прототипы интегральных схем (ИС);
1960 г. - мелкосерийный выпуск ИС;
1974 г. - промышленный выпуск тензодатчиков на
основе кремния (National Semiconductors);
1982 г. - термин микрообработка (micromachining)
используется для описания процессов изготовления
механических подсистем (диафрагм и микробалок);
1986 г. - в одном из отчетов министерства обороны
США был впервые использован термин
“микроэлектромеханические системы” (МЭМС);

Способы изготовления

Изготовление МЭМС
Объемная
микрообработка
(bulk micromachining)
Поверхностная
микрообработка
(surface micromachining)
Субтрактиный подход – от
целого отсекаем лишнее
(как изготовление статуи)
Аддитивный подход –
строим целое из
кирпичиков
(как строительство дома)

Объемная микрообработка

Это процесс, идущий от поверхности материалаосновы вглубь, при которой травлением
последовательно удаляются ненужные участки этого
материала, в результате чего остаются механические
структуры необходимой формы.
Микрозахват (microgripper)
Микрокантилеверы

Объемная микрообработка

Si
Отжиг
XeF2
SiO2
Si
SiO2
Si
Литография
Фоторезист
SiO2
Si
RIE
SiO2
Si

Поверхностная микрообработка

Это процесс, заключающийся последовательных
циклах нанесение тонких слоев материала, которые
затем с помощью литографии и последующего
травления приобретает необходимую геометрическую
форму
Система зубчатой
передачи
Элемент
тепловизионной
матрицы

Поверхностная микрообработка

Обобщенная схема изготовления МЭМС

Применение МЭМС

Датчики:
Акселерометры;
Гироскопы;
Магнетометры;
Датчики давления
расходометры
Исполнительные
механизмы (актуаторы):
Микродвигатели;
Микрозахваты;
Микрозеркала;
Области применения:
1. МЭМС-компоненты для высокочастотной электроники (RF MEMS);
2. Датчики на основе сил инерции;
3. Акустические и ультразвуковые МЭМС, датчики давления;
4. Оптические МЭМС;
5. Биомедицинские МЭМС;
6. Микроманипуляторы.

Высокочастотные МЭМС ключи

F2
F1
Земля
h0
Земля
Земля
Сигнал
S
V
V
Вид сверху
Вид сбоку
V’ = 0
Земля

Высокочастотные МЭМС ключи

Vкр= 30-50В

Датчик давления на основе МЭМС

P1
P2
F2
h
F1
Датчики давления
пьезорезистивного типа
Датчики давления
емкостного типа

Акселерометры и гироскопы

F1
F2

Акселерометры и гироскопы

Оптические МЭМС

Элементы МОЭМС: зеркала,
призмы, линзы
Электростатически
управляемое микрозеркало

Оптические МЭМС: DLP

DLP (Digital Light Processing) - технология, используемая во
многих проекторах
Устройство отклоняющих
зеркал
Красной стрелкой показан путь луча
света от лампы к матрице, через
диск светофильтров, зеркало и
линзу. Далее луч отражается либо в
объектив (жёлтая стрелка), либо на
радиатор (синяя стрелка).

Оптические МЭМС: микроболометры

Инфракрасное излучение пройдя сквозь систему линз попадает на
поглощающий элемент, нагревая его. Рядом с этим элементов находится
терморезистивная пленка, меняющее свое сопротивление от нагрева. Так
как температурные коэффициент изменения сопротивления при комнатной
температуре невелик (порядка 2% на градус для диоксида ванадия)

В исполнительных механизмах на основе МЭМС технологий обычно
задействуются следующие компоненты:
1. Элементы на основе обратного пьезолектрического эффекта – можно
получать большие величины силы, но величина смещения мала. Требует
высоких электрических напряжений;
2. Биморфные элементы на основе двух материалов с разным
температурным коэффициентом расширения. Можно получать большие
величины силы и смещения, процесс происходят медленно и им сложно
управлять;
3. Электростатические элементы, работающие за счет
электростатического притяжения и отталкивания между обкладками
конденсатора. Небольшие величины силы и смещения, легко изготовить,
требуются большие значения электрического напряжения;
4. Элементы на основе магнитных катушек. Слабые величины силы,
сложно изготовить;

Исполнительные механизмы МЭМС

Пьезакерамический элемент сканера
атомно-силового микроскопа
Биморфный (Si - Al)
элемент. Стрелкой
показано направление
изгиба при его нагреве

Исполнительные механизмы МЭМС

Электростатические актуатор
линейного движения
Электростатические актуатор
углового движения

Список литературы

1. “ВЧ МЭМС и их применение” Варадан В., Виной К., Джозе К.,
Техносфера, 2004.
2. “Электромеханические микроустройства”, Н. Мухуров,Г. Ефремов,
Litres, 2014.
3. MEMS and MOEMS Technology and Applications, P. Rai-Choudhury, SPIE
Press, 2000.
4. MEMS: Introduction and Fundamentals, M. Gad-el-Hak, CRC Press, 2005.
5. An Introduction to Microelectromechanical Systems Engineering, N. Maluf,

Здоровье гика

Микроэлектромеханические системы (МЭМС) представляют собой класс миниатюрных устройств и систем, изготовленных с помощью микрообработки процессов. Главный критерий при создании МЭМС – их размер. Обычно он не превышает 1 мм. Технологии МЭМС являются предшественником относительно более популярной области технологий, где размер устройств начинается от 100 нанометров.

