MEMS مخفف Micro-Electro-Mechanical Systems است و به دستگاه هایی در ابعاد میکرومتر اطلاق می شود که دارای قطعات الکترونیکی و قطعات متحرک مکانیکی هستند. دستگاه های MEMS را می توان به عنوان دستگاه هایی تعریف کرد که دارای:
- اندازه در میکرومتر (1 میکرومتر تا 100 میکرومتر)
- جریان جریان در سیستم (برق)
- و دارای قطعات متحرک داخل آن (مکانیکی)
دستگاه ها و کاربردهای MEMS
این فناوری اولین بار در سال 1965 معرفی شد اما تولید انبوه آن تا سال 1980 شروع نشده است. در حال حاضر بیش از 100 میلیارد دستگاه MEMS در حال حاضر در کاربردهای مختلف فعال هستند و می توان آنها را در تلفن های همراه، لپ تاپ، سیستم های GPS، خودرو و غیره مشاهده کرد.
فناوری MEMS در بسیاری از قطعات الکترونیکی گنجانده شده است و تعداد آنها روز به روز در حال افزایش است. با پیشرفت در توسعه دستگاه‌های ارزان‌تر MEMS، می‌توانیم شاهد باشیم که آنها در آینده برنامه‌های بیشتری را در اختیار بگیرند.
دستگاه‌های MEMS بهتر از دستگاه‌های معمولی
از آنجایی که دستگاه‌های MEMS بهتر از دستگاه‌های معمولی عمل می‌کنند، مگر اینکه فناوری با عملکرد بهتر وارد بازی شود، MEMS همچنان در تاج و تخت باقی خواهد ماند. در فناوری MEMS قابل توجه ترین عناصر میکرو سنسورها و میکرو محرک ها هستند که به طور مناسب به عنوان مبدل طبقه بندی می شوند.
این مبدل ها انرژی را از شکلی به شکل دیگر تبدیل می کنند. در مورد میکروسنسورها، دستگاه به طور معمول یک سیگنال مکانیکی اندازه گیری شده را به سیگنال الکتریکی و یک میکرو محرک سیگنال الکتریکی را به خروجی مکانیکی تبدیل می کند.
چند سنسور معمولی مبتنی بر فناوری MEMS در زیر توضیح داده شده است.
- شتاب سنج ها
- سنسورهای فشار
- میکروفون
- مغناطیس سنج
- ژیروسکوپ
- شتاب سنج های MEMS
قبل از ورود به طراحی، اجازه دهید اصل کار مورد استفاده در طراحی شتاب‌سنج MEMS را مورد بحث قرار دهیم و برای آن یک راه‌اندازی فنر جرمی که در زیر نشان داده شده است را در نظر بگیرید.
شتاب سنج MEMS
در اینجا یک توده با دو فنر در یک فضای بسته به حالت تعلیق درآمده و تنظیم در حالت استراحت در نظر گرفته می شود. حال اگر بدن به طور ناگهانی شروع به حرکت به جلو کند، جرم معلق در بدن نیرویی رو به عقب را تجربه می کند که باعث جابجایی در موقعیت خود می شود. و به دلیل این جابجایی فنرها مطابق شکل زیر تغییر شکل می دهند.
این پدیده را هنگام نشستن در هر وسیله نقلیه متحرکی مانند ماشین، اتوبوس، قطار و غیره نیز باید توسط ما تجربه کنیم، بنابراین در طراحی شتاب سنج ها نیز از همین پدیده استفاده می شود. حال سناریوی مشابهی را در نظر بگیرید اما به جای جرم، از صفحات رسانا به عنوان قسمت متحرک متصل به فنرها استفاده می کنیم.
در شکل بالا، تنظیمات واقعی مورد استفاده در یک شتاب سنج MEMS را مشاهده می کنید. در اینجا صفحات خازن متعدد هم در جهت افقی و هم در جهت عمودی سازماندهی شده اند تا شتاب را در هر دو جهت اندازه گیری کنند. اندازه صفحه خازن چند میکرومتر است و کل تنظیمات تا چند میلی متر اندازه می شود، بنابراین می توانیم از این دسترسی MEMS استفاده کنیم. لرومتر در دستگاه های قابل حمل با باتری مانند گوشی های هوشمند به راحتی.
سنسورهای فشار MEMS
همه ما می دانیم که وقتی روی یک جسم فشار وارد می شود، آنقدر تحت فشار قرار می گیرد تا به نقطه شکست برسد. این کرنش تا حد معینی با فشار اعمال شده متناسب است و از این ویژگی برای طراحی سنسور فشار MEMS استفاده می شود. در شکل زیر طراحی ساختاری سنسور فشار MEMS را مشاهده می کنید.
در اینجا دو صفحه هادی بر روی بدنه ای شیشه ای نصب شده و بین آنها خلاء وجود خواهد داشت. یک صفحه هادی ثابت و صفحه دیگر برای حرکت تحت فشار انعطاف پذیر است. حال اگر یک خازن متر بگیرید و بین دو پایانه خروجی اندازه گیری کنید، می توانید مقدار ظرفیت خازنی را بین دو صفحه موازی مشاهده کنید، این به این دلیل است که کل تنظیمات به عنوان یک خازن صفحه موازی عمل می کند.
