MEMS » Mikroelektromehanski sistemi, ki so preprosto razloženi
Objavljeno: 19. avgust 2024 | Čas branja: 7 minut
Zelo malo ljudi pozna kratico "MEMS" ali izraz senzor MEMS. Zagotovo pa se je vsakdo sam srečal z uporabo in praktičnimi prednostmi senzorja MEMS. Na primer, ko je dovolj že preprost zasuk pametnega telefona, da se slika, prikazana na zaslonu, poveča in s tem postane bolj vidna.
Za izvedbo te uporabniku prijazne rešitve so v telefonu potrebni posebni senzorji MEMS, ki lahko zaznajo vrtilne gibe in pospeške. To, kar je za pametne telefone bolj lepa domislica, je zdaj postalo nujno potrebno na številnih drugih tehnoloških področjih.
Za nas je to dober razlog, da si podrobneje ogledamo senzorje MEMS in tehnologijo, ki stoji za njimi.
Izraz "MEMS" je okrajšava za mikroelektromehanske sisteme. Kot pove že ime, je MEMS kombinacija mehanike in elektronike na zelo majhnem prostoru. Razlog za razvoj tehnologije MEMS je bil navsezadnje logična posledica dejstva, da sta klasična natančna mehanika in natančna tehnika za elektronske naprave v osemdesetih letih prejšnjega stoletja že dosegli svoje meje.
Čeprav bi običajna obdelava materialov v idealnem primeru dopuščala tolerance delčka milimetra, je bilo to veliko premajhno. Zlasti kadar je treba izdelati celotne sestavne dele in strukture, katerih skupne dimenzije so bistveno manjše od enega milimetra. To je mogoče doseči le s kombinacijo mikroelektronike in mikromehanike.
Mikrosistemsko tehnologijo je mogoče uporabiti za izdelavo aktuatorjev, kot so črpalke, motorji, mikrofoni, zvočniki in senzorji v majhnih oblikah. Ta tehnologija se vse pogosteje uporablja tudi v medicini za biometrične senzorje. Zaradi mikrofonov in zvočnikov MEMS so sodobni slušni aparati izjemno diskretni in skoraj nevidni. Mimogrede, tudi tiskalna glava brizgalnega tiskalnika z mehurčki je sistem, ki temelji na MEMS.
Ker dimenzije mehanskih komponent MEMS niso milimetrske (mm), temveč mikrometrske (µm), je treba v proizvodnji uporabiti povsem nove pristope. Vendar se v ta namen uporablja znana in že preizkušena tehnologija. Tako kot pri proizvodnji polprevodniških čipov za integrirana vezja (IC) so strukture komponent MEMS zgrajene na silicijevi plošči (silicijev rezin). Za izdelavo in proizvodnjo komponent MEMS se uporabljajo različni postopki površinske mikroobdelave:
Fotolitografija
Pri fotolitografiji so potrebna območja funkcionalne plasti (1) med jedkanjem zaščitena s fotorezistom (2).
Ta se najprej nanese kot homogena plast po celotni površini s centrifugalno metodo (glej zgornjo sliko na skici).
Med naknadno osvetlitvijo fotorezista (glej osrednjo sliko skice) se za ostro razmejitev potrebnih in nepotrebnih območij uporabi maska (3).
Če je bil uporabljen pozitivni lak, se med razvijanjem odstranijo izpostavljena območja fotorezista (glej spodnjo sliko skice).
Z negativnim lakom odstranite zasenčena območja. Ploščico lahko nato jedkate.
Postopek jedkanja
Za ustvarjanje zahtevanih struktur v siliciju se uporabljajo običajni mokri in suhi kemični postopki jedkanja. Reaktivno ionsko jedkanje je kemično-fizikalni postopek suhega jedkanja, ki ponuja posebne možnosti pri proizvodnji MEMS. Pozitivno nabiti ioni nastajajo v plinski plazmi in se usmerjeno pospešujejo na negativno elektrodo z rezinami.
Ob udarcu ioni raztopijo material s površine (fizično jedkanje). Glede na smer gibanja ionov se ustvari anizotropni profil jedkanja (glej zgornjo sliko).