Изначально термин МЭМС был придуман для обозначения миниатюрных датчиков и исполнительных механизмов, действующих между электрическими и механическими областями устройства. Постепенно термин эволюционировал вместе с самими МЭМС и охватил широкий спектр различных микроустройств, изготовленных при помощи микромеханической обработки.

Аналогичным образом термин «биомедицинские микроэлектромеханические системы » используется для обозначения науки и технологии производства микроприборов для биологических и медицинских применений. К ним относят биомедицинские датчики, имплантаты, микрохирургические инструменты и другие устройства.

Изобретение точечного транзистора Уильямом Шокли , Джоном Бардином и Уолтером Браттейном в 1947 году послужило толчком к созданию МЭМС. Первый транзистор был размером с 1,3 сантиметра, что намного больше нынешних. Современные технологии позволяют создавать транзисторы диаметром около 1 нанометра.

В 1954 году К.С. Смит обнаружил и описал пьезорезистивный эффект – изменение электрического сопротивления полупроводника или металла под воздействием механической нагрузки. В отличие от пьезоэлектрического эффекта, пьезорезистивный эффект вызывает изменения только в электрическом сопротивлении, а не в электрическом потенциале.

В результате экспериментов стало понятно, что кремний и германий более чувствительны к давлению воздуха или воды, чем металлы. Во многих устройствах МЭМС, таких как тензодатчики, датчики давления и акселерометры, используется пьезорезистивный эффект в кремнии.

Результатом открытия этого эффекта в полупроводниках стало начало промышленного производства датчиков давления на основе кремния. В 1959 году компания Kulite первой поставила их производство на поток.

При создании транзисторов инженеры сталкивались с ограничением размера. Каждый транзистор нужно было подсоединять проводами ко всей остальной электронике. Тогда возникла необходимость в чем-то таком, что могло бы вмещать в себя транзисторы, резисторы, емкости и соединительные провода. Одна такая подложка позволила бы создавать миниатюрные устройства.

Так в 1958 году два человека – Джек Килби из американской компании Texas Instruments и Роберт Нойз из Fairchild Semiconductor независимо друг от друга – собрали интегральную схему. Схема Килби состояла из транзистора, трех резисторов и одной емкости на кристалле германия – так называемая «твердая схема». Схема Нойза получила название «унитарной» и была сделана на кремниевом кристалле.

Схема Килби

В 1964 году компания Westinghouse Electric собрала первую серийную МЭМС. В устройстве, которое назвали резонансным затворным транзистором, были собраны механические и электронные компоненты. Транзистор работал как своеобразный частотный фильтр – пропускал электрические сигналы определенного диапазона.

Первое коммерческое применение МЭМС не заставило себя долго ждать: в 70-х годах Курт Петерсон из лаборатории IBM собрал микромеханический датчик давления, который нашел применение в датчиках кровяного давления.

В 1993 году компания Analog Devices стала первой серийно выпускать акселерометры МЭМС. В большинстве своем они использовались в автомобильной промышленности, но с годами область их применения расширилась до автономных систем навигации, игровых контроллеров, а также мобильных и компьютерных систем.

Области применения технологии МЭМС

В первые годы своего существования технология МЭМС оказалась революционной для многих областей науки, в том числе механики, акустики, оптики и других. Со временем появились уникальные решения и продукты в химической, биологической и медицинской области. МЭМС проникли в бытовую технику и электронику, автомобильную, биомедицинскую и аэрокосмическую промышленность.

Датчики давления

Первые микроэлектромеханические устройства, которые использовались 1980-х годах в биомедицинской промышленности – многоразовые датчики кровяного давления. Современные датчики давления МЭМС измеряют внутриглазное, внутричерепное, внутриутробное давление, а также используются во время ангиопластики.

По данным ВОЗ, глаукома – вторая самая частая причина слепоты после катаракты. Имплантируемые датчики давления позволяют непрерывно мониторить внутриглазное давление у пациентов с глаукомой. В здоровом глазу поддерживается давление в диапазоне 10-22 мм ртутного столба. Аномально высокое давление (>22 мм) и его колебания рассматриваются в качестве основных факторов риска развития глаукомы.

Это заболевание часто возникает без каких-либо заметных симптомов и боли, но может привести к необратимому и неизлечимому повреждению зрительного нерва. Без своевременного лечения страдает периферическое зрение и иногда наступает полная слепота.

Один из датчиков, измеряющих ВГД, показан ниже. Он представляет собой одноразовую контактную линзу с элементом датчика давления МЭМС. Датчик включает в себя петлю антенны (золотое кольцо), микропроцессор специального назначения – чип 2х2 мм и тензорезисторы для измерения кривизны роговицы в ответ на изменения внутриглазного давления. Петля антенны получает питание от внешней системы мониторинга и передает информацию обратно в систему.

Инерциальные датчики

Акселерометры МЭМС используются в дефибрилляторах и кардиостимуляторах. Пациенты, страдающие от учащенного или хаотичного сердцебиения, зачастую подвержены наиболее высокому риску остановки сердца или сердечного приступа.