از آنجایی که به عنوان یک خازن صفحه موازی عمل می کند، طبق معمول، تمام خواص یک خازن معمولی در حال حاضر برای آن اعمال می شود. در شرایط استراحت، ظرفیت بین دو صفحه را C1 بنامیم.
حال اگر به لایه بالایی فشار وارد شود تغییر شکل داده و مانند شکل به لایه زیرین نزدیک می شود. از آنجایی که لایه ها نزدیک می شوند، ظرفیت بین دو لایه افزایش می یابد. بنابراین فاصله های بالاتر ظرفیت خازن کمتر و فاصله کمتر ظرفیت خازنی بیشتر می شود. اگر این ظرفیت را به یک تشدید کننده R-C متصل کنیم، می توانیم سیگنال های فرکانسی را دریافت کنیم که نشان دهنده فشار است. این سیگنال را می توان به یک میکروکنترلر برای پردازش بیشتر و پردازش داده ها داد.
میکروفون MEMS
طراحی میکروفون MEMS شبیه سنسور فشار است و شکل زیر ساختار داخلی میکروفون را نشان می دهد.
اجازه دهید در نظر بگیریم که راه اندازی در حالت استراحت است و در آن شرایط ظرفیت بین صفحه ثابت و دیافراگم C1 است. در صورت وجود نویز در محیط، صدا از طریق ورودی وارد دستگاه می شود. این صدا باعث ارتعاش دیافراگم می شود و فاصله بین دیافراگم و صفحه ثابت به طور مداوم تغییر می کند. این به نوبه خود باعث می شود که ظرفیت C1 به طور مداوم تغییر کند.
اگر این ظرفیت در حال تغییر را به تراشه پردازشی مربوطه وصل کنیم، می‌توانیم خروجی الکتریکی ظرفیت متغیر را دریافت کنیم. از آنجایی که تغییر خازن در وهله اول مستقیماً به نویز مربوط می شود، این سیگنال الکتریکی می تواند به عنوان شکل تبدیل شده صدای ورودی استفاده شود.
ژیروسکوپ MEMS
ژیروسکوپ MEMS بسیار محبوب است و در بسیاری از برنامه ها استفاده می شود. برای مثال می‌توانیم ژیروسکوپ MEMS را در هواپیماها، سیستم‌های GPS، گوشی‌های هوشمند و غیره پیدا کنیم. ژیروسکوپ MEMS بر اساس اثر کوریولیس طراحی شده است. برای درک اصل و عملکرد ژیروسکوپ MEMS، اجازه دهید ساختار داخلی آن را بررسی کنیم.
در اینجا S1، S2، S3 و S4 فنرهایی هستند که برای اتصال حلقه بیرونی و حلقه دوم استفاده می شوند. در حالی که S5، S6، S7 و S8 فنرهایی هستند که برای اتصال حلقه دوم و جرم “M” استفاده می شوند. همانطور که در شکل نشان داده شده است، این جرم در امتداد محور y طنین انداز خواهد شد. همچنین این اثر تشدید معمولاً با استفاده از نیروی جاذبه الکترواستاتیکی در دستگاه های MEMS حاصل می شود.
شرایط سکون
در شرایط سکون، ظرفیت بین هر دو صفحه در لایه بالایی یا پایینی یکسان خواهد بود و تا زمانی که فاصله بین این صفحات تغییر نکند، ثابت خواهد ماند. فرض کنید اگر این مجموعه را روی یک دیسک چرخان نصب کنیم، تغییر خاصی در موقعیت صفحات مانند شکل زیر ایجاد خواهد شد.
وقتی راه‌اندازی نصب شد یک دیسک چرخان همانطور که نشان داده شده است، سپس جرمی که در داخل دستگاه تشدید می شود، نیرویی را تجربه می کند که باعث جابجایی در تنظیم داخلی می شود. می توانید مشاهده کنید که هر چهار فنر S1 تا S4 به دلیل این جابجایی تغییر شکل داده اند. این نیرویی که در اثر تشدید جرم هنگامی که به طور ناگهانی روی یک دیسک در حال چرخش قرار می گیرد، تجربه می شود، می تواند با اثر کوریولیس توضیح داده شود.
نتیجه
اگر از جزئیات پیچیده بگذریم، می توان نتیجه گرفت که به دلیل تغییر جهت ناگهانی، جابجایی در لایه داخلی وجود دارد. این جابجایی همچنین باعث می شود که فاصله بین صفحات خازن در هر دو لایه پایین و بالا تغییر کند. همانطور که در مثال های قبلی توضیح داده شد تغییر فاصله باعث تغییر ظرفیت خازن می شود. و می توانیم از این پارامتر برای اندازه گیری سرعت چرخش دیسکی که دستگاه روی آن قرار گرفته است استفاده کنیم.
بسیاری از دستگاه های MEMS دیگر با استفاده از فناوری MEMS طراحی شده اند و تعداد آنها نیز هر روز در حال افزایش است. اما همه این دستگاه ها شباهت خاصی در کار و طراحی دارند، بنابراین با درک چند مثال ذکر شده در بالا می توانیم به راحتی کارکرد سایر دستگاه های MEMS مشابه را درک کنیم.
