Компания st выпустила сверхпроизводительный акселерометр для микроэлектромеханических систем

MEMS: микроэлектромеханические системы, часть 1

Наномир на данный момент является своего рода фронтиром – передним краем науки, который пока еще только покоряют ученые-пионеры. А вот микромир уже достаточно давно освоен и в нем вовсю идет строительство. Пожалуй, самым впечатляющим типом микроструктур, которые создаются людьми, являются MEMS – микроэлектромеханические системы.

Обычно MEMS делят на два типа: сенсоры – измерительные устройства, которые переводят те или иные физические воздействия в электрический сигнал, и актуаторы (исполнительные устройства) – системы, которые занимаются обратной задачей, то есть переводом сигналов в те или иные действия. В этой части статьи поговорим о первой категории MEMS.

Пожалуй, самыми «трендовыми» из MEMS-сенсоров являются датчики движения. Они в последнее время постоянно на слуху: телефоны, коммуникаторы, игровые приставки, фотокамеры и ноутбуки все чаще и чаще снабжаются акселерометрами (датчиками ускорения) и гироскопами (датчиками поворота).

В мобильных телефонах и видеоприставках чувствительность к движениям пользователя используется в основном, что называется, «для прикола». А вот в портативных компьютерах акселерометры выполняют очень даже полезную функцию: улавливают момент, когда жесткий диск может подвергнуться повреждению из-за удара и паркуют его, диска, головки. В фототехнике использование датчиков движения не менее актуально – именно на их основе работают честные системы стабилизации изображения.

Классический гироскоп образца XIX века. Засунуть такой в iPhone или джойстик Wii довольно-таки затруднительно

Впрочем, рассуждать о том, что в реальности полезнее – активные игры на Wii, функция автоматического поворота картинки на iPhone, защита винчестера или возможность снимать фотографии без смазывания – дело неблагодарное. Покупателям нравится и то, и другое, и третье, и четвертое. Поэтому производители в последнее время стараются как можно более плотно использовать датчики движения.

Благо, возможностей у них для этого предостаточно: автопроизводители (из массовых индустрий они первыми опробовали данного рода устройства) уже несколько десятилетий активно эксплуатируют датчики движения, например, в подушках безопасности и антиблокировочных системах тормозов.

Так что соответствующие чипы давно разработаны, выпускаются целым рядом крупных и сравнительно мелких компаний и производятся в таких количествах, что цены давно и надежно сбиты до минимума. Типичный MEMS-акселерометр сегодня обходится в несколько долларов за штуку.

И места занимает – всего ничего. Для примера, размер корпуса пьезогироскопа Epson XV-8000 составляет 6×4,8×3,3 мм, а трехосного акселерометра LIS302DL производства ST Microelectronics – всего лишь 3x5x0,9 мм. Причем речь именно о размерах готового устройства с корпусом и контактами – сам кристалл еще меньше.

Датчик движения Epson XV-8000. И это далеко не самый компактный MEMS-сенсор

На сегодняшний день наиболее популярны датчики движения, основанные на конденсаторном принципе. Подвижная часть системы – классический грузик на подвесах. При наличии ускорения грузик смещается относительно неподвижной части акселерометра. Обкладка конденсатора, прикрепленная к грузику, смещается относительно обкладки на неподвижной части. Емкость меняется, при неизменном заряде меняется напряжение – это изменение можно измерить и рассчитать смещение грузика. Откуда, зная его массу и параметры подвеса, легко найти и искомое ускорение.

Основной принцип работы конденсаторных акселерометров

Это теория. На практике, MEMS-акселерометры устроены таким образом, что отделить друг от друга составные части – грузик, подвес, корпус и обкладки конденсатора – не так-то просто. Собственно, изящество MEMS в том и заключается, что в большинстве случаев в одной детали здесь удается (а вернее, попросту приходится) комбинировать сразу несколько предметов.

Относительно простой, но чрезвычайно миниатюрный и чувствительный MEMS-акселерометр разработки Sandia Labs

Зачастую, современные MEMS-гироскопы устроены идентично акселерометрам. Просто в них значения ускорений по осям пересчитываются в значения углов поворота – конструкция примерно та же, но на выходе другая величина.

Гироскоп L3G4200D производства ST Microelectronics используется в iPhone 4

Тот же STM L3G4200D, фотография с большим увеличением

Однако встречаются и гироскопы, устройство которых «заточено» именно под вращение. Такие MEMS – одни из красивейших.

Еще один гироскоп ST Microelectronics – LYPR540AH

Крупный план STM LYPR540AH. Толщина деталей этой ажурной конструкции – около 3 микрон!

Еще один MEMS-гироскоп

Помимо конденсаторных датчиков, существуют MEMS-акселерометры, использующие иные принципы. Например, датчики, основанные на пьезоэффекте. Вместо смещения обкладок конденсатора, в акселерометрах такого типа происходит давление грузика на пьезокристалл. Основной принцип тот же, что и в пьезозажигалках – под воздействием деформации пьезоэлемент вырабатывает ток. Из значения напряжения, зная параметры системы, можно найти силу, с которой грузик давит на кристалл – и, соответственно, рассчитать искомое ускорение.

Основной принцип работы акселерометров на пьезоэлементах

Есть и более экзотический тип MEMS-акселерометров – термальные датчики ускорения. В них в качестве основного объекта используется горячий пузырек воздуха. При движении пузырек отклоняется от центра системы, это отслеживается датчиками температуры. Чем дальше сместился пузырек – тем больше величина ускорения.

Двухосный термальный акслерометр

Менее популярный в статьях и обсуждениях, но гораздо более массовый тип MEMS-устройств – микроскопические микрофоны. Опять-таки, наиболее распространенными системами этого типа являются те, которые основаны на конденсаторном принципе.

Устроены они – проще некуда. Принципиально важных элементов в таком микрофоне всего два: это гибкая обкладка – мембрана, и более толстая, неподвижная обкладка. Под воздействием давления воздуха мембрана смещается, изменяется емкость между обкладками – при постоянном заряде изменяется напряжение. Эти данные пересчитываются в амплитуды и частоты звуковой волны.