Кардиостимулятор поддерживает нормальное сердцебиение путем передачи электрических импульсов к сердцу. В современных устройствах используются МЭМС-акселерометры, которые регулируют частоту сердечных сокращений в соответствии с физической активностью пациента.

Кроме того, инерциальные датчики МЭМС – акселерометры и гироскопы – использовались для разработки одной из самых необычных инвалидных колясок iBOT Mobility System. Сочетание нескольких датчиков позволяет пользователю управлять инвалидным креслом и регулировать высоту кресла, заставляя коляску балансировать на двух колесах. Таким образом человек в коляске может взаимодействовать с другими людьми лицом к лицу.

Измерительные преобразователи

Измерительные преобразователи нашли свое применение в слуховых аппаратах. Эти электроакустические приспособления используются для приема, усиления и направления звука в ухо. Таким образом слуховые аппараты компенсируют потерю слуха и делают аудиосигналы более различимой для пользователя.

Согласно статистике, 80% людей с частичной или полной потерей слуха не устанавливают слуховые аппараты. Причинами зачастую является нежелание признавать потерю слуха и социальные стереотипы, связанные с заблуждениями о ношении слуховых аппаратов. Следуя этим данным, многие производители вкладывают силы и деньги в миниатюризацию аппаратов, которая при этом не шла в ущерб производительности.

Технологии МЭМС позволяют уменьшить форм-фактор, стоимость и энергопотребление по сравнению с традиционными решениями. Так, например, Analog Devices, объем которого составляет всего 7,3 мм3, включает в себя микрофон МЭМС, подходящий в качестве слухового аппарата.

Микрогидродинамические системы

Микрогидродинамика представляет собой область научного знания, в которой рассматривается поведение малых объемов и потоков жидкостей. Типичная микрогидродинамическая система состоит из: игл, каналов, клапанов, насосов, смесителей, фильтров, датчиков и резервуаров.

Такие системы часто используются для проведения медицинских тестов у постели больного. Особую роль такие тесты и анализы играют в развивающихся странах, где доступ к больницам ограничен, а лечение обходится дорого. Диагностические микрогидродинамические системы используют телесные жидкости (слюну, кровь или образцы мочи) для предварительной подготовки образца для анализа, обнаружения искомого компонента в пробе вещества, а также для анализа данных и отображения результатов. Одной из самых широко известных и распространенных микрогидродинамических систем является тест на беременность.

Кроме того, эти системы используются для доставки лекарственных средств в конкретный орган человека. Так, при помощи микроигл осуществляется чрескожная доставка лекарственных средств. Существуют еще имплантируемые системы доставки (инсулиновая помпа, стенты с лекарственными препаратами) и непосредственно средства доставки лекарства (микро- и наночастицы).

Для больных сахарным диабетом в 2012 году была разработана специальная система доставки инсулина – JewelPUMP. Первая версия была установлена на одноразовый кожный пластырь и обеспечивала непрерывную подачу инсулина в организм человека. Вся система весила всего 25 граммов и вмещала до 5000 единиц инсулина, которого хватало на 7 дней без дополнительного пополнения или замены.

Микромеханические иглы

Современные технологии микрообработки позволяют изготавливать иглы размером менее 300 мкм, что является пределом традиционных методов обработки. Как правило, длина микроиглы МЭМС составляет менее 1мм. Их используют для доставки лекарственных средств, записи биомедицинских сигналов, взятия проб жидкостей, раковой терапии и микродиализа.

Часто такие микроиглы интегрируются в какое-либо устройство и используются в сочетании с системами микроканалов. Твердые и полые микроиглы изготавливаются при помощи микрообработки из кремния, стекла, металлов и полимеров. Они бывают разных форм – от цилиндрических до восьмиугольных.

Твердые микроиглы, изготавливаемые методом реактивного ионного травления кремния.

Микрохирургические инструменты

Малоинвазивная хирургическая процедура призвана обеспечить диагностику, мониторинг или лечение заболеваний путем проведения операций с очень маленькими разрезами или даже через естественные отверстия на теле человека. Преимущества такой хирургии перед традиционной открытой – меньше боли, минимальное повреждение тканей и количество рубцов, быстрое восстановление после операции, а зачастую и более низкая стоимость для пациента.

К общим процедурам малоинвазивной хирургии относят ангиопластику, катетеризацию, эндоскопию, лапароскопию и нейрохирургию. Микрохирургические инструменты на основе МЭМС являются наиболее приемлемыми технологиями в малоинвазивной хирургии.

Так для проведения процедуры ангиопластики, предназначенной для восстановления нормального кровотока через закупоренные артерии, используются сердечные стенты. Их вводят в кровеносный сосуд через катетер, чтобы расширить сосуд. Существует два основных типа стентов: металлические и полимерные стенты Полимерные, в свою очередь, подразделяются на рассасываемые и нерассасываемые. Очевидно, что первые являются более привлекательными, поскольку могут раствориться внутри тела после того, как выполнят свое предназначение.

С момента первого серийного выпуска МЭМС прошло уже более 50 лет. За это время технология биомедицинских МЭМС прочно вошла в нашу жизнь: с ее помощью стало возможным помогать людям с ограниченными возможностями, лечить серьезные заболевания и проводить безопасные хирургические операции. Технология продолжает активно развиваться благодаря созданию и открытию новых материалов, что позволяет уменьшать размеры МЭМС и тем самым расширять сферу их применения.

