Mikroelektromechanische Systeme (MEMS-Komponenten) und darauf basierende Sensoren

MEMS-Komponenten (russisch MEMS) – bezeichnet mikroelektromechanische Systeme. Sie zeichnen sich vor allem dadurch aus, dass sie eine bewegliche 3D-Struktur enthalten. Es bewegt sich aufgrund äußerer Einflüsse. Daher bewegen sich Elektronen nicht nur in MEMS-Komponenten, sondern auch in den Bestandteilen.

MEMS-Komponenten gehören zu den Elementen der Mikroelektronik und Mikromechanik und werden häufig auf einem Siliziumsubstrat hergestellt. In ihrer Struktur ähneln sie integrierten Einzelchip-Schaltkreisen. Typischerweise haben diese mechanischen MEMS-Teile eine Größe von Einheiten bis zu Hunderten von Mikrometern, und der Kristall selbst ist zwischen 20 μm und 1 mm groß.

Abbildung 1 ist ein Beispiel für eine MEMS-Struktur

Anwendungsbeispiele:

1. Herstellung verschiedener Mikroschaltungen.

2. MEMS-Oszillatoren werden manchmal ersetzt Quarzresonatoren.

3. Herstellung von Sensoren, darunter:

• Beschleunigungsmesser;

• Gyroskop

• Winkelgeschwindigkeitssensor;

• magnetometrischer Sensor;

• Barometer;

• Umweltanalytiker;

• Funksignal-Messwandler.

Materialien, die in MEMS-Strukturen verwendet werden

Zu den Hauptmaterialien, aus denen MEMS-Komponenten hergestellt werden, gehören:

1. Silizium. Derzeit bestehen die meisten elektronischen Bauteile aus diesem Material. Es hat eine Reihe von Vorteilen, darunter: Ausbreitung, Festigkeit, verändert seine Eigenschaften während der Verformung praktisch nicht. Die Fotolithographie mit anschließendem Ätzen ist die primäre Herstellungsmethode für Silizium-MEMS.

2. Polymere. Da Silizium zwar ein gängiges, aber relativ teures Material ist, kann es in manchen Fällen durch Polymere ersetzt werden. Sie werden industriell in großen Mengen und mit unterschiedlichen Eigenschaften hergestellt. Die wichtigsten Herstellungsmethoden für Polymer-MEMS sind Spritzguss, Stanzen und Stereolithographie.

Produktionsmengen am Beispiel eines großen Herstellers

Als Beispiel für die Nachfrage nach diesen Komponenten nehmen wir ST Microelectronics. Das Unternehmen investiert viel in die MEMS-Technologie und produziert in seinen Fabriken und Werken bis zu 3.000.000 Elemente pro Tag.

Abbildung 2 – Produktionsanlagen eines Unternehmens, das MEMS-Komponenten entwickelt

Der Produktionszyklus ist in 5 Hauptphasen unterteilt:

1. Herstellung von Chips.

2. Testen.

3. Verpacken in Kisten.

4. Endtest.

5. Lieferung an Händler.

Abbildung 3 – Produktionszyklus

Beispiele für MEMS-Sensoren verschiedener Typen

Werfen wir einen Blick auf einige der beliebten MEMS-Sensoren.

Beschleunigungsmesser Dies ist ein Gerät, das die lineare Beschleunigung misst. Es wird verwendet, um den Standort oder die Bewegung eines Objekts zu bestimmen. Es wird in Mobiltechnologie, Autos und mehr eingesetzt.

Abbildung 4 – Drei vom Beschleunigungsmesser erkannte Achsen

Abbildung 5 – Interner Aufbau des MEMS-Beschleunigungsmessers

Abbildung 6 – Erläuterung der Struktur des Beschleunigungsmessers

Beschleunigungsmesserfunktionen am Beispiel der LIS3DH-Komponente:

1,3-Achsen-Beschleunigungsmesser.

2. Funktioniert mit SPI- und I2C-Schnittstellen.

3. Messung auf 4 Skalen: ± 2, 4, 8 und 16 g.

4. Hohe Auflösung (bis zu 12 Bit).

5. Niedriger Verbrauch: 2 µA im Energiesparmodus (1 Hz), 11 µA im Normalmodus (50 Hz) und 5 µA im Abschaltmodus.

6. Arbeitsflexibilität:

• 8 ODR: 1/10/25/50/100/400/1600/5000 Hz;

• Bandbreite bis 2,5 kHz;

• 32-Level-FIFO (16-Bit);

• 3 ADC-Eingänge;

• Temperatursensor;

• 1,71 bis 3,6 V Stromversorgung;

• Selbstdiagnosefunktion;

• Gehäuse 3 x 3 x 1 mm. 2.

Gyroskop Es handelt sich um ein Gerät, das die Winkelverschiebung misst. Damit lässt sich der Drehwinkel um die Achse messen. Solche Geräte können als Navigations- und Flugsteuerungssystem für Flugzeuge und verschiedene UAVs oder zur Positionsbestimmung mobiler Geräte verwendet werden.

Abbildung 7 – Mit einem Gyroskop gemessene Daten

Abbildung 8 – Interne Struktur

Betrachten Sie beispielsweise die Eigenschaften des MEMS-Gyroskops L3G3250A:

• 3-Achsen-Analoggyroskop;

• Immunität gegenüber analogem Rauschen und Vibration;

• 2 Messskalen: ± 625 °/s und ± 2500 °/s;

• Abschalt- und Schlafmodus;

• Selbstdiagnosefunktion;

• Werkskalibrierung;

• Hohe Empfindlichkeit: 2 mV/°/s bei 625°/s

• Eingebauter Tiefpassfilter

• Stabilität bei hoher Temperatur (0,08 °/s/°C)

• Hoher Aufprallzustand: 10.000 g in 0,1 ms

• Temperaturbereich -40 bis 85 °C

• Versorgungsspannung: 2,4 – 3,6 V

• Verbrauch: 6,3 mA im Normalmodus, 2 mA im Ruhemodus und 5 μA im Abschaltmodus

• Gehäuse 3,5 x 3 x 1 LGA

Schlussfolgerungen

Auf dem MEMS-Sensormarkt gibt es neben den im Bericht diskutierten Beispielen noch weitere Elemente, darunter:

• Mehrachsige (z. B. 9-achsige) Sensoren

• Zirkel;

• Sensoren zur Messung der Umgebung (Druck und Temperatur);

• Digitale Mikrofone und mehr.

Moderne industrielle hochpräzise mikroelektromechanische Systeme, die aktiv in Fahrzeugen und tragbaren tragbaren Computern eingesetzt werden.