Чтобы минимизировать влияние давления воздуха на неподвижную обкладку, эта обкладка перфорируется. Кроме того, под ней делается сравнительно большая ниша с обязательным вентиляционным отверстием. Идея в том, что единственным подвижным элементом в системе в идеале должна быть мембрана – и только она.

микроэлектромеханический микрофон под микроскопом. Диаметр мембраны чуть больше половины миллиметра

Как и в случае с акселерометрами, здесь может быть использован пьезоэффект — в этом случае под мембраной ставится пьезокристалл. Дальше – как и в случае пьезоакселерометров: давление воздуха передается мембраной на пьезоэлемент, под этим воздействием кристалл вырабатывает ток. Напряжение измеряется и переводится в амплитуду и частоту звука.

Самый миниатюрный MEMS-микрофон компании Akustica (площадь кристалла – 1 кв.мм) теряется рядом со своими более крупными родственниками

То, что годится для звука, подходит и для измерения давления в иных областях. Похожие на микрофоны MEMS-системы могут использоваться в качестве датчиков давления. Несложно догадаться, что применение такие сенсоры находят в уйме областей.

Но можно выделить одну область, которая является наиболее интересной и наиболее специфичной для датчиков давления, основанных на MEMS-технологии. Это медицина. Здесь размер действительно имеет значение. Если в какой-нибудь трубопровод вполне можно встроить «обычный», макроскопический датчик, то с кровеносным сосудом такой фокус, очевидно, не получится. Тут нужны очень и очень компактные решения.

Ультракомпактный и высокоточный датчики давления на фоне одноцентовой монеты (по размеру она примерно эквивалентна нынешним русским 50 копейкам)

Разумеется, в медицине востребованы не только датчики давления. Существует множество микроскопических биодатчиков, измеряющих массу разнообразных величин – от температуры до уровня глюкозы. Есть и более неожиданные устройства, вроде микроскопических систем подачи лекарств. И, разумеется, есть куча интереснейших прототипов, многие из которых в принципе не имеют аналогов среди макроустройств.

Прототип щипцов для микрохирургии глаза. Размеры головки щипцов – порядка 1,5х1,5 миллиметра. Толщина губ – несколько десятков микрон. Человеческий волос этими щипцами подцепить не получится – он для них слишком толстый

Что ж, разговор о MEMS-сенсорах мы на этом завершим. Впереди у нас еще более интересная и захватывающая тема: MEMS-актуаторы. Печатающие головки струйных принтеров, микрозеркальные матрицы, элементы оптико-волоконных сетей и многое другое. Обещаем: скучно не будет!

Компания st выпустила сверхпроизводительный акселерометр для микроэлектромеханических систем

За последние несколько лет широкое распространение по всему миру получили датчики, основанные на микроэлектромеханических системах, так называемых МЭМС. Популярность данных устройств обусловлена рядом причин, основными из которых являются простота их использования, относительно низкая цена и малые габариты. МЭМС-датчики, как правило, оснащаются интегрированной электроникой обработки сигнала и не имеют движущихся частей. Этим обуславливается их высокая надежность и способность обеспечивать стабильные показания в достаточно жестких условиях окружающей среды (перепады температур, удары, влажность, вибрация, электромагнитные и высокочастотные помехи). Совокупность данных преимуществ побуждает производителей систем для различных сфер применения (от авиа — и автомобилестроения до бытовой техники) использовать в своих разработках те или иные МЭМС-сенсоры.

В данной статье будут рассмотрены МЭМС-датчики для измерения ускорения (акселерометры) и угловой скорости (гироскопы). Данные устройства активно используются в системах управления летательными аппаратами, для обеспечения безопасности движения автомобилей, в сельскохозяйственной технике, изделиях специального назначения и др. В настоящее время существует достаточно много различных решений по исполнению МЭМС-устройств. В их числе – одноосевой МЭМС-гироскоп с вибрирующим кольцом и трехосевой емкостной МЭМС-акселерометр.

Одноосевой МЭМС-датчик угловой скорости (гироскоп) с вибрирующим кремниевым кольцом

Данный кремниевый цифровой гироскоп разработан с учетом требований к низкой стоимости изделия и экономичному энергопотреблению для систем навигации и наведения нового поколения. Он способен измерять угловую скорость до ± 1,0 є/с и имеет два режима вывода: аналоговый сигнал напряжения, линейно-пропорциональный угловой скорости, и цифровой по протоколу SPI®.

Режима вывода – аналоговый или цифровой – выбирается пользователем при подключении датчика к какой-либо системной плате. Главной отличительной особенностью гироскопа является применение технологии сбалансированного вибрирующего кольца в качестве датчика угловой скорости. Именно она обеспечивает надежную работу и точное измерение скорости вращения даже в условиях сильной вибрации.

Возможны две основные конфигурации гироскопа, одна из них позволяет датчику измерять угловую скорость по оси, перпендикулярной к плоскости системной платы, другая дает возможность определять угловую скорость по оси, параллельной плоскости материнской платы. Сочетание в одном устройстве гироскопов обеих конфигураций позволяет получить инерциальную систему, измеряющую угловую скорость по нескольким осям (любые сочетания тангажа, крена и рысканья летательного аппарата). Размеры датчиков обеих конфигураций и оси измерения угловой скорости приведены на рис.1.

Как правило, подобные гироскопы выпускаются в герметичных керамических LCC корпусах которые можно устанавливать на системные платы. Датчик состоит из пяти основных компонентов:
— кремниевый кольцевой МЭМС-сенсор (MEMS-ring),
— основание из кремния (Pedestal),
— интегральная микросхема гироскопа (ASIC),
— корпус (Package Base),
— крышка (Lid).

Кремниевый кольцевой МЭМС-сенсор, микросхема и кремниевое основание размещены в герметичной части корпуса с вакуумом, частично заполненным азотом. Это дает серьезные преимущества перед сенсорами, которые поставляются в пластиковых корпусах, которые имеют определенные ограничения чувствительности в зависимости от уровня влажности.

