Материалы для производства микроэлектромеханических машин и систем
Микроэлектромеханическая система – это устройство, в котором объединены взаимосвязанные механические и электрические компоненты микронных размеров.
Распространенными материала для производства микроэлектромеханических систем и машин являются полимеры и кремний.
Кремний применяется при создании большинства интегральных микросхем, обусловлено это его распространенностью, высоким качеством, доступностью и низкой ценой. Также кремний имеет ряд преимуществ относительно других материалов. Его монокристалл почти идеально подчиняется закону Гука, то есть он не подвержен гистерезису, то есть энергия деформации практически не рассеивается. Кроме того, кремний характеризуется высоким уровнем надежности при сверхчастых движениях, потому что у него малая усталость, и он может работать в диапазоне от миллиардов до триллионов циклов без разрушения. Основными методами получения микроэлектромеханических систем и устройств на основе кремния являются: осаждение слоев материала, структурирование слоев материала при помощи фотолитографии и травления для создания требуемой формы. Особенность устройств на основе кремния - хрупкость, поэтому не рекомендуется мыть такие устройства в ультразвуковой ванне, так как это может привести к запредельным деформациям и разрушению составляющих при резонансе.
Несмотря на то, что современная электронная промышленность обеспечивает широкомасштабный спрос на продукцию кремниевой промышленности, кристаллический кремний – сложный материал для производства. Полимеры можно производить в больших объемах, с большим разнообразием характеристик материала.
Микроэлектромеханические системы и машины могут изготавливаться на основе полимеров при помощи следующих процессов: литьевое формование, штамповка или стереолитография. Особенно полимеры подходят для изготовления микрофлюидных устройств, например, одноразовых картриджей анализа крови.
Существует два вида технологий коммутации в микроэлектромеханических системах и машинах:
- Омическая. Омические микроэлектромеханические переключатели разработаны с применением электростатических кантилеверов. Кантиливеры деформируются с течением времени, поэтому они могут выйти из строя из-за усталости металла или износа контактов.
- Емкостная. Емкостные микроэлектромеханические переключатели управляются при помощи чувствительного элемента, который может изменять емкость подвижной пластины. Благодаря резонансным характеристикам такие переключатели могут быть настроены таким образом, чтобы превзойти омические устройства в определенных диапазонах частоты.
Сферы применения и виды микроэлектромеханических устройств. Гироскоп и акселерометр
С течением времени микроэлектромеханические устройства становились все более эффективными и уже сейчас играют важную роль в развитии интернет-технологий и домашней автоматизации. Наиболее распространенными устройствами являются:
- Маленькие барометры, гироскопы и микрофоны, которые используются для поддержки приложений смартфонов.
- Акселерометры, использующиеся в транспортных сетях для различных целей, например, контроля срабатывания подушек безопасности и электронного контроля устойчивости.
- Электромагнитные, электростатические и пьезоэлектрические микроуборочные комбайны, предназначенные для сбора энергии.
- Сенсоры систем отопления и охлаждения, которые используются в системах управления зданием.
- Силиконовые датчики давления в автомобилях и одноразовые датчики кровяного давления.
- Оптические переключатели, которые используются для выравнивания передачи данных, а также переключения технологии передачи информации.
Гироскоп – это устройство, способное реагировать на изменение углов ориентации объекта относительно инерциальной системы отсчета, а также определять его положение в пространстве.
Чувствительной составляющей интегрального гироскопа являются две подвижные массы, находящиеся на упругом подвесе в непрерывном движении в противоположных направлениях. В данном случае источником колебаний подвижной массы являются гребенчатые электростатические двигатели. Подвижная масса и электроды, расположены на подложке, образуя конденсаторы, которые входят в состав дифференциальной схемы, вырабатывающей сигнал, пропорциональный разности емкостей конденсатора.
Акселерометр детектирует ускорение в плоскости, параллельной поверхности кристаллов микросхемы, где они установлены. Принцип действия акселерометров основан на изменении емкости микроконденсатора, одна из обкладок которого подвижна. Обкладки такой конденсаторной системы упруго подвешены на фиксаторах, и в случае наличия ускорения вдоль оси чувствительности емкости элементарных ячеек изменяются. Знак и величина данных изменений регистрируются электронной схемой, которая интегрирована на одном кристалле с датчиком.
