دستگاه های مختلف MEMS و کاربرد آن ها

MEMS مخفف Micro Electro Mechanical Systems به معنی سیستم های میکرو الکترومکانیک است و به دستگاه هایی با اندازه میکرومتر اشاره دارد که هم اجزای الکترونیکی دارند و هم قطعات متحرک مکانیکی. دستگاه های MEMS را می توان به عنوان دستگاه هایی تعریف کرد که دارای موارد زیر هستند :

• اندازه در میکرومتر (1 میکرومتر تا 100 میکرومتر)
• جریان جاری در سیستم (برق)
• و دارای قطعات متحرکی در داخلش است (مکانیکی)

در زیر تصویر قسمت مکانیکی دستگاه MEMS در زیر میکروسکوپ است. این ممکن است به نظر شگفت انگیز نرسد اما آیا می دانید اندازه چرخ دنده 10 میکرومتر است که نصف اندازه موی انسان است. بنابراین این کاملا جالب است که بدانید چنین ساختارهای پیچیده ای فقط در چند میلی متر در تراشه ای تعبیه شده است.

دستگاه ها و برنامه های MEMS

این فناوری برای اولین بار در سال 1965 معرفی شد اما تولید انبوه آن تا سال 1980 آغاز نشده بود. در حال حاضر، بیش از 100 میلیارد دستگاه MEMS در برنامه های مختلف فعال هستند و می توان آن ها را در تلفن های همراه، لپ تاپ ها، سیستم های GPS، اتومبیل و غیره مشاهده کرد.

فناوری MEMS در بسیاری از قطعات الکترونیکی گنجانده شده است و تعداد آن ها روز به روز در حال افزایش است. با پیشرفت در توسعه دستگاه های ارزان قیمت MEMS، می توانیم شاهد کاربردهای بیشتری از آنها در آینده باشیم.

از آنجا که دستگاه های MEMS عملکرد بهتری نسبت به دستگاه های معمولی دارند مگر اینکه فناوری عملکرد بهتری وارد کار شود، MEMS بر تخت سلطنت باقی می ماند. در فناوری MEMS برجسته ترین عناصر، حسگرهای میکرو و محرک های میکرو هستند که به طور مناسب در رده مبدل ها دسته بندی می شوند. این مبدل ها انرژی را از شکلی به شکل دیگر تبدیل می کنند. در مورد میکرو سنسورها، دستگاه به طور معمول سیگنال مکانیکی اندازه گیری شده را به سیگنال الکتریکی و میکرو محرک، سیگنال الکتریکی را به خروجی مکانیکی تبدیل می کند.

در زیر چند سنسور معمولی براساس فناوری MEMS توضیح داده شده است.

• شتاب سنج
• سنسورهای فشار
• میکروفون
• مغناطیس سنج
• ژیروسکوپ

شتاب سنج MEMS

قبل از شروع به طراحی، اجازه دهید در مورد اصل کار مورد استفاده در طراحی شتاب سنج MEMS بحث کنیم و برای آن یک فنر جرمی تنظیم شده در زیر را در نظر بگیریم.

در اینجا یک جرم با دو فنر در یک فضای بسته به حالت تعلیق درآمده و تنظیمات در حالت استراحت در نظر گرفته می شود. حال اگر بدنه به طور ناگهانی شروع به حرکت به جلو کند، جرم معلق در بدنه یک نیروی رو به عقب را احساس می کند که باعث تغییر مکان در موقعیت خود می شود. و به دلیل این جابجایی، فنرها مانند تصویر زیر تغییر شکل می دهند.

این پدیده را ما باید هنگام نشستن در هر وسیله نقلیه در حال حرکت مانند اتومبیل، اتوبوس و قطار و غیره تجربه کنیم، بنابراین از همین پدیده در طراحی شتاب سنج ها استفاده می شود.

حال موقعیت مشابهی را در نظر بگیرید اما به جای جرم، از صفحات رسانا به عنوان یک قسمت متحرک متصل به فنرها استفاده خواهیم کرد. کل تنظیمات مطابق شکل زیر است.

در نمودار، ما ظرفیت خازنی بین صفحه متحرک بالا و یک صفحه ثابت را در نظر خواهیم گرفت

C1= e0A / d1

که در آن d1 فاصله بین آن ها است.

در اینجا می بینیم که مقدار ظرفیت خازنی C1 با فاصله بین صفحه متحرک صفحه و صفحه ثابت معکوس است.

ظرفیت خازنی بین صفحه متحرک پایین و صفحه ثابت

 C2= e0A / d2

که در آن d2 فاصله بین آن ها است.

در اینجا می بینیم که مقدار ظرفیت خازنی C2 با فاصله بین صفحه متحرک پایین و صفحه ثابت متناسب است.