Читайте также  Приемник чм 400-450 мгц

Кремниевый кольцевой МЭМС-сенсор

Диаметр кремниевого МЭМС-кольца равен 3 мм., толщина – 65 мкм. Его изготавливают методом глубокого реактивного ионного травления объемных кремниевых структур на 5” пластинах. Кольцо поддерживается в свободном пространстве восемью парами симметричных спиц, которые исходят из твердого концентратора диаметром 1 мм. в центре кольца.

Процесс объемного травления кремния и уникальная технология изготовления кольца позволяют получить хорошие геометрические свойства, необходимые для точного баланса и термической стабильности сенсорного кольца. В отличие от других гироскопов здесь нет мелких расхождений, создающих проблемы с интерференцией и трением. Указанные особенности существенно определяют стабильность датчика при колебаниях температуры, вибрации или ударе. Еще одним преимуществом подобной конструкции является ее «врожденный» иммунитет к ошибкам, которые датчики могут выдавать под влиянием ускорения, или «g – чувствительности».

Пленочные приводы и преобразователи прикреплены к верхней поверхности кремниевого кольца по периметру и для получения электроэнергии подключены к связующим контактам в центре концентратора через треки на спицах. Это активирует или «заводит» периметр кольца в рабочий режим вибрации на уровне Cos2и с частотой 22 кГц, определяя радиальное перемещение, которое может осуществляться по причине первичного движения привода либо за счет действия кориолиосовой силы, когда гироскоп вращается относительно его оси чувствительности. Существует одна пара приводов первичного движения, одна пара первичных снимающих преобразователей и две пары вторичных снимающих преобразователей.

Комбинация сенсорной технологии и восьми вторичных снимающих преобразователей улучшает в датчике соотношение «сигнал/шум», что позволяет получать малошумящие устройства с отличными свойствами по угловому случайному дрейфу гироскопа, которые являются ключевыми для применения в сферах инерциальной навигации (например, стабильность наведения камеры или антенны). Описанную схему можно сравнить с камертонной структурой, содержащей бесконечное количество камертонов, интегрированных в единую балансирующую вибрирующую кольцевую конструкцию. Это обеспечивает наиболее высокую стабильность измерения угловой скорости по времени, температуре, вибрациям и ударам для МЕМС-гироскопов данного класса.

Концентратор в центре кольца сенсора установлен на цилиндрическом кремниевом основании диаметром 1 мм., которое связано с кольцом и ASIC с помощью эпоксидной смолы. Микросхема гироскопа имеет габариты 3х3 мм и изготовлена по технологии 0,35 мкм КМОП. ASIC и МЭМС-сенсор (кольцо) разделены физически, но соединены электрической цепью через золотые проводки. В связи с этим в подобной схеме отсутствуют внутренние каналы, что позволяет уменьшить шумовую нагрузку и получить отличные электромагнитные свойства.

Керамический корпус датчика изготовлен по технологии LCC и представляет из себя многослойную оксидно-алюминиевую конструкцию с внутренними контактными площадками для разварки, соединенными через корпус с наружными контактными площадками посредством многослойных вольфрамовых межсоединений. Аналогичные интегральные межсоединения есть в крышке гироскопа, что обеспечивает размещение чувствительного элемента датчика внутри щита Фарадея и хорошие электромагнитные показатели гироскопа. При этом внутренние и наружные контактные площадки покрыты гальваническим путем слоем никеля и золота.

Корпус включает в себя уплотнительное кольцо, на верхней части которого шовной сваркой приварена металлическая крышка. Сварка произведена электродом сопротивления, что создает полную герметичность конструкции. В отличие от большинства МЭМС-корпусов, доступных сегодня на рынке, при изготовлении корпуса данного устройства используется специально разработанная шовная сварка, при которой исключена возможность образования комочков (брызг) сварки внутри гироскопа. При использовании других технологий сварки сварочные брызги могут попадать на нижние конструкции и негативно влиять на надежность гироскопа за счет воздействия на вибрирующий МЭМС-элемент, особенно в тех местах, где конструкции имеют небольшие зазоры. В корпусе также есть встроенный датчик температуры для обеспечения внешней термокомпенсации.

Принцип действия системы гироскопа

Описываемые гироскопы обычно являются твердотельными устройствами и не имеют движущихся частей за исключением сенсорного кольца, которое имеет возможность отклоняться. Оно показывает величину и направление угловой скорости за счет использования эффекта «силы Кориолиса». Во время вращения гироскопа силы Кориолиса действуют на кремниевое кольцо, являясь причиной радиального движения по периметру кольца.

По периметру кольца равномерно расположены восемь приводов/преобразователей. При этом есть одна пара приводов «первичного движения» и одна пара первичных снимающих преобразователей, расположенных относительно их главных осей (0° и 90°). Две пары вторичных переключающих преобразователей расположены относительно их вторичных осей (45° и 135°). Приводы первичного движения и первичные переключающие преобразователи действуют вместе в замкнутой системе, чтобы возбуждать и контролировать первичную рабочую амплитуду вибрации и частоты (22 кГц).

Вторичные снимающие преобразователи распознают радиальное движение на вторичных осях, величина которого пропорциональна угловой скорости вращения, благодаря которой гироскоп обретает угловую скорость. Преобразователи производят двухполосный сжатый передающий сигнал, демодулирующийся обратно в полосы, ширина которых контролируется пользователем одним простым внешним конденсатором. Это дает пользователю возможность полностью контролировать производительность системы и делает преобразование абсолютно независимым от постоянного напряжения или низкочастотных параметрических условий электроники.

На рисунках 3 и 4 продемонстрирована структура кремниевого кольца сенсора, показывающая приводы первичного движения «PD» (одна пара), первичные снимающие преобразователи «PPO» (одна пара) и вторичные снимающие преобразователи «SPO» (две пары).

На рисунке 5 схематично показано кольцо, при этом спицы, приводы и преобразователи удалены для ясности. В данном случае гироскоп выключен, кольцо круглое.

