Микроелектромеханични системи - MEMS

ЕлектроникаСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 4, 2006

 

Стефан Куцаров

От десетилетия подчертана тенденция в реализацията на технически устройства е замяната на отделни механични възли и блокове с електронни. Оказа се, обаче, че замяната не е единствената алтернатива. Със средствата на микроелектрониката могат да се реализират миниатюрни механични устройства, които "съжителстват" върху полупроводниковия кристал заедно със своето управление. Появили се плахо преди около 25 години с наименование микроелектромеханични системи (Micro ElectroMechanical Systems - MEMS), днес тези интегрални системи имат сериозни приложения и перспективи. Въпреки, че както и в други области на електрониката, цените бързо намаляват, световното производство на MEMS през 2004 г. е било за над 11,5 милиарда USD, като прогнозите сочат бърз растеж. През 2004 г. са били произведени 4 милиона MEMS сензори за измерване на налягането в автомобилни гуми, а през 2007 година се очакват те да бъдат 100 милиона. В статията се разглеждат принципите за реализация на MEMS заедно със структурата и основните приложения на намиращите се в серийно производство прибори.

Същност на MEMS

По принцип всяка управляваща система има сензори, които събират необходимите данни от окръжаващата среда. Данните се предават на електронен блок, който ги обработва и в съответствие с тях чрез вградения му алгоритъм изработва управляващ сигнал за изпълнителните механизми. Те от своя страна въздействат по необходимия начин върху средата.

Класическата реализация на системите е добре известна – сензорите и изпълнителните механизми са отделно от електронния блок, който може да бъде реализиран и с една интегрална схема (ИС). Възможно е обаче сензорите и изпълнителните механизми да са част от ИС, която в този случай се превръща в т.нар. система върху чип (System on Chip, SoC). Именно това е същността на MEMS, които представляват интегрално изпълнение на електромеханична система.

В тях електрониката се изработва върху полупроводниковия кристал чрез някоя от известните технологии. Върху същия кристал, чрез съвместима технология, се прибавят сензори и/или изпълнителни механизми, представляващи механични или електромеханични прибори. Размерите на механичните елементи са от няколко микрона до няколко mm. При тези размери отношението между площта и обема (респективно масата) на елемента се увеличава рязко в сравнение с класическите му реализация. Това води до нови свойства, понякога твърде полезни. Например при намаляване а-пъти на дължината на тънък елемент, закрепен в единия си край (т.нар. греда в механиката), неговата деформация при определена сила е а3 пъти по-малка и означава много по-голяма механична якост. Същевременно нищожните размери на елементите определят много по-голямото влияние на междумолекулярните сили. Резултатът е, че материал с много малки размери се разрушава значително по-трудно.

Независимо от сравнително ранния етап на развитие на MEMS, сред специалистите вече се оформят мнения, че в бъдеще тяхното значение ще бъде дори по-голямо от това на ИС. По-голямата надеждност и по-ниска цена, тези важни предимства на ИС спрямо схемите с дискретни прибори, се отнасят и за MEMS в сравнение с класическите електромеханични системи.

MEMS технологията

Понастоящем всички MEMS елементи се изработват като тънки слоеве върху повърхността на силициева или по-рядко друга изолационна подложка от стъкло или пластмаса. Последните два материала имат предимството, че са по-евтини. Към познатите предимства на силиция се прибавят още две – при огъването му той практически няма хистерезис, т.е. точно възстановява положението си, нито реално проявява умора на материала.

В зависимост от начина на формиране на слоевете има две основни технологии. При повърхнинната технология (Surface Micromachining) всички слоеве се нанасят върху повърхността на подложката. Производството има три основни етапа – нанасяне на тънките слоеве върху цялата повърхност на кристала, създаване на фотомаски чрез фотолитографски процес и селективно ецване чрез тях на слоевете. Броят на слоевете обикновено е до 5-6 и в някои случаи няколко десетки, като горната граница вече приближава 100. Съществено предимство тук са малките производствени толеранси на изработваните елементи.

