MEMS מייצג מערכות מיקרו-אלקטרו-מכניות והוא מתייחס למכשירים בגודל מיקרומטר שיש בהם גם רכיבים אלקטרוניים וגם חלקים נעים מכניים. ניתן להגדיר התקני MEMS כמכשירים הכוללים:
- גודל במיקרומטר (1 מיקרומטר עד 100 מיקרומטר)
- זרימת הזרם במערכת (חשמל)
- ויש בו חלקים נעים (מכני)
להלן התמונה של החלק המכני של מכשיר MEMS תחת מיקרוסקופ. זה אולי לא נראה מדהים אבל האם אתה יודע שגודל הציוד הוא 10 מיקרומטר, שהוא חצי מגודל שיער האדם. אז זה די מעניין לדעת כיצד מבנים מורכבים כאלה משובצים בגודל שבב בכמה מילימטרים בלבד.
MEMS התקנים ויישומים
טכנולוגיה זו הוצגה לראשונה בשנות ה- 1965, אך הייצור ההמוני לא החל רק בשנת 1980. נכון לעכשיו, ישנם יותר מ -100 מיליארד מכשירי MEMS הפעילים כיום ביישומים שונים וניתן לראות אותם בטלפונים ניידים, מחשבים ניידים, מערכות GPS, רכב וכו '.
טכנולוגיית MEMS משולבת ברכיבים אלקטרוניים רבים ומספרם גדל מיום ליום. עם ההתקדמות בפיתוח מכשירי MEMS זולים יותר, אנו יכולים לראות אותם משתלטים על יישומים רבים נוספים בעתיד.
מכיוון שמכשירי MEMS מבצעים ביצועים טובים יותר מאשר מכשירים רגילים אלא אם כן טכנולוגיה עם ביצועים טובים יותר נכנסת למשחק MEMS תישאר על כס המלוכה. בטכנולוגיית MEMS האלמנטים הבולטים ביותר הם חיישני מיקרו ומפעילי מיקרו שמסווגים כמתמרים כראוי. מתמרים אלה ממירים אנרגיה מצורה אחת לאחרת. במקרה של מיקרו-חיישנים, המכשיר ממיר בדרך כלל אות מכני מדוד לאות חשמלי ומיקרו-אקולטור ממיר אות חשמלי ליציאה מכנית.
מוסברים להלן כמה חיישנים אופייניים המבוססים על טכנולוגיית MEMS.
- תאוצה
- חיישני לחץ
- מִיקרוֹפוֹן
- מגנטומטר
- ג'ִירוֹסקוֹפּ
מד תאוצה MEMS
לפני שנכנס לתכנון בואו נדון בעקרון העבודה המשמש בתכנון מד תאוצה MEMS ולשם כך נשקול מערך קפיץ המוני המוצג להלן.
כאן מושעה מסה עם שני קפיצים בחלל סגור וההתקנה נחשבת למנוחה. כעת, אם הגוף מתחיל לפתע להתקדם, אז המסה התלויה בגוף חווה כוח לאחור הגורם לתזוזה במצבו. ובגלל תזוזה זו מעיינות מתעוותים כמוצג להלן.
תופעה זו חייבת לחוות אותנו גם כאשר אנו יושבים בכל רכב שנע כמו מכונית, אוטובוס ורכבת וכו 'ולכן אותה תופעה משמשת בתכנון מדדי התאוצה.
אך במקום מסה, נשתמש בפלטות מוליכות כחלק נע המחובר למעיינות. כל ההתקנה תהיה כפי שמוצג להלן.
בתרשים, נשקול את הקיבול בין הלוח הנע העליון לפלטה קבועה:
C1 = e 0 A / d1
כאשר d 1 הוא המרחק ביניהם.
כאן אנו יכולים לראות שערך C1 הקיבול הוא ביחס הפוך למרחק שבין החלק העליון המניע את הלוח לבין הלוח הקבוע.
הקיבול בין הלוח הנע התחתון לפלטה הקבועה
C2 = e 0 A / d2
כאשר d 2 הוא המרחק ביניהם
כאן אנו יכולים לראות כי ערך הקיבול C2 הוא ביחס הפוך למרחק בין הלוח הנע התחתון לפלטה הקבועה.
כאשר הגוף נמצא במנוחה, גם הלוחות העליונים והתחתונים יהיו במרחק שווה מהלוח הקבוע כך שהקיבול C1 יהיה שווה לקיבול C2. אבל אם הגוף נע לפתע קדימה אז הלוחות נעקרים כפי שמוצג להלן.
