Микроэлектромеханические и наноэлектромеханические системы (мэмс и нэмс)

Электромеханическая система способна преобразовывать механическую энергию в электрические или оптические сигналы и наоборот.

MEMS (microelectromechanical systems) – микроскопические приборы (microscopic devices), имеющие характерный размер от 100 нм до 1 мм, объединяющий электрические и механические компоненты. NEMS (nanoelectromechanical systems) – наноскопические приборы, с характерным размером меньше 100 нм, включающий электрические и механические компоненты. Мезоскопические приборы могут включать в себя как MEMS так и NEMS функциональные компоненты. Аббревиатура MEMS используется в США. Европейский аналог – MST ( microsystem technology), японский – micromachines. Часто используются термины micro/nanodevices.

MEMS/NEMS в электронике – radio-frequency-MEMS/NEMS or RF-MEMS/RF-NEMS. MEMS/NEMS для биологических приложений – BioMEMS/BioNEMS.

МЭМС

Создание МЭМСов стало возможным только в последнее время благодаря развитию полупроводниковых технологий. На масштабе МЭМС законы макромеханики не всегда применимы. Особое значение приобретают поверхностные эффекты, связанные с трением, электростатикой и смачиваемостью.Основной материал для изготовления МЭМС – кремний (хорошие механические свойства, воспроизводимая технология структурирования методом литографии). Монокристаллический кремний – дорогой материал, поэтому часто МЭМС изготавливают на основе полимеров.

Обычно МЭМС делятся на два типа:

сенсоры – измерительные устройства, которые переводят те или иные физические воздействия в электрический сигнал, и

актюаторы – системы, которые занимаются обратной задачей, то есть переводом сигналов в те или иные действия.

Самыми востребованными из МЭМС-сенсоров являются датчики движения. Телефоны, коммуникаторы, игровые приставки, фотокамеры и ноутбуки все чаще и чаще снабжаются акселерометрами (датчиками ускорения) и гироскопами (датчиками поворота).

Основной принцип работы конденсаторных акселерометров.

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.

П рактически МЭМС-акселерометры устроены таким образом, что отделить друг от друга составные части – грузик, подвес, корпус и обкладки конденсатора – не просто. В большинстве случаев в одной детали удается комбинировать сразу несколько предметов.

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

Современные МЭМС-гироскопы часто устроены идентично акселерометрам. При этом значения ускорений по осям пересчитываются в значения углов поворота. Конструкция примерно та же, но на выходе - другая величина.