Наименованието на дълбочинната технология (Bulk Micromachining) показва, че елементите се изработват във вътрешността на подложката (чрез ецване с калиева основа). При това като се използват някои свойства на кристалната структура на силиция може да се осигурява ецване в точно определена посока и съответно формиране на желани вдлъбнатини.

Акселерометри

В сравнение с класическите акселерометри, произведените чрез MEMS технология са по-малки, леки и надеждни и в пъти по-евтини. Това определя основното им засега приложение – за задействане на въздушната възглавница при рязко спиране на автомобила. Очаква се през 2008 г. обемът на световното производство да достигне половин милиард USD.

Обхватът (Range) на акселерометрите показва диапазона на ускорения, които могат да бъдат измервани. Долната граница на измерваното ускорение е под 0,1g, а горната вече надхвърля 500g. Чувствителността (Sensitivity) е най-малкото ускорение, което може да бъде измерено. При аналоговите акселерометри изходният сигнал е постоянно напрежение и чувствителността се измерва в mV/g. Съществуват импулсни акселерометри с изходен сигнал правоъгълни импулси с ШИМ. При тях чувствителността се измерва в %/g, т.е. с колко % се изменя широчината на положителния импулс при ускорение 1g. Цифровите акселерометри имат като изход двоични числа и мерната единица за чувствителността е LSB/g, т.е. с колко се променя числото при ускорение 1g (например 256 LSB/g означава промяна с 256). Максималната честота показва най-много колко пъти в секунда е допустимо да се изменя ускорението, за да може да бъде измерено. Нейната горна граница е около 3 kHz.

Идеята за реализация на акселерометри с MEMS технология е дадена на фиг. 1а. На силициевата подложка (в синьо) на 4 опорни точки чрез пиезокристални нишки (в червено) е закачена малка пластинка от полисилиций с маса m (в кафяво). При придвижване на прибора с ускорение а в посока на една от стрелките, поради своята инертност пластинката се стреми да остане на мястото си, при което върху нея се появява сила F = ma в посока, обратна на придвижването. Тази сила огъва нишките и между точките на закрепването им се получава електрическо напрежение, право пропорционално на F и следователно на а. Възможно е преместването на пластинката да променя капацитети (фиг. 1б), свързани примерно в мост, на чийто изход се получава споменатото напрежение.

Придвижването на прибора в посоки, перпендикулярни на показаните, не създава напрежение. Това означава, че акселерометърът има точно определена посока, в която измерва ускорение и за която са гарантирани параметрите му. Това са едноосните акселерометри (Single Axis Accelerometer), чиято ос е успоредна на основата на техния корпус. За създаване на двуосни акселерометри в ИС се монтират перпендикулярно една на друга две пластинки, всяка със своя електронен блок, чиито оси отново са успоредни на основата на корпуса. Аналогични са триосните акселерометри с трета пластинка, перпендикулярна на основата на корпуса. Основното предимство на дву- и триосните акселерометри е, че пластините са строго перпендикулярни една на друга и няма опасност да се разместят, както би било при монтиране върху наблюдавания обект на 2 или 3 отделни акселерометъра. Идея за действието им се получава от блоковата схема на триосния акселерометър ADXL330 на фиг. 2, чиито параметри са в табл. 1. Напреженията на трите пластинки се усилват от блока ACAmp, фазочувствителните детектори DEMOD след който създават на трите си изхода напрежения, право пропорционални на големината на ускорението и неговата посока. Следват изходните усилватели OUTPUT AMP със съпротивления в изходите си. Те, заедно с изходните кондензатори CX, CY и CZ образуват нискочестотни филтри за определяне на желаната максимална честота fmax [Hz] = 5/C [mF] за всяка от осите.

Представител на цифровите акселерометри е SMB360, също с параметри в табл. 1. Измерваното ускорение се превръща в 10-разредно число, което се предава чрез SPI интерфейс. Подходяща команда по него може да сменя обхвата на ±2g и съответно повишава чувствителността на 256LSB/g.

