Микроэлектромеханические системы

Что такое МЭМС?
Микроэлектромеханические системы (МЭМС) – это системы, включающие в себя взаимосвязанные механические и электрические компоненты микронных размеров.
Трехосевой
акселерометр
Электрический
микродвигатель

Что такое МЭМС?
Электроника
МЭМС =
+ Микромеханика

История создания
1958 г. - первые прототипы интегральных схем (ИС);
1960 г. - мелкосерийный выпуск ИС;
1974 г. - промышленный выпуск тензодатчиков на основе кремния (National Semiconductors);
1982 г. - термин микрообработка (micromachining) используется для описания процессов изготовления механических подсистем (диафрагм и микробалок);
1986 г. - в одном из отчетов министерства обороны США был впервые использован термин “микроэлектромеханические системы” (МЭМС);

Способы изготовления
Изготовление МЭМС
Объемная микрообработка
(bulk micromachining)
Субтрактиный подход – от целого отсекаем лишнее (как изготовление статуи)
Поверхностная
микрообработка
(surface micromachining)
Аддитивный подход – строим целое из кирпичиков
(как строительство дома)

Объемная микрообработка
Микрозахват (microgripper)
Микрокантилеверы
Это процесс, идущий от поверхности материала-основы вглубь, при которой травлением последовательно удаляются ненужные участки этого материала, в результате чего остаются механические структуры необходимой формы.

Объемная микрообработка
Si
SiO2
Si
SiO2
Si
SiO2
Si
Фоторезист
SiO2
Si
Отжиг
Литография
RIE
XeF2

Поверхностная микрообработка
Система зубчатой передачи
Элемент тепловизионной матрицы
Это процесс, заключающийся последовательных циклах нанесение тонких слоев материала, которые затем с помощью литографии и последующего травления приобретает необходимую геометрическую форму

Поверхностная микрообработка

Обобщенная схема изготовления МЭМС

Применение МЭМС
Исполнительные механизмы (актуаторы):
Микродвигатели;
Микрозахваты;
Микрозеркала;
Датчики:
Акселерометры;
Гироскопы;
Магнетометры;
Датчики давления
расходометры
Области применения:
1. МЭМС-компоненты для высокочастотной электроники (RF MEMS);
2. Датчики на основе сил инерции;
3. Акустические и ультразвуковые МЭМС, датчики давления;
4. Оптические МЭМС;
5. Биомедицинские МЭМС;
6. Микроманипуляторы.

Высокочастотные МЭМС ключи
Земля
Земля
Сигнал
h0
Земля
Земля
S
Вид сбоку
Вид сверху
F1
F2
V
V’ = 0
V

Высокочастотные МЭМС ключи
Vкр= 30-50В

Датчик давления на основе МЭМС
Датчики давления пьезорезистивного типа
Датчики давления емкостного типа
P1
P2
F1
F2
h

Акселерометры и гироскопы
F1
F2

Акселерометры и гироскопы

Оптические МЭМС
Элементы МОЭМС: зеркала, призмы, линзы
Электростатически управляемое микрозеркало

Оптические МЭМС: DLP
Устройство отклоняющих зеркал
Красной стрелкой показан путь луча света от лампы к матрице, через диск светофильтров, зеркало и линзу. Далее луч отражается либо в объектив (жёлтая стрелка), либо на радиатор (синяя стрелка).
DLP (Digital Light Processing) - технология, используемая во многих проекторах

Оптические МЭМС: микроболометры
Инфракрасное излучение пройдя сквозь систему линз попадает на поглощающий элемент, нагревая его. Рядом с этим элементов находится терморезистивная пленка, меняющее свое сопротивление от нагрева. Так как температурные коэффициент изменения сопротивления при комнатной температуре невелик (порядка 2% на градус для диоксида ванадия)

Исполнительные механизмы МЭМС
В исполнительных механизмах на основе МЭМС технологий обычно задействуются следующие компоненты:
1. Элементы на основе обратного пьезолектрического эффекта – можно получать большие величины силы, но величина смещения мала. Требует высоких электрических напряжений;
2. Биморфные элементы на основе двух материалов с разным температурным коэффициентом расширения. Можно получать большие величины силы и смещения, процесс происходят медленно и им сложно управлять;
3. Электростатические элементы, работающие за счет электростатического притяжения и отталкивания между обкладками конденсатора. Небольшие величины силы и смещения, легко изготовить, требуются большие значения электрического напряжения;
4. Элементы на основе магнитных катушек. Слабые величины силы, сложно изготовить;

Исполнительные механизмы МЭМС
Пьезакерамический элемент сканера атомно-силового микроскопа
Биморфный (Si - Al) элемент. Стрелкой показано направление изгиба при его нагреве

Исполнительные механизмы МЭМС
Электростатические актуатор линейного движения
Электростатические актуатор углового движения