Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича
Кафедра Конструирования и производства радиоэлектронных средств
Дисциплина: «Компоненты электронной техники»
Раздел 3: «Активные элементы радиоэлектронных устройств»
Лекция №7. «Микроэлектромеханические системы (МЭМС), сенсорные устройства и датчики»
(2 часа)
Доцент кафедры, к.п.н., Мордовин В.Н.
2024 г.
Учебные вопросы
1.Определение, классификация, условно-графическое обозначение микроэлектромеханических систем (МЕМС).
2.Способы изготовления МЭМС.
2.1.Объёмная микрообработка.
2.2.Поверхностная микрообработка.
2.3.Высокопрофильная микрообработка.
2.4.Другие виды микрообработки.
3. Применение МЭМС.
3.1.Датчики на основе МЭМС и их измерительные свойства.
3.2.Микромеханические акселерометры (ММА).
3.3.Микромеханические гироскопы (ММГ).
3.4.Микромеханические датчики давления (ММДД).
Литература
1.Электрические и электронные компоненты устройств и систем : учеб.- Э45 ме-тод. пособие / В. В. Баранов [и др.]. - Минск : БГУИР, 2019. -136 с. : ил.
2.Путеводитель по электронным компонентам: сборник/ Лев Шапиро. СПб.: Свое издательство, 2014. – 184с.
3.Свистова Т.В. Основы микроэлектроники: учеб. Пособие [Электронный ресурс]. - Воронеж: ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический универси- тет», 2017.
3
ВВЕДЕНИЕ
На сегодняшний день одной из инновационных технологий является технология микроэлектромеханических систем - MEMS (Micro- Electro Mechanical Systems).
Под технологией MEMS понимают технологию микрообработки, позволяющую изготавливать кремниевые микросхемы с крошечными механическими элементами – интеллектуальными машинами с самыми различными функциями.
Физические размеры устройств в МЭМС варьируются от 1 микрона до нескольких миллиметров. Они могут представлять собой относительно простые структуры, практически не содержащие движущихся элементов, а могут представлять собой очень сложные электромеханические системы с большим числом подвижных элементов и существенным количеством интегральной микроэлектроники.
Отличительной чертой всех МЭМС является то, что, по крайней мере, один элемент в них подвижен. Датчики, изготовленные по МЭМС-технологии, имеют широкую область использования в приборах: смартфонах, бытовой технике, охранных системах, автомобильной электронике и системах сигнализации, военной и космической техники, системах навигации и т.д. Разработчики отдают предпочтение МЭМС- продукции за надежность и высокие технические характеристики.
4
1. 1. Определение, классификация, условно- графическое обозначение МЕМС
Микроэлектромеханические системы (МЭМС) – это системы, включающие в себя взаимосвязанные механические и электрические компоненты микронных размеров.
С помощью соединения процессов производства интегральной схем (чипа) и процессов микрообработки получаются МЭМС.
Микроэлектромеханические системы состоят из механических элементов, датчиков, электроники, приводов и устройств микроэлектроники, расположенных на общей кремниевой подложке.
5
Структурная схема МЭМС с указанием структурных
элементов
В качестве чувствительного элемента используется датчик МЭМС.
Операционный усилитель аналогового сигнала и аналого- цифровой преобразователь относятся к интегральным схемам. Микроконтроллер осуществляет обработку цифрового сигнала.
6
Для изготовления МЭМС применяются те же технологии, что и для изготовления традиционных интегральных микросхем, дополняя последние механическими элементами, такими как
микробалки, шестерни, диафрагмы, пружины.
На основе МЭМС технологий было сделано большое количество устройств, таких как сопла струйного принтера, акселерометры, магнетометры, гироскопы, микромоторы и микрозахваты, аттенюаторы, микрозеркала, устройства для лаборатории-на-чипе (lab-on-chip), датчики давления и расходомеры.
Изображение МЭМС-устройств, сделанное с помощью |
|
электронного микроскопа: a) трехосевой акселерометр; б) |
|
электростатический микродвигатель. |
7 |
Классификация микроэлектромеханических системы в соответствии с областью их применения:
1.МЭМС для высокочастотной электроники (RFMEMS).
2.Оптические МЭМС.
3.Биомедицинские МЭМС.
Достоинства МЭМС-устройств
1.Малые размеры, масса, объем.
2.Низкое энергопотребление.
3.Относительно низкая стоимость.
4.Простота интеграции в системы.
5.Малая тепловая инерционность.
6.Устойчивость к вибрации, ударам и радиации.
7.Возможность изготовления большого количества (партий).
8.Хорошая переносимость теплового расширения.
8
Элементы МЭМС в реализации беспилотного КАМАЗа
Пространственное позиционирование автомобиля осуществляется с использованием GPS-ГЛОНАСС систем связи.
9
Квадрокоптер, оснащенный МЭМС устройствами для беспилотного перемещения
Магистральным направлением применения МЭМС является создание роботизированных систем и киборгов (робот-механизированное устройство с машинным искусственным интеллектом; киборг- биологический организм с человеческим интеллектом, использующий различные дополняющие или заменяющие устройства для расширения
функций жизнедеятельности организма).
10