За последние несколько лет широкое распространение по всему миру получили датчики, основанные на микроэлектромеханических системах, так называемых МЭМС. Популярность данных устройств обусловлена рядом причин, основными из которых являются простота их использования, относительно низкая цена и малые габариты. МЭМС-датчики, как правило, оснащаются интегрированной электроникой обработки сигнала и не имеют движущихся частей. Этим обуславливается их высокая надежность и способность обеспечивать стабильные показания в достаточно жестких условиях окружающей среды (перепады температур, удары, влажность, вибрация, электромагнитные и высокочастотные помехи). Совокупность данных преимуществ побуждает производителей систем для различных сфер применения (от авиа - и автомобилестроения до бытовой техники) использовать в своих разработках те или иные МЭМС-сенсоры.

В данной статье будут рассмотрены МЭМС-датчики для измерения ускорения (акселерометры) и угловой скорости (гироскопы). Данные устройства активно используются в системах управления летательными аппаратами, для обеспечения безопасности движения автомобилей, в сельскохозяйственной технике, изделиях специального назначения и др. В настоящее время существует достаточно много различных решений по исполнению МЭМС-устройств. В их числе - одноосевой МЭМС-гироскоп с вибрирующим кольцом и трехосевой емкостной МЭМС-акселерометр.

Одноосевой МЭМС-датчик угловой скорости (гироскоп) с вибрирующим кремниевым кольцом

Данный кремниевый цифровой гироскоп разработан с учетом требований к низкой стоимости изделия и экономичному энергопотреблению для систем навигации и наведения нового поколения. Он способен измерять угловую скорость до ± 1,0 є/с и имеет два режима вывода: аналоговый сигнал напряжения, линейно-пропорциональный угловой скорости, и цифровой по протоколу SPI®.

Режима вывода - аналоговый или цифровой - выбирается пользователем при подключении датчика к какой-либо системной плате. Главной отличительной особенностью гироскопа является применение технологии сбалансированного вибрирующего кольца в качестве датчика угловой скорости. Именно она обеспечивает надежную работу и точное измерение скорости вращения даже в условиях сильной вибрации.

Возможны две основные конфигурации гироскопа, одна из них позволяет датчику измерять угловую скорость по оси, перпендикулярной к плоскости системной платы, другая дает возможность определять угловую скорость по оси, параллельной плоскости материнской платы. Сочетание в одном устройстве гироскопов обеих конфигураций позволяет получить инерциальную систему, измеряющую угловую скорость по нескольким осям (любые сочетания тангажа, крена и рысканья летательного аппарата). Размеры датчиков обеих конфигураций и оси измерения угловой скорости приведены на рис.1.

Как правило, подобные гироскопы выпускаются в герметичных керамических LCC корпусах которые можно устанавливать на системные платы. Датчик состоит из пяти основных компонентов:
- кремниевый кольцевой МЭМС-сенсор (MEMS-ring),
- основание из кремния (Pedestal),
- интегральная микросхема гироскопа (ASIC),
- корпус (Package Base),
- крышка (Lid).

Кремниевый кольцевой МЭМС-сенсор, микросхема и кремниевое основание размещены в герметичной части корпуса с вакуумом, частично заполненным азотом. Это дает серьезные преимущества перед сенсорами, которые поставляются в пластиковых корпусах, которые имеют определенные ограничения чувствительности в зависимости от уровня влажности.

Кремниевый кольцевой МЭМС-сенсор

Диаметр кремниевого МЭМС-кольца равен 3 мм., толщина - 65 мкм. Его изготавливают методом глубокого реактивного ионного травления объемных кремниевых структур на 5” пластинах. Кольцо поддерживается в свободном пространстве восемью парами симметричных спиц, которые исходят из твердого концентратора диаметром 1 мм. в центре кольца.

Процесс объемного травления кремния и уникальная технология изготовления кольца позволяют получить хорошие геометрические свойства, необходимые для точного баланса и термической стабильности сенсорного кольца. В отличие от других гироскопов здесь нет мелких расхождений, создающих проблемы с интерференцией и трением. Указанные особенности существенно определяют стабильность датчика при колебаниях температуры, вибрации или ударе. Еще одним преимуществом подобной конструкции является ее «врожденный» иммунитет к ошибкам, которые датчики могут выдавать под влиянием ускорения, или «g - чувствительности».

Пленочные приводы и преобразователи прикреплены к верхней поверхности кремниевого кольца по периметру и для получения электроэнергии подключены к связующим контактам в центре концентратора через треки на спицах. Это активирует или «заводит» периметр кольца в рабочий режим вибрации на уровне Cos2и с частотой 22 кГц, определяя радиальное перемещение, которое может осуществляться по причине первичного движения привода либо за счет действия кориолиосовой силы, когда гироскоп вращается относительно его оси чувствительности. Существует одна пара приводов первичного движения, одна пара первичных снимающих преобразователей и две пары вторичных снимающих преобразователей.