В момент, когда датчик находится в выключенном состоянии, в кольце возбуждается движение вдоль его основных осей за счет приводов первичного движения и первичных снимающих преобразователей, воздействуя в замкнутом контуре на систему контроля ASIC. Круглое кольцо принимает в режиме Cos2и эллиптическую форму и вибрирует с частотой 22 кГц. Это показано на Рис.6, на котором гироскоп уже включен, но еще не вращается. На четырех вторичных снимающих узлах расположенных на периметре кольца под углом 45 по отношению к основным осям нет радиального движения.

Если гироскоп подвергается воздействию угловой скорости, то на кольцо действуют силы Кориолиса: по касательной к периметру кольца относительно главных осей. Эти силы деформируют кольцо, что вызывает радиальное движение вторичных снимающих преобразователей. Данное движение, определяемое на вторичных снимающих преобразователях, пропорционально прилагаемой угловой скорости. При этом двухполосный сжатый передающий сигнал демодулируется с учетом основного движения. В итоге получается низкочастотный компонент, который пропорционален угловой скорости.

Рис. 7 Режимы работы сенсорного кольца при вращающемся гироскопе

Схема управления всем гироскопом расположена в ASIC.

Рис. 8 Блоковая диаграмма функционирования ASIC-сенсора
Рис. 9 Внешний вид ASIC-гироскопа

Подобные датчики обладают миниатюрными габаритами (6,5х1,2 мм) при сверхнизком потреблении энергии (12 мВт). Для них характерен широкий диапазон измерения (до 900 градусов/сек), сверхмалый вес 0,08 грамм и высокая стабильность работы.
Гироскопы подобной конструкции можно с успехом применять для измерения скоростей вращения объекта по трем осям в транспортных и персональных навигаторах для определения и сохранения параметров движения и определения местоположения; в системах отслеживания по трассе на сельскохозяйственной технике для стабилизации антенн; в промышленной аппаратуре, робототехнике и других сферах. Использование данных датчиков угловой скорости на летательных аппаратах позволяет на порядок уменьшить габариты, вес, энергопотребление приборов и в результате значительно снизить цену навигационной системы в целом. Надежность и точность в управлении широкого спектра самолетов, вертолетов и других летательных аппаратов при этом увеличивается. Таким образом, данный вид гироскопов оптимально подходит для использования в ситуации, когда есть ограничения по габаритам, весу и стоимости изделия.

Компания st выпустила сверхпроизводительный акселерометр для микроэлектромеханических систем

МЭМС-акселерометр полностью на отечественной компонентной базе

Микроэлектромеханические системы или, как принято их называть в научной среде, МЭМС-технологии, в последнее время стали очень популярны среди молодых учёных. Победитель конкурса «УМНИК-2018», аспирант НИУ МИЭТ Максим Головинский рассказал о своей разработке чувствительного элемента МЭМС-акселерометра на сверхбольшие диапазоны ускорений и поделился планами дальнейших исследований в этой области.

— Как случилось, что именно тема измерения диапазона ускорений стала приоритетной для Вас? Как пришла в голову эта идея и оправдал ли результат первоначальные ожидания?

— Впервые с тематикой микроэлектромеханических датчиков, в частности, МЭМС-акселерометров я столкнулся на месте своей производственной практики – Институт нано- и микросистемной техники (ранее кафедра микроэлектроники) НИУ МИЭТ. В этой области трудился мой научный руководитель Андрей Сергеевич Шалимов, соответственно я подхватил интерес работы и начал развиваться в данном направлении. На пути получения всё большего объёма знаний в области проектирования МЭМС, я ушёл в более узкую специализацию – разработку чувствительных элементов (ЧЭ) МЭМС-акселерометров. В процессе научной деятельности появилась необходимость разработать ЧЭ МЭМС-акселерометра на сверхбольшие диапазоны ускорений до 190000 м/с2, далее идея была представлена в рамках конкурса «УМНИК», где была поддержана.

— Как Ваше изобретение может быть применено в промышленности и в быту? Если можно, приведите примеры.

— Конечными потребителями будут выступать микроэлектронная промышленность, нефтегазовая и горнодобывающая промышленности, строительные компании, для применения в различных датчиках и технике (транспорте). Например, применение таких ЧЭ планируется в МЭМС-акселерометрах, МЭМС-датчиках вибрации, для контроля состояния копровых установок, проходческих щитов, исследования взрывов при разведке месторождений.

— Вы уже проводили какие-нибудь эксперименты?

— Исследования только предстоит провести, и эта перспектива появилась благодаря победе в конкурсе «УМНИК». На данный момент изучена возможность разработки такого изделия, ведутся подготовительные операции к проведению процессов моделирования.

— Вы говорите, что разработанный Вами чувствительный элемент МЭМС-акселерометра более надёжный, нежели ныне существующие. За счёт чего?

— Преимущество разрабатываемого чувствительного элемента МЭМС-акселерометра относительно аналогов состоит в более надёжной конструкции, в частности, будут сформированы упоры (ограничители) хода конструкции, не требующие выполнения дополнительных технологических операций, что приведёт к упрощению конструкции, снижению её стоимости и повышению её надежности. То есть, говоря простыми словами, высокая надёжность обеспечена особой конструкцией ЧЭ с компенсационными упорами инерционной массы.

— А как будет выглядеть устройство?

— Законченное устройство будет представлять собой поверхностно монтируемый (SMD) металлокерамический корпус размерами 8х8х2.5 мм размещённым внутри него кремниевым кристаллом чувствительного элемента МЭМС-акселерометра.

— Когда Вы планируете ввести прибор в эксплуатацию?

— Согласно подготовленному к конкурсу «УМНИК» плану реализации изделие в течение 2-х лет будет доведено до уровня коммерциализации. Также будет составлен бизнес-план проекта и пройдена преакселерационная программа.

— Кто Вам помогал в разработке данного устройства?

— Консультационную помощь оказывают сотрудники Института НМСТ. В части непосредственной проработки конструкции ЧЭ МЭМС-акселерометра и подготовки моделей существенное содействие оказывает ведущий инженер Института НМСТ НИУ МИЭТ Степан Александрович Анчутин.

Читайте также  Антенна с активным рефлектором

— Есть ли в планах продолжение научной деятельности в других направлениях?

