Mikroelektromekaniske systemer ( MEMS ) er enheder, der kombinerer indbyrdes forbundne mekaniske og elektriske komponenter i mikronstørrelse. Mikroelektromekaniske systemer består af mekaniske elementer, sensorer , elektronik , aktuatorer og mikroelektroniske enheder placeret på et fælles siliciumsubstrat [1] .
Den mekaniske komponent kan være et miniaturespejl - et element i scanningssystemet (for eksempel til DLP -teknologi ), en inertisensor, der kan bestemme de karakteristiske bevægelser, som brugeren foretager med sin enhed og andre typer enheder.
MEMS-enheder er typisk fremstillet på et siliciumsubstrat ved hjælp af mikrobearbejdningsteknologi , svarende til den teknologi, der bruges til at fremstille integrerede enkelt-chip- kredsløb . Typiske dimensioner af mikromekaniske elementer spænder fra 1 mikrometer til 100 mikrometer, mens MEMS-chipstørrelser varierer fra 20 mikrometer til en millimeter.
I øjeblikket bruges MEMS-teknologier allerede til fremstilling af forskellige mikrokredsløb. Så MEMS-oscillatorer i nogle applikationer erstatter [2] kvartsoscillatorer . MEMS-teknologier bruges til at skabe en række miniatureaktuatorer og sensorer , såsom accelerometre , vinkelhastighedssensorer , gyroskoper [3] , magnetometriske sensorer, barometriske sensorer, miljøanalysatorer (for eksempel til operationel blodanalyse), radiomodtagende transducere [ 4] .
MEMS-teknologi kan implementeres ved hjælp af en række forskellige materialer og fremstillingsteknikker, hvis valg vil afhænge af den enhed, der skabes, og den markedssektor, den skal operere i.
Silicium er det materiale, der bruges til at skabe de fleste af de integrerede kredsløb, der bruges i forbrugerelektronik i dagens verden. Udbredelsen, tilgængeligheden af billige materialer af høj kvalitet og evnen til at blive brugt i elektroniske kredsløb gør silicium attraktivt at bruge til fremstilling af MEMS.
Silicium har også betydelige fordele i forhold til andre materialer på grund af dets fysiske egenskaber. Silicium-enkeltkrystallen adlyder Hookes lov næsten perfekt . Dette betyder, at den under deformation ikke er udsat for hysterese , og følgelig spredes deformationsenergien praktisk talt ikke.
Silicium er også meget pålideligt i ultra-hyppige bevægelser, da det har meget lidt træthed og kan fungere i intervallet fra milliarder til billioner af cyklusser uden at gå i stykker.
De vigtigste metoder til at opnå alle silicium-baserede MEMS-enheder er aflejring af lag af materiale, strukturering af disse lag ved hjælp af fotolitografi og ætsning for at skabe den ønskede form.
Et træk ved MEMS-enheder lavet af silicium er skrøbelighed, og som producenterne advarer om, bør enhederne ikke vaskes i et ultralydsbad. Dette fører til ekstreme deformationer og ødelæggelse af elementer ved resonans.
Selvom elektronikindustrien leverer en storstilet efterspørgsel efter produkter fra siliciumindustrien, er krystallinsk silicium stadig et vanskeligt og relativt dyrt materiale at fremstille. Polymerer kan på den anden side fremstilles i store mængder med en lang række materialeegenskaber. MEMS-enheder kan fremstilles af polymerer ved hjælp af processer som sprøjtestøbning, stempling eller stereolitografi; de er særligt velegnede til brug ved fremstilling af mikrofluidisk anordninger såsom engangsblodprøvepatroner.
Et gyroskop er en enhed, der er i stand til at reagere på ændringer i orienteringsvinklerne for et objekt i forhold til et inertiereferencesystem og bestemme dets position i rummet. Det følsomme element i det integrerede gyroskop er to bevægelige masser (vægte), der er i kontinuerlig bevægelse på et elastisk ophæng i modsatte retninger. Kilden til oscillationer af den bevægelige masse er kam elektrostatiske motorer. Den bevægelige masse danner sammen med elektroderne, der er placeret på substratet, kondensatorer , som er en del af differentialkredsløbet, der genererer et signal proportionalt med forskellen i kondensatorens kapacitanser.
Lineær acceleration påvirker lige så meget både bevægelige masser og substratet, så signalet ved udgangen af differentialkredsløbet vises ikke. Så snart der er en ændring i vinkelhastigheden i forhold til rotationsaksen, begynder Coriolis-kraften at virke på de bevægelige masser og afbøjer de bevægelige masser i modsatte retninger. Følgelig øges kapacitansen af en kondensator, mens den anden falder, hvilket genererer et differenssignal proportionalt med størrelsen af vinkelaccelerationen. Således udføres transformationen af gyroskopets vinkelhastighed til en elektrisk parameter, hvis værdi detekteres af en speciel sensor [5] .
Kapacitive overfladeaccelerationssensorer (accelerometre) - registrerer acceleration i et plan parallelt med overfladen af de chipchips, som de er installeret på. Funktionsprincippet for kapacitive accelerationssensorer er baseret på en ændring i kapacitansen af en mikrokondensator, hvoraf en af pladerne er bevægelig. De bevægelige plader i kondensatorsystemet er elastisk ophængt på klemmer, og i nærvær af acceleration langs følsomhedsaksen (vist med pile), ændres kapacitanserne af elementære celler. Ændringernes størrelse og tegn registreres af et elektronisk kredsløb integreret på samme chip som sensoren. Udgangsspændingen af mikrokredsløbet er proportional med accelerationen , og dens fortegn afhænger af accelerationsretningen. I en stationær vandret tilstand eller bevægelse ved konstant hastighed er udgangsspændingen 1,8 V, med fuld acceleration på ±50 g når udgangsspændingen 1,8 ± 0,95 V [6] .
Der er to former for MEMS switching teknologi: ohmsk og kapacitiv.
1. Ohmiske MEMS-kontakter er designet ved hjælp af elektrostatiske udkragninger. Fordi cantilevers deformeres over tid, kan disse kontakter svigte på grund af kontaktslid eller metaltræthed .
2. Kapacitive kontakter styres af en bevægelig plade eller et føleelement, der ændrer kapacitansen . Ved at bruge deres resonansegenskaber kan de indstilles til at overgå ohmske enheder i visse frekvensområder [7] .