Комбинация сенсорной технологии и восьми вторичных снимающих преобразователей улучшает в датчике соотношение «сигнал/шум», что позволяет получать малошумящие устройства с отличными свойствами по угловому случайному дрейфу гироскопа, которые являются ключевыми для применения в сферах инерциальной навигации (например, стабильность наведения камеры или антенны). Описанную схему можно сравнить с камертонной структурой, содержащей бесконечное количество камертонов, интегрированных в единую балансирующую вибрирующую кольцевую конструкцию. Это обеспечивает наиболее высокую стабильность измерения угловой скорости по времени, температуре, вибрациям и ударам для МЕМС-гироскопов данного класса.

Концентратор в центре кольца сенсора установлен на цилиндрическом кремниевом основании диаметром 1 мм., которое связано с кольцом и ASIC с помощью эпоксидной смолы. Микросхема гироскопа имеет габариты 3х3 мм и изготовлена по технологии 0,35 мкм КМОП. ASIC и МЭМС-сенсор (кольцо) разделены физически, но соединены электрической цепью через золотые проводки. В связи с этим в подобной схеме отсутствуют внутренние каналы, что позволяет уменьшить шумовую нагрузку и получить отличные электромагнитные свойства.

Керамический корпус датчика изготовлен по технологии LCC и представляет из себя многослойную оксидно-алюминиевую конструкцию с внутренними контактными площадками для разварки, соединенными через корпус с наружными контактными площадками посредством многослойных вольфрамовых межсоединений. Аналогичные интегральные межсоединения есть в крышке гироскопа, что обеспечивает размещение чувствительного элемента датчика внутри щита Фарадея и хорошие электромагнитные показатели гироскопа. При этом внутренние и наружные контактные площадки покрыты гальваническим путем слоем никеля и золота.

Корпус включает в себя уплотнительное кольцо, на верхней части которого шовной сваркой приварена металлическая крышка. Сварка произведена электродом сопротивления, что создает полную герметичность конструкции. В отличие от большинства МЭМС-корпусов, доступных сегодня на рынке, при изготовлении корпуса данного устройства используется специально разработанная шовная сварка, при которой исключена возможность образования комочков (брызг) сварки внутри гироскопа. При использовании других технологий сварки сварочные брызги могут попадать на нижние конструкции и негативно влиять на надежность гироскопа за счет воздействия на вибрирующий МЭМС-элемент, особенно в тех местах, где конструкции имеют небольшие зазоры. В корпусе также есть встроенный датчик температуры для обеспечения внешней термокомпенсации.

Принцип действия системы гироскопа

Описываемые гироскопы обычно являются твердотельными устройствами и не имеют движущихся частей за исключением сенсорного кольца, которое имеет возможность отклоняться. Оно показывает величину и направление угловой скорости за счет использования эффекта «силы Кориолиса». Во время вращения гироскопа силы Кориолиса действуют на кремниевое кольцо, являясь причиной радиального движения по периметру кольца.

По периметру кольца равномерно расположены восемь приводов/преобразователей. При этом есть одна пара приводов «первичного движения» и одна пара первичных снимающих преобразователей, расположенных относительно их главных осей (0° и 90°). Две пары вторичных переключающих преобразователей расположены относительно их вторичных осей (45° и 135°). Приводы первичного движения и первичные переключающие преобразователи действуют вместе в замкнутой системе, чтобы возбуждать и контролировать первичную рабочую амплитуду вибрации и частоты (22 кГц).

Вторичные снимающие преобразователи распознают радиальное движение на вторичных осях, величина которого пропорциональна угловой скорости вращения, благодаря которой гироскоп обретает угловую скорость. Преобразователи производят двухполосный сжатый передающий сигнал, демодулирующийся обратно в полосы, ширина которых контролируется пользователем одним простым внешним конденсатором. Это дает пользователю возможность полностью контролировать производительность системы и делает преобразование абсолютно независимым от постоянного напряжения или низкочастотных параметрических условий электроники.

На рисунках 3 и 4 продемонстрирована структура кремниевого кольца сенсора, показывающая приводы первичного движения «PD» (одна пара), первичные снимающие преобразователи «PPO» (одна пара) и вторичные снимающие преобразователи «SPO» (две пары).

На рисунке 5 схематично показано кольцо, при этом спицы, приводы и преобразователи удалены для ясности. В данном случае гироскоп выключен, кольцо круглое.

В момент, когда датчик находится в выключенном состоянии, в кольце возбуждается движение вдоль его основных осей за счет приводов первичного движения и первичных снимающих преобразователей, воздействуя в замкнутом контуре на систему контроля ASIC. Круглое кольцо принимает в режиме Cos2и эллиптическую форму и вибрирует с частотой 22 кГц. Это показано на Рис.6, на котором гироскоп уже включен, но еще не вращается. На четырех вторичных снимающих узлах расположенных на периметре кольца под углом 45 по отношению к основным осям нет радиального движения.

Если гироскоп подвергается воздействию угловой скорости, то на кольцо действуют силы Кориолиса: по касательной к периметру кольца относительно главных осей. Эти силы деформируют кольцо, что вызывает радиальное движение вторичных снимающих преобразователей. Данное движение, определяемое на вторичных снимающих преобразователях, пропорционально прилагаемой угловой скорости. При этом двухполосный сжатый передающий сигнал демодулируется с учетом основного движения. В итоге получается низкочастотный компонент, который пропорционален угловой скорости.

Рис. 7 Режимы работы сенсорного кольца при вращающемся гироскопе

Схема управления всем гироскопом расположена в ASIC.