— В дальнейшем я хочу разработать МЭМС-акселерометр полностью на отечественной компонентной базе. С параметрами, в том числе, и массогабаритными, не уступающими импортным аналогам.

— Чего мы Вам и желаем! Спасибо за интервью и успехов на ниве научного прогресса!

Как смартфоны чувствуют мир. Часть 1: акселерометры, гироскопы и другие сенсоры

Что же такое МЭМС (MEMS)? Под этой аббревиатурой скрывается название «микроэлектромеханические системы» (Microelectromechanical systems). Они представляют собой миниатюрные устройства, содержащие микроэлектронные и микромеханические компоненты. Само название МЭМС, скажем прямо, совсем не на слуху у пользователей. Однако каждый день мы пользуемся множеством девайсов, основанных на базе этих решений. Самым простым примером микроэлектромеханической системы может служить акселерометр, который используется во всех современных смартфонах, игровых консолях и жестких дисках. Однако существует множество других систем, применение которых отнюдь не ограничивается потребительской электроникой. Решения на основе МЭМС находят применение в автомобильной промышленности, военной отрасли, а также медицине.

История и архитектура

Для начала немного истории. По большому счету, началом развития МЭМС можно считать 1954 год. Именно тогда был открыт пьезорезистивный эффект кремния и германия, который лег в основу первых датчиков давления и ускорения. Через 20 лет — в 1974 году — компанией National Semiconductor впервые было налажено массовое производство датчиков давления. А в 1990-х годах рынок микроэлектромеханических систем значительно вырос благодаря началу использования различных миниатюрных сенсоров в автомобильной электронике.

MEMS-системы получили приставку «микро-» из-за своих размеров. Составные части таких устройств имеют размеры от 1 до 100 мкм, а размеры готовых систем варьируются от 20 мкм до 1 мм.

В плане архитектуры МЭМС-устройство состоит из нескольких взаимодействующих механических компонентов и микропроцессора, который обрабатывает данные, получаемые от этих компонентов. Какого-то стандарта для механических элементов нет: по своему типу они могут сильно различаться в зависимости от назначения конкретного устройства.

В качестве материалов для производства МЭМС могут использоваться как и традиционный кремний, так и другие материалы: например, полимеры, металлы и керамика. Чаще всего механические системы изготавливаются из кремния. Его основные преимущества заключаются в физических свойствах. Так, кремний очень надежен — он может работать в течение триллионов циклов операций и при этом не разрушаться. Что касается полимеров, то этот материал хорош тем, что его можно производить в больших количествах и, что самое важное, с множеством различных характеристик под конкретные задачи. Ну а металлы (золото, медь, алюминий), в свою очередь, обеспечивают высокие показатели надежности, хоть и уступают по качеству своих физических свойств кремнию.

Стоит отдельно упомянуть и о таких материалах, как нитриды кремния, алюминия и титана. Благодаря своим свойствам они широко используются в микроэлектромеханических системах с пьезоэлектрической архитектурой.

Что касается технологий производства МЭМС, то здесь используется несколько основных подходов. Это объемная микрообработка, поверхностная микрообработка, технология LIGA (Litographie, Galvanoformung и Abformung — литография, гальваностегия, формовка) и глубокое реактивное ионное травление. Объемная обработка считается самым бюджетным способом производства МЭМС. Ее суть заключается в том, что из кремниевой пластины путем химического травления удаляются ненужные участки материала, в результате чего на пластине остаются только необходимые механизмы.

Результат, полученный с помощью объемной обработки

Глубокое реактивное ионное травление почти полностью повторяет процесс объемной микрообработки, за исключением того, что для создания механизмов используется плазменное травление вместо химического. Полной противоположностью этим двум процессам является процесс поверхностной микрообработки, при котором необходимые механизмы «выращиваются» на кремниевой пластине путем последовательного нанесения тонких пленок. И, наконец, технология LIGA использует методы рентгенолитографии и позволяет создавать механизмы, высота которых значительно превышает ширину.

В целом, все МЭМС можно разделить на две большие категории: сенсоры и актуаторы. Различаются они принципом своей работы. Если задача сенсора состоит в преобразовании физических воздействий в электрические сигналы, то актуатор выполняет прямо противоположную работу, переводя сигнал в какие-либо действия. Тот же акселерометр является сенсором, а в качестве примера устройства, использующего актуаторы, можно привести DLP-проектор (Digital Light Processing).

DLP-проектор BenQ использует актуаторы

Ну а теперь мы поговорим о каждом устройстве в отдельности.

Акселерометры

Самым распространенным МЭМС-устройством является акселерометр. Как уже говорилось выше, сфера его использования чрезвычайно обширна. Она охватывает мобильные телефоны, ноутбуки, игровые приставки, а также более серьезные устройства, такие как автомобили. Само предназначение акселерометра заключается в измерении кажущегося ускорения. В случае с мобильными телефонами он используется для многих целей. Например, для смены ориентации экрана. Или же выполнения каких-либо функций при «встряхивании» устройства. Кроме этого, не стоит забывать и об играх — они, пожалуй, составляют основную сферу применения акселерометров. Нынче уже сложно представить «продвинутую» игрушку, в которой не было бы реализовано управление посредством наклона телефона. Одним словом, акселерометр стал неотъемлемой частью смартфонов. Кстати, впервые он был установлен в мобильный телефон Nokia 5500. Благодаря акселерометру телефон можно было использовать как шагомер. Любители утренних пробежек были в восторге! Но, конечно, только после выхода Apple iPhone акселерометры достигли пика популярности. Да и в целом интерес к MEMS начал расти вместе с развитием платформ iOS и Android.

Nokia 5500 — первый телефон с акселерометром

Акселерометры также имеются в различных контроллерах игровых консолей, будь то обыкновенный геймпад или несколько иное устройство, например, контроллер движения PlayStation Move. Кстати, акселерометр используется и в анонсированном на днях шлеме виртуальной реальности Sony Project Morpheus.