בשלב זה הקיבול C1 גדל ככל שהמרחק בין הלוח העליון לפלטה הקבועה פוחת. מצד שני הקיבול, C2 מקבל ירידות ככל שהמרחק בין הלוח התחתון לפלטה הקבועה גדל. עלייה וירידה בקיבול זו פרופורציונלית ליניארית לתאוצה בגוף הראשי ולכן גבוה יותר התאוצה גבוהה יותר בשינוי ופוחתת התאוצה פחות.
ניתן לחבר את הקיבול המשתנה הזה למתנד RC או למעגל אחר כדי לקבל את קריאת הזרם או המתח המתאימים. לאחר קבלת המתח או הערך הנוכחי הרצוי אנו יכולים להשתמש בנתונים אלה לצורך ניתוח נוסף בקלות.
למרות שניתן להשתמש בהתקנה זו למדידת ההאצה בהצלחה היא מגושמת ולא מעשית. אך אם אנו משתמשים בטכנולוגיית MEMS נוכל לכווץ את כל ההתקנה לגודל של מיקרומטר בודדים מה שהופך את המכשיר ליותר יישומי.
באיור לעיל, תוכלו לראות את ההתקנה בפועל בשימוש במד תאוצה MEMS. כאן לוחות הקבל המרובים מאורגנים הן בכיוון אופקי והן אנכי כדי למדוד תאוצה בשני הכיוונים. גודל לוח הקבל הוא בגודל של כמה מיקרומטר וההתקנה כולה תתאים למילימטרים ספורים, כך שנוכל להשתמש במד תאוצה MEMS זה במכשירים ניידים המופעלים באמצעות סוללות כמו סמארטפונים בקלות.
MEMS חיישני לחץ
כולנו יודעים שכאשר מפעילים לחץ על עצם הוא יתאמץ עד שהוא יגיע לנקודת שבירה. זן זה פרופורציונלי ישירות ללחץ המופעל עד גבול מסוים ומאפיין זה משמש לתכנון חיישן לחץ MEMS. באיור שלהלן ניתן לראות את העיצוב המבני של חיישן לחץ MEMS.
כאן מותקנות שתי לוחות מוליכים על גוף זכוכית ויהיה ואקום ביניהן. לוחית מוליך אחת קבועה והלוח השני גמיש לנוע בלחץ. עכשיו אם אתה לוקח מד קיבול וקורא קריאה בין שני מסופי פלט אז אתה יכול לראות ערך קיבול בין שתי לוחות מקבילים, זה בגלל שהתקנה כולה פועלת כקבל לוח מקביל. מכיוון שהוא משמש כקבלן מקביל, אז כרגיל, כל המאפיינים של קבל טיפוסי חלים עליו כעת. בתנאי מנוחה, נקרא לקיבול בין שתי לוחות להיות C1.
הוא יתעוות ויתקרב לשכבה התחתונה כפי שמוצג באיור. מכיוון שהשכבות מתקרבות, הקיבול בין שתי שכבות גדל. אז גבוה יותר המרחקים מורידים את הקיבול ומורידים את המרחק הקיבול. אם נחבר את הקיבול הזה למהוד RC אז נוכל לקבל אותות תדרים המייצגים את הלחץ. ניתן לתת אות זה למיקרו-בקר להמשך עיבוד ועיבוד נתונים.
מיקרופון MEMS
העיצוב של מיקרופון MEMS דומה לחיישן הלחץ והאיור שלהלן מראה את המבנה הפנימי של המיקרופון.
בואו ניקח בחשבון שההתקנה במנוחה ובתנאים אלה הקיבול בין הלוח הקבוע לסרעפת הוא C1.
אם יש רעש בסביבה אז הצליל נכנס למכשיר דרך כניסה. צליל זה גורם לרטט של הסרעפת מה שהופך את המרחק בין הסרעפת לפלטה הקבועה לשינוי ברציפות. זה, בתורו, גורם לקיבול C1 להשתנות ברציפות. אם נחבר את הקיבול המשתנה הזה לשבב העיבוד המתאים נוכל לקבל את התפוקה החשמלית עבור הקיבול המשתנה. מכיוון שהקיבול המשתנה מתייחס ישירות לרעש מלכתחילה, ניתן להשתמש באות חשמלית כצורה המרה של צליל הקלט.