Рис. 8 Блоковая диаграмма функционирования ASIC-сенсора
Рис. 9 Внешний вид ASIC-гироскопа

Подобные датчики обладают миниатюрными габаритами (6,5х1,2 мм) при сверхнизком потреблении энергии (12 мВт). Для них характерен широкий диапазон измерения (до 900 градусов/сек), сверхмалый вес 0,08 грамм и высокая стабильность работы.
Гироскопы подобной конструкции можно с успехом применять для измерения скоростей вращения объекта по трем осям в транспортных и персональных навигаторах для определения и сохранения параметров движения и определения местоположения; в системах отслеживания по трассе на сельскохозяйственной технике для стабилизации антенн; в промышленной аппаратуре, робототехнике и других сферах. Использование данных датчиков угловой скорости на летательных аппаратах позволяет на порядок уменьшить габариты, вес, энергопотребление приборов и в результате значительно снизить цену навигационной системы в целом. Надежность и точность в управлении широкого спектра самолетов, вертолетов и других летательных аппаратов при этом увеличивается. Таким образом, данный вид гироскопов оптимально подходит для использования в ситуации, когда есть ограничения по габаритам, весу и стоимости изделия.

Технические характеристики гироскопа

Параметр	Предельный диапазон значений	Типовая величина
Напряжение питания	2.7 3.6 В	3 В
Диапазон измерения	75, 150, 300, 900 градусов/сек	-
Чувствительность (аналоговый выход)	13.3, 6.7, 3.3, 1.0 мВ/Градус/сек	-
Температурное смещение чувствительности	+/- 3%	+/- 1%
«Ноль» Ѕ напряжения питания - ср. кв. отклонение (температурное отклонение)	+/- 3 градуса/сек	+/- 1,5 градус/сек
Нестабильность ср. кв. погрешности	-	< 40 градус/час
Ширина полосы (ослабление -3 дБ)	> 75 Гц - задается пользователем при использовании внешнего конденсатора	Аналоговый выход до 160 Гц Цифровой выход 150 Гц фикс.
Плотность шума	0.025 градус/сек/корень(Гц)	0,01 градус/сек/корень(Гц)
Случайный временной уход	-	0.28 градусов/корень(час)
Рабочая температура	-40...+85 градусов Цельсия -40 … +100 (при ограниченной работоспособности)	-
Температура хранения	-55 … +125 градусов Цельсия	-
Удары	3500 g в течение до 500 мкс 500 g в течение 1 мс 1 полуволна при включенном 100 g 6 мс при включенном	-
Вибрация	3,5 g в диапазоне 10 Гц - 5 кГц при включенном	-
Время включения	0.5 с	< 0,3 с
Вес	В зависимости от модификации от 0,08 до 0, 12 г.	-
Потребляемый ток	6 мА	4 мА

Емкостной трехосевой МЭМС-акселерометр с цифровым выходом

Высокопроизводительный трехосевой емкостной акселерометр изготовлен по специальной технологии 3D-МЭМС.

Рис. 10 Оси датчика, по которым проводится измерение ускорения

В корпусе датчика находятся высокоточный чувствительный элемент для определения ускорений и сервисная электроника (ASIC) с гибким цифровым выходом SPI.

Рис. 11 Высокопроизводительный 3-осевой емкостной акселерометр

Схематичное расположение ASIC и блока сенсорного элемента в датчиках подобной конструкции показано на рисунке 12.

Корпус акселерометра изготовлен из пластика, а крышка из металла. В нижней части корпуса по обеим сторонам расположены плоские свинцовые выводы для поверхностного монтажа на печатную плату.

Рис. 13 Конструкция корпуса акселерометра

Подобная конструкция корпуса гарантирует надежную работу сенсора на протяжении всего жизненного цикла. Для обеспечения стабильного выхода акселерометры подобного класса разрабатываются, производятся и тестируются в широком диапазоне температур, влажности и механического шума. У датчика есть возможность самодиагностики по нескольким сценариям. Он полностью совместим с одно- и двухосевыми акселерометрами данного типа, что дает возможность комбинировать датчики при построении различных сенсорных систем.

Описание технологии «3D-МЭМС»

Понятие «3D-МЭМС» представляет собой инновационное сочетание технологий для формирования кремния в трехмерные структуры, инкапсуляции и контактирования для легкого монтажа и сборки. В результате это обеспечивает высокую точность сенсора, маленький размер устройства и низкое потребление энергии. Таким образом, усовершенствованный сенсор может быть изготовлен в виде крошечного кусочка кремния, способного измерять ускорение в трех ортогональных направлениях.
Применяя технологию «3D-МЭМС», можно производить оптимизированные структуры для точных датчиков угла наклона, например, для обеспечения механического затухания в акселерометрах с целью использования сенсоров в условиях сильной вибрации и высокоточных альтиметрах. Энергопотребление рассматриваемых акселерометров является крайне низким, что дает им значительное преимущество при использовании в устройствах с батарейным питанием. В то же время при производстве инклинометров, 3D-МЭМС-технология обеспечивает точность уровней лучше одной угловой минуты и отвечает самым высоким требованиям к качеству измерения.