Жироскопи

Това е популярното име на сензорите за ъглова скорост (Angular Rate Sensor). Ъгловата скорост W на въртящо се тяло показва на колко градуса то се завърта за 1 s и съответно има измерение °/s. Със същото измерение е и параметърът обхват (Range, Full Scale) с типични стойности между ±75 и ±500°/s (± означава, че може да се измерва ъгловата скорост в двете посоки на въртене). Най-малкият ъгъл, който може да бъде измерен, е чувствителността (Sensitivity, Scale Factor), която при жироскопите с аналогов изход се измерва в mV/°/s или mV/deg/s (типични стойности между 4 и 20). В тези с цифров изход мерната единица е LSB/°/s, която показва с колко се променя изходното двоично число при изменение на W с 1°/s (обикновено от 3 до 5). И последният основен параметър е максималната честота (Bandwidth), който показва максимално допустимата скорост на изменение на W.

Действието на MEMS жироскопите се основава на ефекта на Кориолис, за чието просто обяснение може да се използва фиг. 3. При въртене на кръгло тяло с ъглова скорост W всяка негова точка на разстояние а от центъра има тангенциална скорост (спрямо неподвижната земя) aW. Когато точката се движи по радиуса със скорост v, тангенциалната й скорост също се променя. Тъй като промяната на каквато и да е скорост представлява ускорение, то това на движещата се точка се нарича кориолисово ускорение и е 2Wv. Ако точката е някакъв обект с маса m, ускорението определя сила 2Wvm върху него, която е насочена перпендикулярно на радиуса на тялото. Тази сила премества обекта перпендикулярно на радиуса, като посоката зависи от това каква е посоката на въртене на тялото. Големината на преместването е право пропорционална на силата и тъй като v и m са константи, преместването пряко зависи от W. Определянето на промяната на W става чрез измерване на преместването. От своя страна изменението на W става поради определено външно въздействие, което именно се измерва или регистрира чрез жироскопа. Ефектът от въздействието е най-голям, когато то е в точно определена посока, за която са в сила и параметрите на жироскопа.

Както е известно, за определяне на местоположението на дадена точка е необходима координатна система с 3 взаимно перпендикулярни оси. Възприетото разположение при жироскопите е осите Х (Pitch) и Y (Roll) да са в равнина на въртящото се тяло, която е успоредна на основата на корпуса на жироскопа. Оста Z (Yaw) е перпендикулярна на равнината. Измерваното външно въздействие трябва да е по една от осите на жироскопа, означавана в каталозите като Rate Axis. Съществуват жироскопи с една ос (като правило Z) и такива с две оси (X и Y).

Във всички видове MEMS жироскопи въртящото се тяло се реализира върху силициев кристал и движението му се осигурява чрез създаване на електромагнитно или електростатично поле. Споменатата точка е миниатюрна механична система, която вибрира на резонансната си честота. На фиг. 4 е даден външният вид на серия от жироскопи с електромагнитно поле, създавано от постоянния кръгъл магнит отгоре. Вибриращата система е под магнита и представлява тънък пръстен, който променя формата си при външно въздействие. Параметрите на жироскопа CRS03-11 от тази серия са дадени в табл. 2.

Идея за друга масово използвана механична структура е дадена на фиг. 5. Вибриращата система (фиг. 5а) е закачена с пружини към вътрешната рамка и се задвижва от създадено около нея електростатично поле (напрежението за него е 15 V и се получава от захранващото напрежение на ИС чрез вграден в нея преобразувател с натрупване на заряд. При горно положение на системата (вляво на фиг. 5б) тя се отклонява наляво, което променя капацитета на сензорите. В долно положение (вдясно на фиг. 5б) отклонението и капацитета на сензорите са други. При промяна на W измененията на капацитетите са различни, което чрез намиращия се непосредствено до системата електронен блок се превръща в електрически сигнал. Тази близост означава нищожни паразитни капацитети на връзките и възможност за регистриране на промяна на капацитета на сензорите от 12.10-9 pF, която се получава при отклонение на вибриращата система 16.10-6 nm. В табл. 2 са дадени параметрите на един от жироскопите от тази серия ADXRS300, а на фиг. 6 е микрофотография на чипа му.

