Микроелектромеханични системи - 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.