Преимущества технологии «3D-МЭМС»

В качестве преимуществ технологии «3D-МЭМС» можно выделить следующие:
- использование монокристаллического кремния для изготовления МЭМС (идеально упругий материал: нет пластической деформации, выдерживает до 70000g циклов ускорений);
- емкостной принцип действия датчиков (обеспечивает прямое измерение отклонения в зависимости от большого числа вариантов величины зазора между двумя плоскими поверхностями; при этом емкость или заряд на паре пластин зависят от ширины зазора между ними и площади пластины);
- высокий уровень точности и стабильности;
- легкая диагностика при помощи ограниченного числа конденсаторов;
- низкая потребляемая мощность;
- высокая герметичность датчиков (позволяет снизить требования к упаковке; обеспечивает высокую надежность, так как частицы или химические вещества не могут попасть в элемент);
- симметричные структуры элементов (улучшенная стабильность нуля акселерометра, линейность и чувствительность по оси; низкая зависимость показаний от температуры; нелинейность обычно ниже 1%; чувствительность по оси обычно не превышает 3%);
- возможность производств датчиков по индивидуальному заказу (получение конкретных уровней чувствительности и частотных характеристик, необходимых заказчику; гибкие двухчиповые решения);
- реальные 3D-структуры (большие защитная масса и емкость обеспечивают высокую производительность при работе в диапазоне измерений при малых g; хорошая стабильность по «0» и низкое влияние шума на показания датчика; образование 3D-сенсорных элементов).

Принцип действия емкостного акселерометра

В рассматриваемом типе трехосевых акселерометров принцип определения ускорения достаточно прост и надежен: инерционная масса дает людям возможность ощущать ускорение за счет перемещения в соответствии со вторым Законом Ньютона. Основные элементы акселерометра - тело, пружина и инерционная масса (ИМ). Когда скорость тела сенсора изменяется, ИМ через пружину так же побуждается последовать этим изменениям. Сила, воздействующая на ИМ, является причиной изменения ее движения, поэтому пружина изгибается, и расстояние между телом и ИМ изменяется пропорционально ускорению тела.
Рабочие принципы сенсоров различаются в зависимости о того, по какому принципу определяется движение между телом и ИМ. В емкостном сенсоре тело и ИМ изолированы друг от друга и их емкость или емкостной заряд измеряются. Когда дистанция между ними уменьшается, емкость увеличивается и электрический ток идет по направлению к сенсору. В случае, когда расстояние увеличивается, наблюдается обратная ситуация: сенсор преобразует ускорение тела в электрический ток, заряд или напряжение.
Превосходные характеристики рассматриваемых датчиков основаны на технологии емкостного измерения и хорошо подходят для определения малых изменений в движении. Чувствительный элемент для определения ускорения сделан из монокристального кремния и стекла. Это обеспечивает сенсору исключительную надежность, высокую точность и устойчивость показаний по отношению к воздействию времени и температуры.
Как правило, чувствительный элемент датчика с диапазоном измерений ±1g выдерживает как минимум 50000g ускорений (1g = ускорение, вызванное силой тяжести Земли). Датчик измеряет ускорение, как в положительном, так и в отрицательном направлении, и чувствителен к статическому ускорению и вибрации. «Сердцем» акселерометра является симметричный чувствительный элемент (ЧЭ), изготовленный по технологиям объемной микромеханики, у которого есть два чувствительных конденсатора. Симметрия ЧЭ уменьшает зависимость от температуры и чувствительности по оси и улучшает линейность. Герметичность датчика обеспечивается за счет анодного соединения пластин друг с другом. Это облегчает корпусирование элементов, повышает надежность и позволяет использовать газовое затухание в сенсорном элементе.

Концепция гетерогенной Chip-on-MEMS-интеграции МЭМС-элементов и интегральных микросхем

В ходе производства трехосевого акселерометра применяют новую концепцию гетерогенной интеграции для объединения чувствительного элемента МЭМС и микросхемы (ASIC): «ЧИП-на-МЭМС» или CoM (chip-on-MEMS). Эта концепция основана на комбинации инкапсулированных на уровне пластины 3D-МЭМС-структур, технологии корпусирования на уровне пластины и технологии чипа на пластине. Все указанные процессы уже существуют на протяжении несколько лет. Их комбинация позволяет решать наиболее сложную проблему корпусирования: как экономически эффективно совместить МЭМС-элементы и интегральные микросхемы.
Исходя из описанной концепции, технология включает в себя следующие шаги:
- перераспределение и изоляция слоев на МЭМС пластине,
- нанесение 300 микронных шариков припоя,
- установка на МЭМС-пластину микросхем,
- пассивация зазоров между микросхемами и МЭМС,
- тестирование пластины с МЭМС-устройствами,
- резка пластины,
- финальное тестирование и калибровка сенсоров после резки.

Рис. 14 Симметричный чувствительный элемент емкостного акселерометра
Рис. 15 Схема установки на МЭМС-пластину интегральных микросхем

Таким образом, благодаря е технологии CoM, можно получить полноценное функциональное МЭМС-устройство с размером корпуса по периметру 4х2 мм. и высотой 1 мм. Данная технология полностью готова для производства датчиков, как для небольших партий, так и в промышленных масштабах.