Особое значение имеет акселерометр, применяемый в ноутбуках, а точнее, в их жестких дисках. Всем известно, что винчестеры — устройства довольно хрупкие, и в случае с лэптопами вероятность их повреждения возрастает в разы. Так, при падении ноутбука акселерометр фиксирует резкое изменение ускорения и отдает команду на парковку головки жесткого диска, предотвращая и повреждение устройства, и потерю данных.

Акселерометр InvenSense MPU-6500

По схожему принципу акселерометр влияет на работу автомобильного видеорегистратора. При резком ускорении, торможении и перестроении транспортного средства видеозапись помечается специальным маркером, который защищает ее от стирания и перезаписи, что значительно облегчает дальнейшие разборы дорожно-транспортных происшествий.

В целом самым большим и перспективным рынком для акселерометров и других МЭМС является автомобильная промышленность. Дело в том, что в отличие от рынка мобильных и игровых устройств, где акселерометры используются в развлекательных целях, в автомобилях на работе акселерометра основываются буквально все системы безопасности. С их помощью работают система развертывания подушек безопасности, антиблокировочная система тормозов, система стабилизации, адаптивный круиз-контроль, адаптивная подвеска, система Traction Control — и это далеко не полный список! Учитывая, что производители автомобилей уделяют особое внимание безопасности, количество применяемых акселерометров и других МЭМС будет лишь расти.

Краш-тест автомобиля Opel Vectra. В 90-е годы подушки безопасности зачастую были только опцией

Но несмотря на то, что рамки использования акселерометра довольно четко определены, разработчики продолжают думать над тем, в каких еще целях можно применять это устройство. Например, ученые из Национального института геофизики и вулканологии Италии Антонио Д’Аллесандро (Antonino D’Alessandro) и Джузеппе Д’Анна (Giuseppe D’Anna) предложили использовать акселерометр мобильного телефона как датчик землетрясений. Очень интересно! Исследования проводились с акселерометром iPhone, и результаты сравнивались с показаниями полноценного датчика землетрясений компании Kinemetrics. Как оказалось, мобильный гаджет способен улавливать сильные землетрясения силой более 5 баллов по шкале Рихтера, но только если он находится вблизи эпицентра подземных толчков. Результаты не настолько впечатляют, однако ученые уверены: чувствительность акселерометров будет только расти, и в будущем они смогут определять и менее сильные землетрясения. Остается лишь вопрос: зачем акселерометру телефона измерять силу подземных толчков, когда есть датчики землетрясения? Все дело в том, что ученые ставят своей целью создание в будущем целой сети из смартфонов в сейсмически активных районах. В теории, при землетрясениях данные со смартфонов будут поступать в аналитический центр, что позволит определять наиболее пострадавшие от стихии районы и правильно координировать спасательные операции. Идея более чем интересная и, главное, действительно востребованная в некоторых уголках мира, однако сейчас сложно представить, как она будет реализована на практике.

Теперь поговорим о самой конструкции акселерометра. Существует несколько видов устройств в зависимости от их архитектуры. Работа акселерометра может основываться на конденсаторном принципе. Подвижная часть такой системы представляет собой обыкновенный грузик, который смещается в зависимости от наклона устройства. По мере его смещения изменяется емкость конденсатора, а именно меняется напряжение. Исходя из этих данных, можно получить смещение грузика, а вместе с тем и искомое ускорение.

Микроэлектромеханические системы (MEMS-компоненты) и датчики на их основе

MEMS-компоненты (рус. МЕМС) – расшифровываются, как микроэлектромеханические системы. Основной отлиительной особенностью в них является, то что они содержат в себе подвижную 3D-структуру. Она движется за счет внешнего воздействия. Следовательно, движутся в МЕМС-компонентах не только электроны, но и составные части.

MEMS-компоненты – это один из элементов микроэлектроники и микромеханики, изготовленный зачастую на кремниевой подложке. По структуре они напоминают однокристальные ИМС. Обычно эти механические части МЕМС имеют размеры от единиц до сотен микрометров, а сам кристалл от 20 мкм до 1 мм.

Рисунок 1 – один из примеров структуры MEMS

1. Изготовление различных микросхем.

2. МЭМС-осцилляторы в некоторых случаях заменяют кварцевые резонаторы.

3. Изготовление датчиков, среди которых:

датчик угловых скоростей;

измерительные преобразователи радиосигнала.

Материалы, применяемые в MEMS-структурах

К основным материалам, из которых изготавливаются МЕМС-компоненты относят:

1. Кремний. В настоящее время подавляющее большинство электронных компонентнов изготавливаются именно из этого материала. У него целый ряд преимуществ, среди которых: распространенность, прочность, при деформации практически не изменяет свойств (не появляется гистерезис). Основным способом изготовления кремниевых МЕМС является фотолитография с последующим травлением.

2. Полимеры. Так как кремний хоть и распространенный материал, но сравнительно дорогой, для его замены в некоторых случаях могут использоваться полимеры. Они производятся промышленностью в больших объемах и с разнообразными характеристиками. Основные методы изготовления полимерных МЕМС – это литьевое формирование, штамповка, стереолитография.

Производственные объемы на примере крупного производителя

Для примера востребованности этих компонентов приведем компанию ST Microelectronics. Она производит крупные инвестиции в МЕМС-технологии, в день на её фабриках и заводах производится до 3 000 000 элементов в день.

Читайте также  Начальные сведения по вч-дизайну

Рисунок 2 – производственные мощностя компании разрабатывающей MEMS-компоненты

Производственный цикл разбит на 5 основных крупных этапов:

1. Производство чипов.

3. Упаковка в корпуса.

4. Финальное тестирование.

5. Поставка дилерам.

Рисунок 3 – цикл производства

Примеры МЕМС-датчиков разных типов

Рассмотрим несколько популярных МЕМС-датчиков.

Акселерометр – это прибор, который измеряет линейное ускорение. Его используют для определения метоположения или движение объекта. Используется в мобильной технике, автомобилях и прочем.

Рисунок 4 – три оси распознаваемые акселерометром

Рисунок 5 – внутренняя структура МЕМС-акселерометра

Рисунок 6 – пояснения к структуре акселерометра

Характеристики акселерометра на примере компонента LIS3DH:

1. 3 осевой акселерометр.