За улеснение при свързването към управляващи устройства има жироскопи с цифров изход. В табл. 2 са параметрите на ADIS16100, който е с интерфейса SPI. Със същия интерфейс е и цифровият жироскоп SMG065 (също в табл. 2), основната особеност на който е, че се състои от две ИС. Едната е самият жироскоп, а другата – електронният блок.

Същността на приложението на жироскопите е следене на положението на даден обект и изработване на електрически сигнал при промяната му. В част от случаите сигналът въздейства на изпълнителни механизми за възстановяване на положението. Съществуват комбинирани модули, съдържащи акселерометър и жироскоп. Пример е MMQ50, чиито параметри като жироскоп са в табл. 2, а като акселерометър – в табл. 1.

Сензори за налягане

Върху изолационна подложка, например стъклена, има миниатюрна херметически затворена кухина с мембрана (дебелина десетина микрона) в единия си край. На две или четири специално подбрани нейни места са свързани пиезорезистори. Измерваното налягане въздейства на мембраната, върху пиезорезисторите се получава механична сила и съпротивлението им се променя. По принцип те са свързани в мост, чието изходно напрежение е пропорционално на налягането и се обработва от електронния блок върху подложката. Чрез MEMS сензорите могат да се измерват налягания от около 0,1 до над 10000 psi (1 psi = 6,895 kPa). Типичните размери на сензорите са от 2x2 до 3x4 mm. Например сензорът SMS108 на Silicon Microstructures има варианти с обхват 15, 30, 60 или 150 psi, захранва се с постоянно напрежение +15 V и консумира ток 2,5 mA. По-усъвършенстван е сензорът SM5832, който също има пиезорезистор в мост, но напрежението му се усилва и превръща от АЦП в 12-разредно число, което се обработва от вградения цифров сигнален процесор. В памет EEPROM са записани необходимите данни за извършване на корекция в числото с цел осигуряване на максимална точност. Коригираното число обратно се преобразува от цифровоаналогов преобразувател в изходното напрежение със стойности между 0,5 и 4,5 V. Обхватът на сензора е от 0 до 5 psi или от 0 до 100 psi при захранващо напрежение +5 V и консумиран ток не повече от 10 mA.

Последният пример е сензорът LG1237 на фирмата Honeywell, който всъщност е миниатюрен модул с обхват 1000 psi и изходен сигнал под формата на 16-разредно число, предавано чрез сериен интерфейс. Освен в разгледаните три вида сензори, се очаква използването на MEMS за реализацията и на други видове сензори. Пример са сензорите за удар (MEMS Shock Sensor), едно от възможните приложения на които е контрол на товари (дали не са били подложени на недопустими удари по време на транспорт).

Приложенията на MEMS сензорите за налягане са за постоянен контрол на налягането на автомобилни гуми, в климатични системи, барометри и медицински уреди, както и за измерване на потока на газове по тръбопроводи. Съществуващите специализирани (много прецизни) сензори (например LG1237) осигуряват работа до 20-25 години при много добра точност и се използват в метеорологични апарати, самолети и космически обекти.