هنگامی که بدنه در حالت استراحت است، صفحات بالا و پایین هر دو فاصله مساوی با صفحه ثابت خواهند داشت بنابراین ظرفیت خازنی C1 برابر ظرفیت خازنی C2 خواهد بود. اما اگر بدنه به طور ناگهانی به جلو حرکت کند، صفحه ها مطابق شکل زیر جابجا می شوند.

در این زمان با کاهش فاصله صفحه بالا و صفحه ثابت، ظرفیت خازنی C1 افزایش می یابد. از طرف دیگر، با افزایش فاصله بین صفحه پایین و صفحه ثابت، C2 کاهش می یابد. این افزایش و کاهش ظرفیت خازنی به صورت خطی متناسب با شتاب در بدنه اصلی است بنابراین شتاب بالاتر تغییر بیشتر و شتاب کمتر تغییر کمتری ایجاد می کند.

این ظرفیت خازنی متفاوت را می توان به یک نوسانگر RC یا مدار دیگر متصل کرد تا جریان یا ولتاژ مناسب را بدست آورد. پس از دریافت ولتاژ یا مقدار جریان مورد نظر، می توانیم از آن داده ها برای تجزیه و تحلیل بیشتر به راحتی استفاده کنیم.

اگرچه می توان از این تنظیمات برای اندازه گیری موفقیت آمیز شتاب استفاده کرد اما حجیم است و عملی نیست. اما اگر از فناوری MEMS استفاده کنیم، می توانیم کل تنظیمات را به اندازه چند میکرومتر کوچک کنیم تا دستگاه کاربردی تری داشته باشیم.

در شکل بالا، تنظیمات واقعی مورد استفاده در شتاب سنج MEMS را مشاهده می کنید. در اینجا صفحات خازنی چندگانه در جهت افقی و عمودی سازمان یافته اند تا شتاب را در هر دو جهت اندازه گیری کنند. صفحه خازن چند میکرومتر اندازه دارد و اندازه کل تنظیمات آن تا چند میلی متر است، بنابراین ما می توانیم از این شتاب سنج MEMS در دستگاه های قابل حمل باتری مانند تلفن های هوشمند به راحتی استفاده کنیم.

سنسور فشار MEMS

همه ما می دانیم که وقتی به جسمی فشار وارد شود، کرنش می یابد تا زمانی که به نقطه شکست برسد. این کرنش تا حد معینی مستقیماً با فشار وارد شده متناسب است و از این ویژگی برای طراحی سنسور فشار MEMS استفاده می شود. در شکل زیر می توانید طراحی سازه سنسور فشار MEMS را مشاهده کنید.

در اینجا دو صفحه رسانا بر روی بدنه شیشه ای قرار دارند و بین آنها خلا خواهد بود. یک صفحه رسانا ثابت است و صفحه دیگر انعطاف پذیر است تا تحت فشار حرکت کند. حال اگر یک متر خازنی را بگیرید و بین دو پایانه خروجی بخوانید، می توانید مقدار خازنی را بین دو صفحه موازی مشاهده کنید، زیرا کل تنظیم به عنوان یک خازن صفحه موازی عمل می کند. از آنجا که به عنوان یک خازن صفحه موازی عمل می کند، طبق معمول، اکنون تمام خصوصیات یک خازن معمولی روی آن اعمال می شود. در شرایط استراحت، بگذارید ظرفیت خازنی بین دو صفحه C1 باشد.

اکنون اگر به لایه بالایی فشار وارد شود، تغییر شکل می یابد و همانطور که در شکل نشان داده شده است به لایه پایین نزدیک می شود. از آنجا که لایه ها نزدیک می شوند، ظرفیت خازنی بین دو لایه افزایش می یابد. بنابراین فواصل بیشتر ظرفیت خازنی کمتر و فاصله کمتر ظرفیت خازن بیشتری  را دارند.

اگر این ظرفیت خازنی را به یک رزوناتور R C متصل کنیم، می توان سیگنال های فرکانس را نشان داد که فشار را نشان می دهد. این سیگنال را می توان برای پردازش بیشتر و پردازش اطلاعات به میکروکنترلر داد.

میکروفن MEMS

طراحی میکروفون MEMS شبیه سنسور فشار است و شکل زیر ساختار داخلی میکروفون را نشان می دهد.

بیایید در نظر بگیریم که تنظیمات در حالت استراحت است و در آن شرایط ظرفیت خازنی بین صفحه ثابت و دیافراگم C1 است.

اگر در محیط نویز وجود داشته باشد، صدا از طریق ورودی وارد دستگاه می شود. این صدا باعث لرزش دیافراگم می شود و باعث می شود فاصله بین دیافراگم و صفحه ثابت به طور مداوم تغییر کند. این به نوبه خود باعث می شود که ظرفیت خازنی C1 به طور مداوم تغییر کند. اگر این خازن متغیر را به تراشه پردازش مربوطه متصل کنیم، می توانیم خروجی الکتریکی را برای خازن متغیر بدست آوریم. از آنجا که خازن متغیر در وهله اول مستقیماً به نویز مربوط می شود، می توان از این سیگنال الکتریکی به عنوان فرم تبدیل شده صدای ورودی استفاده کرد.