2. Работает с интерфейсами SPI и I2C.

3. Измерение по 4м шкалам: ±2, 4, 8 и 16g.

4. Высокое разрешение (до 12 бит).

5. Низкое потребление: 2 мкA в режиме Low power mode (1Гц), 11мкA в режиме Normal (50Гц) и 5мкA в режиме Power Down.

6. Гибкость работы:

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

Пропускная способность до 2.5 КГц;

32-уровневый FIFO (16-бит);

Питание от 1.71 до 3.6 В;

Корпус 3 x 3 x 1 мм. 2.

Гироскоп – это прибор который измеряет угловое перемещение. С его помощью можно измерять угол вращения округ оси. Такие приборы могут использовать в качестве системы навигации и управления полетом летательных аппаратов: самолетов и различных БПЛА или для определения положения мобильных устройств.

Рисунок 7 – данные измеряемые гироскопом

Рисунок 8 – внутренняя структура

Для примера рассмотрим характеристики МЕМС-гироскопа L3G3250A:

3-Осевой Аналоговый Гироскоп;

Иммунитет к аналоговому шуму и вибрациям;

2 шкалы измерения: ±625°/с и ±2500°/с;

Power down и Sleep режимы;

Высокая чувствительность: 2 мВ/°/с при 625°/с

Встроенный фильтр нижних частот

Высокая температурная стабильность (0.08°/с/°C)

Высокое шоковое состояние: 10000g в течении 0.1 мс

Температурный диапазон от -40 до 85°C

Напряжение питания: 2.4 — 3.6В

Потребление: 6.3 мA в Normal, 2 мA в Sleep и 5 мкA в Power Down режимах

Корпус 3.5 x 3 x 1 LGA

На рынке МЕМС-датчиков кроме рассмотренных в докладе примеров есть и другие элементы, среди которых:

Многоосевые (например, 9-осевые) датчики;

Датчики для измерения окружающей среды (давления и температуры);

Цифровые микрофоны и прочее.

Современная промышленная высокоточные микроэлектромеханические системы, которые активно применяются в транспортных средствах и портативных носимых компьютерах.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Акселерометры COLIBRYS для геофизики

По материалам научно-практической конференции
“Актуальные вопросы сервисных услуг нефтегазодобывающим
предприятиям при геофизических исследованиях и работах
в скважинах” (ОК “Орбита”, 4–11 сентября 2011 г.)

Высокие технологии сегодня активно и успешно используются в процессах подземного бурения. При этом важнейшее значение приобретают технические решения, способствующие существенному снижению капитальных затрат при освоении месторождений. Например, применение акселерометров в системах контроля бурения позволяет точно определять ориентацию и глубину пробуренных скважин, направлять бурильную головку в заданный район, проводить сейсмические измерения.

Микроэлектромеханические системы (МЭМС) – это устройства, объединяющие в себе микроэлектронные и микромеханические компоненты. С помощью данных технологий электроника приобретает способность “чувствовать”. Сегодня рынок МЭМС-устройств находится в стадии интенсивного развития и становится все более требовательным к характеристикам продукта. Компания Colibrys является одной из ведущих мировых компаний в производстве высокоточных и высоконадежных МЭМС-акселерометров. Акселерометры компании Colibrys предназначены для работы в тяжелых условиях окружающей среды (сильные удары, вибрации, экстремальные температуры, электромагнитные поля) и успешно применяются в геофизических исследованиях, например при работах в скважинах.

Офис и производство Colibrys расположены в Швейцарии, в городе Нёвшатель. В этом году компания перешагнула 10-летний рубеж в своем развитии. Базой для создания Colibrys послужила некоммерческая научно-исследовательская организация CSEM (Швейцарский центр электроники и микротехнологии), у которой к моменту основания Colibrys уже был накоплен 25-летний опыт в разработках МЭМС-технологий (рис. 1).


Рис. 1. Производственный цез компании Colibrys

Ядром акселерометра является емкостный микромеханический твердотельный кремниевый датчик. Базовая технология производства акселерометров Colibrys основана на обработке трех кремниевых пластин. Центральная пластина обеспечивает упругий подвес измерительной массы, которая также является центральным электродом емкостного датчика. Верхняя и нижняя пластины составляют внешние неподвижные электроды датчика. Все три пластины сплавляются вместе (рис. 2). Этот процесс обеспечивает не только отличный баланс между тремя подложками в системе, но и позволяет создать герметичную полость для системы с подпружиненной массой. Процесс сварки происходит при высокой температуре (>1000 °C) и низком давлении, чтобы обеспечить оптимальное поглощение газа и управление полосой пропускания.


Рис. 2. Схема компоновки трех кремниевых пластин

Ускорение или наклон, приложенные к измерительной оси, изменяют силы, действующие на подпружиненную массу, принуждая ее смещаться относительно неподвижных электродов, что приводит к изменению емкостей датчика. Дифференциальное изменение емкостей датчика измеряется специализированной микросхемой. Как только происходит изменение емкости, восстанавливающая электростатическая сила начинает действовать на измерительную массу, стремясь вернуть ее в центральное (равновесное) положение. Выходной сигнал датчика определяется на основе сигнала коррекции, необходимого для поддержки измерительной массы в центральном положении. Сигнал коррекции прямо пропорционален ускорению, приложенному к датчику. Датчики, построенные по такой схеме с обратной связью, обеспечивают лучшую линейность, чем другие конструкции датчиков.

Основными отраслями применения продукции Colibrys являются геофизика, аэрокосмическая отрасль и многочисленные промышленные приложения. При геофизических исследованиях высокая стабильность датчиков позволяет сократить количество требуемых измерений, необходимых для точного мониторинга скважины, и, следовательно, сократить затраты на проведение каротажа.

Все датчики Colibrys можно разделить на инерциальные, сейсмические, вибрационные и датчики наклона. Разделение сделано из опыта применения компании Colibrys. Для каждого из направлений проводятся разработки с целью улучшения характеристик датчиков.

