Mikroelektromechanické systémy ( MEMS ) jsou zařízení, která kombinují vzájemně propojené mechanické a elektrické komponenty o velikosti mikronů. Mikroelektromechanické systémy se skládají z mechanických prvků, senzorů , elektroniky , aktuátorů a mikroelektronických zařízení umístěných na společném křemíkovém substrátu [1] .
Mechanickou součástí může být miniaturní zrcátko - prvek snímacího systému (například pro technologii DLP ), inerciální snímač, který dokáže určit charakteristické pohyby, které uživatel se svým zařízením a dalšími typy zařízení dělá.
Zařízení MEMS jsou obvykle vyráběna na křemíkovém substrátu pomocí technologie mikroobrábění , podobné technologii používané k výrobě jednočipových integrovaných obvodů . Typické rozměry mikromechanických prvků se pohybují od 1 mikrometru do 100 mikrometrů, zatímco velikosti MEMS čipů se pohybují od 20 mikrometrů do jednoho milimetru.
V současné době se již technologie MEMS používají pro výrobu různých mikroobvodů. Takže MEMS oscilátory v některých aplikacích nahrazují [2] křemenné oscilátory . MEMS technologie se používají k vytvoření různých miniaturních akčních členů a senzorů , jako jsou akcelerometry , senzory úhlové rychlosti , gyroskopy [3] , magnetometrické senzory, barometrické senzory, analyzátory prostředí (například pro provozní analýzu krve), radiopřijímací převodníky [ 4] .
Technologie MEMS může být implementována pomocí různých materiálů a výrobních technik, jejichž výběr bude záviset na vytvářeném zařízení a tržním sektoru, ve kterém má působit.
Křemík je materiál používaný k vytvoření většiny integrovaných obvodů používaných ve spotřební elektronice v dnešním světě. Díky rozšířenosti, dostupnosti levných vysoce kvalitních materiálů a možnosti použití v elektronických obvodech je křemík atraktivní pro použití při výrobě MEMS.
Křemík má také značné výhody oproti jiným materiálům díky svým fyzikálním vlastnostem. Křemíkový monokrystal dodržuje Hookeův zákon téměř dokonale . To znamená, že při deformaci nepodléhá hysterezi a v důsledku toho se deformační energie prakticky nerozptýlí.
Křemík je také velmi spolehlivý při ultračastých pohybech, protože má velmi malou únavu a může pracovat v rozmezí miliard až bilionů cyklů bez porušení.
Hlavní metody pro získání všech zařízení MEMS na bázi křemíku jsou nanášení vrstev materiálu, strukturování těchto vrstev pomocí fotolitografie a leptání pro vytvoření požadovaného tvaru.
Charakteristickým rysem MEMS přístrojů vyrobených z křemíku je křehkost a jak varují výrobci, přístroje by se neměly mýt v ultrazvukové lázni. To vede k extrémním deformacím a destrukci prvků při rezonanci.
Ačkoli elektronický průmysl poskytuje rozsáhlou poptávku po produktech z křemíkového průmyslu, krystalický křemík je stále obtížný a relativně drahý materiál na výrobu. Na druhé straně lze polymery vyrábět ve velkých objemech se širokou škálou materiálových charakteristik. MEMS zařízení mohou být vyrobena z polymerů pomocí procesů, jako je injekční vstřikování, lisování nebo stereolitografie; jsou zvláště vhodné pro použití při výrobě mikrofluidních zařízení, jako jsou jednorázové krevní testovací kazety.
Gyroskop je zařízení, které je schopno reagovat na změny úhlů orientace objektu vůči inerciální vztažné soustavě a určovat jeho polohu v prostoru. Citlivým prvkem integrálního gyroskopu jsou dvě pohybující se hmoty (závaží), které jsou v kontinuálním pohybu na pružném závěsu v opačných směrech. Zdrojem kmitů pohybující se hmoty jsou hřebenové elektrostatické motory. Pohyblivá hmota spolu s elektrodami umístěnými na podložce tvoří kondenzátory , které jsou součástí diferenciálního obvodu, který generuje signál úměrný rozdílu kapacit kondenzátoru.
Lineární zrychlení stejně ovlivňuje jak pohybující se hmoty, tak substrát, takže signál na výstupu diferenciálního obvodu se neobjeví. Jakmile dojde ke změně úhlové rychlosti vzhledem k ose rotace, pak Coriolisova síla začne působit na pohybující se hmoty a vychyluje pohybující se hmoty v opačných směrech. V souladu s tím se kapacita jednoho kondenzátoru zvyšuje, zatímco druhého kondenzátoru klesá, což generuje rozdílový signál úměrný velikosti úhlového zrychlení. Provádí se tak transformace úhlové rychlosti gyroskopu na elektrický parametr, jehož hodnotu snímá speciální senzor [5] .
Kapacitní senzory povrchového zrychlení (akcelerometry) - detekují zrychlení v rovině rovnoběžné s povrchem čipových čipů, na kterých jsou instalovány. Princip činnosti kapacitních snímačů zrychlení je založen na změně kapacity mikrokondenzátoru, jehož jedna z desek je pohyblivá. Pohyblivé desky kondenzátorového systému jsou elasticky zavěšeny na svorkách a za přítomnosti zrychlení podél osy citlivosti (znázorněno šipkami) se mění kapacity elementárních článků. Velikost a znaménko změn zaznamenává elektronický obvod integrovaný na stejném čipu jako snímač. Výstupní napětí mikroobvodu je úměrné zrychlení a jeho znaménko závisí na směru zrychlení. Ve stacionárním vodorovném stavu nebo pohybu konstantní rychlostí je výstupní napětí 1,8 V, při plném zrychlení ±50 g výstupní napětí dosahuje 1,8 ± 0,95 V [6] .
Existují dvě formy spínací technologie MEMS: ohmická a kapacitní.
1. Ohmické spínače MEMS jsou navrženy pomocí elektrostatických konzol. Protože se konzoly časem deformují, mohou tyto spínače selhat v důsledku opotřebení kontaktů nebo únavy kovu .
2. Kapacitní spínače jsou ovládány pohyblivou deskou nebo snímacím prvkem, který mění kapacitu . Pomocí jejich rezonančních charakteristik je lze vyladit tak, aby v určitých frekvenčních rozsazích předčily ohmická zařízení [7] .