Сензори за поток

Използват се за измерване на скоростта на поток от газ и имат индустриални приложения, в измервателни апаратури и в медицината. Характерен пример са двете серии D6F на Omron, чиито модели имат обхват между 1 и 50 l/min. Използването на MEMS технология е позволило полупроводниковият кристал на сензорите да е с размери 1,5x1,5x0,5 mm, като върху него са разположени миниатюрен нагревател, по една термодвойка от двете му страни и електронен блок. Потокът преминава последователно покрай едната термодвойка, нагревателя и другата термодвойка. Първата винаги е с по-ниска температура от втората, като разликата е право пропорционална на скоростта на потока. Електронният блок усилва и обработва разликата в напреженията на термодвойките и формира изходен сигнал, пропорционален на скоростта на потока. Например сензорът D6F-50A5-000 има постоянно изходно напрежение между 1 и 5 V когато скоростта на потока се изменя от 0 до 50 l/min. Характерно негово приложение е контролиране на количеството прах в прахоулавящия филтър на вентилатор - когато то нараства се увеличава и разликата в температурите от двете му страни.

Цифрови микроогледала

Принципът на действието на така наречените DMD чипове (Digital Micromirror Devices), разработен от Texas Instruments през 1987 г. е елементарен, независимо че технологията за реализацията му е твърде сложна. Микроогледалото представлява тънък алуминиев лист с квадратна или кръгла форма, който отразява над 90% от попадналата върху него светлина. Огледалата са с две гъвкави опорни точки (в средата на стените на квадрата или диаметъра на кръга), които позволяват завъртането им на неголям ъгъл. При това те могат да имат само две положения, което определя наименованието им цифрови. На фиг. 7 е показано действието на първите създадени и засега най-масово използвани DMD, огледалата в които представляват квадрат 4х4 микрона (фиг. 8). Тяхното основно приложение е в цифровите проектори и прожекционни телевизори, като на всеки пиксел съответства по едно микроогледало. Външен източник на бяла светлина осигурява падащия лъч на огледалата. В едното им положение (фиг. 7а) отразеният лъч попада върху "своя" пиксел и го осветява. В другото положение (фиг. 7б) отразеният лъч не достига екрана и пикселът остава тъмен. За получаване на черно-бяло изображение всеки пиксел трябва да има градации на сивия цвят (обикновено 256 и по-рядко 1024). Те се постигат чрез подходящо съотношение между времената на осветяване ton и неосветяване toff на пиксела – колкото ton е по-голямо от toff, толкова по-малко сив е полученият цвят. При това се използва инертността на човешкото око, като за да няма мигане или трептене на пиксела честотата fs = 1/(ton+toff) на смяна на положението на микроогледалата е няколко kHz.Завъртането на огледалата се осъществява чрез електростатични сили, достатъчната големина на които се получава от постоянно напрежение между 5 и 10 V.

Управляващите сигнали за всеки пиксел от един кадър се записват в статична памет (SRAM), разположена в основата на полупроводниковия кристал. Над нея е изградена системата от микроогледала. Целият процес на формиране на изображението се нарича цифрова обработка на светлината (Digital Light Processing) DLP. В момента над 70 фирми произвеждат изделия, използващи DLP технологията, като само Texas Instruments годишно продава 2 млн. прибора. Съществуват и специализирани прибори за принтери на електрофотографски принцип с 7056x64 пиксела, които за лист А4 осигуряват разделителна способност 600 dpi.

Микроогледалата са с много голяма механична здравина. Експериментални изследвания са показали, че след 1012 цикъла на завъртане (при fs = 1,5 kHz това означава непрекъсната работа в продължение на 20 години) не настъпва повреда в гъвкавите връзки. Същевременно приборите са много издръжливи на удари и вибрации, тъй като честотата на последните е стотина пъти по-малка от fs.

Друга област на приложение на микроогледалата са оптичните комуникации, където вече се наложи терминът Micro-Opto-ElectroMechanical Systems, MOEMS. Необходимостта от увеличаване на скоростта на предаване по световодите над десетина Gbps изисква използването на изцяло оптични ключове (All Optical Switch). Те са аналог на добре познатите мултиплексори, демултиплексори и превключващи матрици, като правят връзка между два оптични канала чрез насочване на лъча от единия към другия. Именно избягването на използваното досега преобразуване на оптичния сигнал в електрически, превключване на последния и обратно преобразуване в оптичен е причината за увеличаване на скоростта на предаване на данните. Набор от такива ключове с възможност за наклоняване в две взаимно перпендикулярни оси (RX и RY) от вида 1xn, nx1 и nxn произвежда фирмата Colibrys. Например серията DuraScan използва огледала с диаметър 3 mm и дебелина 0,4 mm, които имат ъгъл ±12° по оста RY и ±1° по оста RХ, а завъртането се осъществява от постоянно напрежение съответно 330V и 970V. Неудобството от тези големи стойности е намалено в серията Digital-8, която използва по-малки и леки огледала (диаметър 1,5 mm и дебелина 10 mm) с ъгъл на завъртане ±1,8° по оста RY чрез напрежение 11V.