Рис. 16 Некоторые этапы технологии производства акселерометров
Рис. 17 Двухосевая инерциальная система на основе акселерометра

Технические характеристики емкостного трехосевого акселерометра:

Параметр	Типовая величина
Электропитание	3.3 В
Диапазон измерений	±6 g
Разрешение АЦП	12 бит
AEC-Q	полностью совместимы
Встроенный температурный сенсор	-
Цифровой выход SPI	-
Максимальный удар	20 Kg
Рабочая температура	[-40;+125]С
Полоса пропускания	45…50 Гц
Улучшенная самодиагностика	-
Размер	7.7 х 8.6 х 3.3 мм
Совместимость	с 2 и 1-осевыми датчиками аналогичного типа

Благодаря отличным характеристикам по стабильности и вибрационной надежности рассматриваемые акселерометры могут успешно применяться в следующих сферах:
. электронный контроль стабильности движения контролируемого устройства,
. система помощи при старте двигателя на подъеме,
. электронный стояночный тормоз,
. электронная защита от переворачивания,
. регулировка подвески,
. контроль углов наклона,
. встроенные инерциальные системы,
. применение в промышленности для различных устройств.

Роль «Русской Ассоциации МЭМС» в развитии технологий производства сенсорных систем в России

Из большого количества возможных вариантов было рассмотрено только два типа МЭМС-датчиков. В настоящий момент существует множество способов производства и применения микроэлектромеханических сенсоров, и многие компаний по всему миру серьезно занимаются разработкой дизайна и технологий изготовления различных сенсорных устройств, в том числе на основе МЭМС.
«Русская Ассоциация МЭМС» (далее Ассоциация. прим.авт.) установила хорошие партнерские отношения с рядом ведущих российских и зарубежных разработчиков-производителей МЭМС-датчиков различного назначения. Среди них можно отметить некоторые немецкие предприятия, входящие в состав Ассоциации Silicon Saxony e.V., институт Fraunhofer, корпорации Honeywell International Inc. и Analog Devices Inc. (США), Московский государственный институт электронной техники (МИЭТ), a так же ряд компаний расположенных в разных странах мира. Благодаря контактам такого уровня у Ассоциации есть доступ к современным микросистемным технологиям, что дает ей возможность совместно с партнерами организовывать в России работу по следующим направлениям:
1) выработка рекомендаций для заказчиков по применению тех или иных сенсоров мировых производителей при производстве российских систем;
2) поставка различных датчиков (на базе МЭМС и других принципах) для измерения ускорения, угловых скоростей, давления, скорости потока жидкости или газа, температуры, влажности, определения движения объекта и его скорости, распознавания магнитных полей (компас);
3) доработка различных сенсорных компонентов известных мировых производителей под требования заказчика (изменение в ту или иную сторону диапазона измерений, функциональных характеристик и т.д.) с дальнейшим производством доработанных датчиков на «родном» заводе-изготовителе;
4) организация проведения программы испытаний сенсорной ЭКБ в одном из российских или зарубежных Сертификационных центров с выдачей Сертификата установленного образца;
5) организация разработки и изготовления под индивидуальные требования заказчика сенсорных систем, включающих различные датчики (на базе МЭМС и других принципах), для измерения ускорения, угловых скоростей, давления, скорости потока жидкости или газа, температуры, влажности, определения движения объекта и его скорости, распознавания магнитных полей и др. (как сами системы, так и датчики, могут быть доработаны и сертифицированы в России, если заказчику необходимо, что бы изделия имели российское происхождение.
6) Предложение отечественным разработчикам и производителям технологий производства современных МЭМС сенсоров (акселерометров, гироскопов, инклинометров, датчиков давления, вибрации и др.) для внедрения на российском производстве и изготовления полностью российского сенсорного продукта;
7) Обучение специалистов российских предприятий по вопросам проектирования, разработки и производства МЭМС-сенсоров. К учебному процессу привлекаются ведущие российские и зарубежные специалисты в этой сфере.
В качестве положительного примера научно-коммерческой кооперации Ассоциации и одного их российских предприятий можно привести двухосевую инерциальную измерительную систему, созданную на базе МЭМС-акселерометра. В настоящий момент разработан и изготовлен действующий прототип сенсорной системы начального уровня. Изготовленный прототип системы в качестве чувствительного элемента содержит в себе микроструктуры с воздушным зазором, обладает высокими чувствительностью и соотношением «сигнал/шум», низкой чувствительностью к помехам, хорошей температурной стабильностью.
Подобную инерциальную систему в совокупности с другими компонентами и датчиками уже можно применять в автомобильной промышленности (срабатывание подушек безопасности и др.), для диагностики рельсового пути (контроль угла наклона), в системах навигации (измерение рысканья, крена и тангажа летального аппарата), контроль угла наклона трубопроводов и в других сферах. Изготовленное изделие обладает базовой конфигурацией с начальными характеристиками и может быть доработано в соответствии с требованиями Заказчика (диапазон измерений, уровень чувствительности и т.д.), а также проведено через программу испытаний в России с выдачей государственного сертификата установленного образца и представлено в виде готового изделия, но уже российского происхождения. Таким образом, у российского партнера появляется возможность существенно расширить свою рыночную долю за счет предложения потребителям систем и устройств, состоящих из современных сенсоров (МЭМС-акселерометры, гироскопы и др.), имеющих российское происхождение.

Источник - http://www.sovtest.ru