Инерциальные датчики Colibrys представлены сериями MS8000 и MS9000 (рис. 3). Диапазон измерений варьируется от ±2 до ±250 g. Для каждой серии выпускается версия HS с повышенной ударопрочностью. Датчики версии HS работают без потери стабильности при нагрузках до 20 000 g. Семейство выпускается в малогабаритном керамическом корпусе LCC 20 (8,9 x 8,9 мм) либо LCC 48 (14,2 x 14,2 мм). Датчик работает со стабильной погрешностью в несколько тысячных долей g в течение длительного времени. Рабочий диапазон температур от –55 до +125 °C. Долгосрочный дрейф нуля не превышает 0,1% рабочего диапазона. Для дополнительного улучшения работы устройства потребители имеют возможность калибровать датчик в отношении температуры окружающего воздуха с помощью встроенного термодатчика.


Рис. 3. Датчик MS9000. Вид изнутри

Типичным представителем семейства датчиков вибраций Colibrys является акселерометр MS7000 (рис. 4). Датчик MS7000 был изначально разработан и изготовлен для нужд нефтегазовой отрасли. Устройство применяется для измерения вибрации или угла наклона. Основным преимуществом датчика является низкая долгосрочная систематическая погрешность. Изделие характеризуется низким температурным коэффициентом даже без температурной компенсации и низким потреблением энергии. Датчик заключен в корпус TO8 с 12 контактами, что обеспечивает полную герметичность. Рабочий диапазон температур составляет от –40 до +125 °C. Устойчивость к ударам – до 6000 g без потери качества измерений.


Рис. 4. Датчик MS7000. Вид изнутри

Другим представителем семейства является датчик VS9000, который характеризуется широкой пропускной способностью и низким потреблением энергии. Этот продукт отличается высокой стабильностью в сочетании с низким уровнем шума и низким смещением температурного коэффициента.

Сейсмические датчики Colibrys представлены семейством Si-Flex. Линейка Si-Flex может заменить традиционные геофоны или сейсмометры и представляет собой новое направление “цифровых геофонов”. Датчики характеризуются крайне низкими шумовыми показателями. Многокристальная конструкция смонтирована на печатной плате.

Компания Авитон является официальным дистрибьютором Colibrys на территории России, осуществляет полную техническую поддержку поставляемой продукции, проводит консультации со специалистами завода-производителя, предоставляет каталоги, документацию, международные и отечественные сертификаты. Возможны как единичные поставки образцов, так и комплексные заказы продукции.

Руководство по выбору изделий

Датчик Диапазон Основной параметр Корпус Размер Основные свойства
Сейсмические датчики
SF1500S.A / SN.A ±3 g Шум: 300·10 –9 Одноосевая плата Одноосевые МЭМС-сервоакселерометры с самым низким уровнем шумов
SF2005S.A / SN.A ±4,5 g Шум: 800·10 –9 Одноосевая плата
Вибрационные измерения
VS9000.D От ±2 до ±200 g Полоса пропускания: >1 кГц при –5% LCC20 8,9 x 8,9 мм Датчик без обратной связи с отличной стабильностью смещения и широкой полосой пропускания
Инерциальные датчики
MS8000.D От ±2 до ±100 g Стабильность смещения: 10 –3 g LCC48 14 x 14 мм Датчик без обратной связи с отличной стабильностью смещения для жестких условий эксплуатации (–55 … +125 °С)
HS8000.D ±2, ±30, ±100 g Ударопрочность: >20 000 g LCC48 14 x 14 мм
MS9000.D От ±2 до ±200 g Стабильность смещения: 10 –3 g LCC20 8,9 x 8,9 мм
новый RS9010.A ±10 g Высокопроизводительный датчик движения LCC20 8,9 x 8,9 мм Отличная стабильность смещения и чувствительности для систем курсовертикали
Датчики наклона
MS8002.D ±2 g Мощность: новый RS9003.A ±3 g Высокая точность LCC20 8,9 x 8,9 мм Суммарная долговременная стабильность смещения и чувствительности менее 10 –3 g

Сейсмические датчики SF1500S.A / SN.A, SF2005S.A / SN.A

Передовые емкостные МЭМС-акселерометры в сочетании с улучшенной электроникой являются ключом к построению высокопроизводительных акселерометров для систем измерения сильной сейсмической активности (землетрясения). Эти датчики с их исключительно низким шумом и широким динамическим диапазоном являются лучшими в своем классе и дают уникальную возможность заменить традиционные геофоны и сейсмометры.

  • Области применения: научный мониторинг сильных землетрясений, мониторинг технического состояния объектов, гражданское строительство, внутренняя безопасность, сейсморазведка.

Датчики вибрации VS9000.D

Датчики с переменной емкостью могут выгодно заменить традиционные пьезорезистивные решения во многих применениях. Для заданного диапазона ускорений и полосы частот емкостные датчики обеспечивают более низкий шум и значительно лучшую долговременную и температурную стабильность.

  • Области применения: железные дороги, тестирование автотранспортных средств, транспорт, системы мониторинга состояния и использования объектов, приборостроение.

Инерциальные датчики RS9010.A новый , MS9000.D, MS8000.D, HS8000.D

Долговременная стабильность и высокая надежность наших емкостных МЭМС-акселерометров, специально разработанных для жестких условий эксплуатации, и систем, критичных по безопасности, раз за разом удовлетворяют все возрастающие запросы инерциальных измерительных систем и систем курсовертикали для гражданских и военных применений.

  • Области применения: авиация, космос, ракеты и высокоточное вооружение, курсовертикали, наземная и морская навигация, беспилотные летательные аппараты, направленное бурение и железнодорожный транспорт.

Датчики наклона RS9003.A новый , MS9002.D, MS9001.D, MS8002.D

Датчики с переменной емкостью по причине свойственных им высокого разрешения, высокой температурной стабильности и низкого потребления полностью соответствуют требованиям приложений, требующих датчика наклона.

  • Области применения: стабилизация платформ (антенны, камеры, радара, турели), датчики наклона (орудия, дальномера, компаса, указателя севера), направленное бурение и каротаж.