МЭМС. Акселерометры и датчики давления

МЭМС – микроэлектромеханические системы – устройства, представляющие собой синтез микроэлектронных и микромеханических компонент.
В Японии МЭМС-технологии называют микромашинами (Micromachines), а в Европе - микросистемными технологиями (MicroSystemTechnology).
Разновидности МЭМС:
Сенсоры – измерительный устройства
Актуаторы – исполнительные устройства
Размеры МЭМС:
Типичные размеры микромеханических элементов лежат в диапазоне от 1 микрометра до 100 микрометров, тогда как размеры кристалла МЭМС-микросхемы имеют размеры от 20 микрометров до одного миллиметра.

Изготовление МЭМС:
МЭМС-устройства обычно изготавливают на кремниевой подложке с помощью технологии микрообработки, аналогично технологии изготовления однокристальных интегральных микросхем, методами:
Объёмная микрообработка
Поверхностная микрообработка
Материалы для производства МЭМС:
Монокристаллические
Поликристаллические
Аморфные

Применение МЭМС:
Области применение МЭМС обширны: связь, системы подвижных зеркал для мультимедийных проекторов, микрофоны, гироскопы и акселерометры смартфонов и различных устройств, автомобилестроение, аэрокосмическое строение, робототехника, медицина..
МЭМС – повсюду!
К преимуществам МЭМС можно отнести:
Миниатюрность
Высокая функциональность
Надежность
Малое энергопотребление
Возможность интеграции электроники с механическими, оптическими и прочими узлами
Малый разброс параметров в пределах одной партии изделий
Высокая технологичность и повторяемость

Рынок полупроводниковых приборов к 2011 году достиг ∼300 млрд. долл., то продажи МЭМС-компонентов составили всего 10,2 млрд. долл.

АКСЕЛЕРОМЕТР
Датчик движения, измеряющий линейное изменение ускорения:
Статическое - гравитационное
Переменное – вызванное ускорение или вибрация
Виды акселерометров:
Ёмкостные
Пьезоэлектрические
Пьезорезистивные
Туннельные
Эмиссионные
Основные характеристики акселерометра:
Рабочий диапазон частот
Диапазон измеряемых ускорений
Разрешающая способность

а
ИМ
Корпус
Датчик
Общая схема акселерометра
k
R
F
х

Резонансная частота
Добротность резонанса
Спектральная плотность смещения
Спектральная плотность силы термомеханического шума механического сопротивления
Соотношение спектральной плотности мощностей сигнал/шум

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ (КОМПРЕССИОННЫЙ) АКСЕЛЕРОМЕТР
Преимущества:
миниатюрные (весом несколько десятых грамма),
низкочастотные (от сотых долей герца) и высокочастотные (до нескольких мегагерц)
криогенные (до -196°С), высокотемпературные (до +1000°С)
не требуют электрического питания
Недостатки:
имеют невысокую чувствительность
Сложность калибровки и наличия компенсационных сил
Используемые материалы:
Кварц (SiO2), Керамика, Титанат-цирконат сцинца (Pb(ZrxTi1−x)O3

Основной принцип работы акселерометров на пьезоэлементах
При продольной деформации пьезоэлемента генерируемый в результате прямого пьезоэффекта электрический заряд
Разность потенциалов на электродах электрически ненагруженного пьезоэлемента
gij-постоянная давления

ЁМКОСТНОЙ АКСЕЛЕРОМЕТР
Преимущества:
Отсутствие необходимости материалов со специальными свойствами
Высокая чувствительность
Стабильность при детектировании стат.ускорения
Малая потребляемая мощность
Температурная стабильность
Высокая надёжность
Недостатки:
Невысокая чувствительность
Требует электрического питания

Основной принцип работы конденсаторных акселерометров

Физические модели

MEMS-акселерометр разработки Sandia Labs

ДАТЧИКИ ДАВЛЕНИЯ
устройства, предназначенные для определения давления.
Виды датчиков:
Тензорезистивные
Ёмкостные
Основные характеристики датчиков:
Диапазон измерений давления
Рабочий диапазон температур
Долговременный дрейф от Pmax
Выходной сигнал при максимальном давлении

ТЕНЗОРЕЗИСТИВНЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ
Датчики изготавливают на основе следующих материалов:
На основе объёмного кремния
На основе поликремния с двуокисью кремния
На основе КНС (кремний на сапфире)
На основе Кремния на диэлектрике (КНД)

ЁМКОСТНОЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ
Виды:
Керамические преобразователи
Кремниевые ёмкостные первичные преобразователи
Преобразователи с упругой металлической мембраной