Специфично приложение е за реализация на настройваеми лазери (Tunable Laser), дължината на вълната на чиято светлина се променя чрез движение на микроогледало в перпендикулярна посока на повърхността му. Например микроогледалата от този тип на фирмата MEMS Optical могат да се придвижват на разстояние между 10 и 100 микрона. Очаква се приложенията на микроогледалата в оптичните комуникации силно да нарастват през следващите години.

MEMS в медицината

Голямата надеждност и малките размери на MEMS са особено привлекателни за медицинските апаратури. Сензори за налягане се използват за измерване на кръвното налягане и на дишането в системи за непрекъснато следене на състоянието на тежко болни пациенти. В преносимите апарати за измерване на кръвно налягане също вече се използват MEMS сензори. При очни операции течността в окото непрекъснато трябва да се отстранява чрез вакуумна помпа, чието действие се контролира от MEMS сензор за налягане. За болни с тежки изгаряния има специалните легла, състоящи се от множество надуваеми части. Всяка част е снабдена със сензор за налягане, което позволява на електронната система на леглото да осигурява максимално удобно и безболезнено положение на пациента.

Такива сензори има и в апаратите за изкуствено дишане и за венозно вкарване на лекарства. Приложение намират и акселерометрите, например за следене на движенията на пациент по време на сън или активна дейност. При пациенти със сърдечен стимулатор акселерометър регистрира евентуална повишена физическа активност и подава сигнал за увеличаване на сърдечната честота.

Високочестотни MEMS

Тенденцията в съвременните комуникации за създаване на устройства с все повече възможности (например “смартфони”), имащи все по-малки габарити и работещи на все по-високи честоти, изисква увеличаване на сложността на ИС и намаляване на броя на външните елементи. Тук участието на MEMS е много ефективно преди всичко за замяна на съществуващите дискретни ключове, бобини, варикапи и резонатори с намиращи се в самата ИС MEMS реализации. Бобините, изработени чрез дълбочинна MEMS технология са с по-голям качествен фактор от тези по съществуващите технологии. Като пример на фиг. 9 е дадена микрофотография на такава бобина с L = 2,67 nH, качествен фактор Q = 16,7 при честота 2,46 GHz. Ключовете по MEMS технология не само са несравнимо по-малки, но и с по-малки загуби на пропускания сигнал и по-добра изолация в отворено състояние. Например при подобен MEMS до 25 GHz, отражението (Reflexion Loss) при затворен ключ е -1,2 dB, а коефициентът на изолация на отворения ключ е -35 dB.

Микрофони

По своята същност те са кондензаторни микрофони, известни като най-висококачествения тип. Повече за принципа на действие на MEMS микрофоните и основните им параметри можете да намерите в статията "Сензори за акустични величини" (Инженеринг ревю бр. 6/2003). На фиг. 10а е даден поглед отпред на такъв микрофон с диаметър 1 mm. В средата е предпазната решетка, а около нея е разположен усилвателят. Диафрагмата на микрофона с дебелина в средата 1 mm и в краищата си 6 mm се вижда в погледа отзад на фиг. 10б. Микрофонът работи със захранващо напрежение между 5 и 40 V и максималната му честота е между 20 и 30 kHz. По принцип тези микрофони са особено подходящи за всякакви миниатюрни апаратури, например мобилни телефони.




Top