מגנטומטר MEMS
מגנטומטר MEMS משמש למדידת השדה המגנטי של כדור הארץ. המכשיר בנוי על בסיס אפקט הול או אפקט התנגדות מגנטו. רוב המגנומטרים של MEMS משתמשים באפקט הול, לכן נדון כיצד משתמשים בשיטה זו למדידת חוזק השדה המגנטי. לשם כך נבחן צלחת מוליכה ושהקצוות של צד אחד מחוברים לסוללה כפי שמוצג באיור.
כאן תוכלו לראות את כיוון זרימת האלקטרונים, שהוא מהמסוף השלילי למסוף החיובי. כעת אם מגנט מתקרב לחלק העליון של המוליך אז אלקטרונים ופרוטונים במוליך מתפזרים כפי שמוצג באיור שלהלן.
כאן פרוטונים הנושאים מטען חיובי נאספים בצד אחד של המטוס ואילו אלקטרונים הנושאים מטען שלילי נאספים בדיוק בצד הנגדי. בשלב זה אם ניקח מד מתח ונחבר בשני קצותיו נקבל קריאה. קריאת מתח זו V1 פרופורציונאלית לחוזק השדה אותו חווה המוליך בחלקו העליון. התופעה המלאה של ייצור המתח באמצעות יישום שדה זרם ומגנטי נקראת Hall Effect.
אם מערכת פשוטה מתוכננת על ידי שימוש ב- MEMS, בהתבסס על המודל הנ"ל, נקבל מתמר שחושש עוצמת שדה ומספק תפוקה חשמלית פרופורציונאלית.
גירוסקופ MEMS
גירוסקופ MEMS פופולרי מאוד ומשמש ביישומים רבים. לדוגמא, אנו יכולים למצוא גירוסקופ MEMS במטוסים, מערכות GPS, סמארטפונים וכו 'גירוסקופ MEMS מתוכנן על בסיס אפקט הקוריוליס. להבנת העיקרון והעבודה של גירוסקופ MEMS, הבה נבחן את המבנה הפנימי שלו.
כאן S1, S2, S3 & S4 הם הקפיצים המשמשים לחיבור הלולאה החיצונית והלולאה השנייה. בעוד ש- S5, S6, S7 ו- S8 הם קפיצים המשמשים לחיבור הלולאה השנייה והמסה 'M'. מסה זו תהדהד לאורך ציר ה- y כפי שמוצג לפי ההוראות באיור. כמו כן, אפקט תהודה זה מושג בדרך כלל על ידי שימוש בכוח המשיכה האלקטרוסטטי במכשירי MEMS.
בתנאי מנוחה, הקיבול בין שתי צלחות בשכבה העליונה או התחתונה יהיה זהה, והוא יישאר זהה עד שיהיה שינוי מרחק בין הלוחות הללו.
נניח שאם נרכיב את ההגדרה הזו על דיסק מסתובב, יהיה שינוי מסוים במיקום הלוחות כמוצג להלן.
כאשר ההתקנה מותקנת על דיסק מסתובב כפי שמוצג, אז תהודה המונית בתוך ההתקנה תחווה כוח הגורם לתזוזה במערך הפנימי. אתה יכול לראות את כל ארבעת הקפיצים S1 עד S4 מעוותים בגלל תזוזה זו. ניתן להסביר את הכוח הזה שחווה מסה מהדהדת כשהוא מונח לפתע על דיסק מסתובב על ידי אפקט הקוריוליס.
אם נדלג על הפרטים המורכבים, ניתן להסיק שבגלל שינוי הכיוון הפתאומי קיימת תזוזה בשכבה הפנימית. תזוזה זו גורמת גם לשינוי המרחק בין לוחות הקבלים בשכבה התחתונה ובשכבה העליונה. כפי שהוסבר בדוגמאות הקודמות שינוי מרחק גורם לשינוי הקיבול.
ונוכל להשתמש בפרמטר זה כדי למדוד את מהירות הסיבוב של הדיסק עליו ממוקם המכשיר.
התקני MEMS רבים אחרים תוכננו בטכנולוגיית MEMS ומספרם גדל גם מדי יום. אך כל המכשירים הללו נושאים דמיון מסוים בעבודה ובעיצוב, ולכן על ידי הבנת הדוגמאות המעטות שהוזכרו לעיל נוכל להבין בקלות את פעולתם של מכשירי MEMS דומים אחרים.