مغناطیس سنج MEMS

از مغناطیس سنج MEMS برای اندازه گیری میدان مغناطیسی زمین استفاده می شود. دستگاه بر اساس اثر هال یا اثر مقاومت مگنتو ساخته شده است. بیشتر مغناطیس سنج های MEMS ازاثر هال استفاده می کنند، بنابراین ما در مورد چگونگی استفاده از این روش برای اندازه گیری قدرت میدان مغناطیسی بحث خواهیم کرد. برای آن بیایید یک صفحه رسانا در نظر بگیریم و انتهای یک طرف آن را به صورت شکل زیر به باتری متصل کنیم.

در اینجا می توانید جهت جریان الکترون ها را ببینید، که از پایانه منفی به پایانه مثبت است. حال اگر آهنربایی به بالای رسانا نزدیک شود، الکترون ها و پروتون های رسانا توزیع می شوند همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است.

در اینجا پروتون های حامل بار مثبت در یک طرف صفحه جمع می شوند در حالی که الکترون های حامل بار منفی دقیقاً در طرف مقابل جمع می شوند. در این زمان اگر ما یک ولت متر بگیریم و از دو طرف به هم متصل کنیم، یک خوانش خواهیم داشت. این ولتاژ خوانش V1 متناسب با قدرت میدانی است که توسط رسانا در بالا تجربه می شود. پدیده کامل تولید ولتاژ با اعمال جریان و میدان مغناطیسی، اثر هال نامیده می شود.

اگر یک سیستم ساده با استفاده از MEMS طراحی شود، بر اساس مدل فوق، ما مبدلی بدست خواهیم آورد که قدرت میدان را حس کرده و خروجی الکتریکی متناسب با خط را تأمین می کند.

ژیروسکوپ MEMS

ژیروسکوپ MEMS بسیار محبوب است و در بسیاری از برنامه ها استفاده می شود. به عنوان مثال، ما می توانیم ژیروسکوپ MEMS را در هواپیما، سیستم های GPS، تلفن های هوشمند و غیره پیدا کنیم. ژیروسکوپ MEMS براساس اثر کوریولیس طراحی شده است. برای درک اصل و نحوه کار ژیروسکوپ MEMS، اجازه دهید ساختار داخلی آن را بررسی کنیم.

در اینجا S1، S2، S3S4 فنرهایی هستند که برای اتصال حلقه خارجی و حلقه دوم استفاده می شوند. در حالی که S5، S6، S7S8 فنرهایی هستند که برای اتصال حلقه دوم و جرم “M” استفاده می شوند. همانطور که در شکل نشان داده شده است، این جرم در امتداد محور y طنین انداز می شود. همچنین، این اثر تشدید معمولاً با استفاده از نیروی جاذبه الکترواستاتیک در دستگاه های MEMS حاصل می شود.

در شرایط استراحت، ظرفیت خازنی بین هر دو صفحه در لایه بالایی یا پایینی یکسان خواهد بود و تا زمانی که تغییری در فاصله بین این صفحات ایجاد نشود، ثابت خواهد ماند.

فرض کنید اگر این تنظیمات را بر روی یک دیسک چرخان نصب کنیم، همانطور که در زیر نشان داده شده، تغییر خاصی در موقعیت صفحات ایجاد خواهد شد.

هنگامی که تنظیمات بر روی یک دیسک چرخان نصب می شود، همانطور که نشان داده شده است، سپس با طنین انداز مجدد جرم در داخل نیرو، نیرویی ایجاد می شود که باعث تغییر مکان در تنظیمات داخلی می شود. می بینید که به دلیل این تغییر مکان، چهار فنر S1 تا S4 تغییر شکل داده اند. این نیرو راکه با تشدید جرم تجربه می شود وقتی ناگهان روی دیسک چرخان قرار می گیرد، می توان با اثر کوریولیس توضیح داد.

اگر از جزئیات پیچیده بگذریم، می توان نتیجه گرفت که به دلیل تغییر جهت ناگهانی، در لایه داخلی جابجایی وجود دارد. این جابجایی همچنین باعث تغییر فاصله صفحات خازن در هر دو لایه پایین و بالا می شود. همانطور که در مثال های قبلی توضیح داده شد تغییر در فاصله باعث تغییر ظرفیت خازنی می شود.

و می توانیم از این پارامتر برای اندازه گیری سرعت چرخشی دیسکی که دستگاه روی آن قرار گرفته استفاده کنیم.

بسیاری از دستگاه های MEMS دیگر با استفاده از فناوری MEMS طراحی شده اند و تعداد آن ها نیز هر روز بیشتر می شود. اما همه این دستگاه ها شباهت خاصی در کار و طراحی دارند، بنابراین با درک چند مثال ذکر شده در بالا می توانیم به راحتی کار سایر دستگاه های مشابه MEMS را درک کنیم.