S spreminjanjem procesnih parametrov (tlak, razdalja med ploščami, pretok plina ali moč generatorja) je mogoče vplivati na obnašanje ionov med postopkom jedkanja. Ioni se ne obnašajo več ciljno, temveč zaradi trkov nenehno spreminjajo smer.
Proces jedkanja je zdaj neusmerjen (izotropen) in ima zaradi reakcije prostih radikalov na površini kemični značaj. To pomeni, da se lahko infiltrirajo tudi območja, zaščitena s fotorezistom (glej spodnjo sliko).
Ločevanje
Pri nanosu atomskih plasti (ALD) se s površinsko reakcijo s podlago ustvarijo enakomerne atomske plasti v območju nanometrov. Z ustreznim postopkom je mogoče optimalno prevleči tudi kompleksne strukture z vdolbinami. Glede na zahtevano funkcijo se uporabljajo različne snovi.
Izbira materiala je odvisna od tega, ali želimo izkoristiti električne, toplotne, piezoelektrične, magnetne ali mehanske lastnosti plasti.
Nanašanje je lahko selektivno ali pa se strukturirana funkcionalna plast ustvari v nadaljnjem postopku jedkanja.
Lepljenje
Na dnu so plasti rezin zlepljene skupaj. To se lahko izvede neposredno z molekularno ali anodno vezavo (glej levo skico na sliki).
Uporabite lahko tudi vmesne plasti iz stekla, kovine ali lepila (glejte skico na desni).
Ustvarjanje 3D struktur
V mikromehanskih sistemih so za številne aplikacije potrebne strukture in komponente, ki se lahko do določene mere premikajo. To je mogoče le, če so strukture ustrezno oblikovane in pravilno podprte ali zasidrane v sistemu. Za izdelavo tridimenzionalnih gibljivih struktur se uporabljajo plošče SOI (Silicon On Insulator).
V teh rezinah je med silicijevim nosilnim substratom (1) in aktivnim silicijevim monokristalnim slojem (2) vgrajen izolacijski oksidni sloj (3). Oksidno plast pod strukturo je mogoče odstraniti z ustreznimi postopki jedkanja, da nastanejo gibljive mikrokomponente (4).
Kombinacija proizvodnih postopkov
S kombinacijo zgoraj navedenih proizvodnih metod ter večkratnega nanašanja in jedkanja tankih strukturnih slojev in zaščitnih slojev je mogoče ustvariti številne mikromehanske strukture in vdolbine. Dosežene dimenzije posameznih komponent so bistveno manjše od premera človeškega lasu, ki je približno 50-80 µm.
Priložena slika prikazuje majhen del senzorja MEMS, ki ponazarja izredno majhne, a čisto izdelane strukture.
Avtomatizirani postopek v proizvodnji MEMS zagotavlja hitro proizvodnjo in stalno visoko kakovost. Poleg tega ogromne količine in majhna poraba materiala omogočajo stroškovno učinkovito množično proizvodnjo.
Vir slike: Robert Bosch GmbH
Tehnologija MEMS je idealna za različne senzorje. Zlasti senzorje pospeška in senzorje kotne hitrosti MEMS je mogoče odlično realizirati s tehnologijo MEMS. Starejši senzorji so lahko zaznavali gibanje le v eni smeri. Sodobni senzorji, kot je senzorski čip MPU-6050, združujejo 3-osni senzor pospeška in 3-osni senzor hitrosti vrtenja (žiroskop) v ohišju velikosti le 4 x 4 mm.
Zaradi majhnih dimenzij je ta senzor MEMS mogoče enostavno namestiti v različne naprave. Vendar je ta senzorski čip priljubljen tudi za uporabo pri razvoju ali usposabljanju, kot kaže ta senzorska plošča za razvojne komplete, kot sta Arduino ali Raspberry Pi.
V nasprotju s tem pa je pri inteligentnih senzorjih precej običajno, da so mehanika MEMS in ocenjevalna elektronika, vključno z digitalno obdelavo signalov, neodvisni sklopi.
Posamezni moduli niso povezani v ohišje čipa, dokler senzor ni izdelan.
Drugi priljubljeni senzorji, za katere se vse pogosteje uporablja tehnologija MEMS, so senzorji pretoka, senzorji tlaka, senzorji nagiba, temperaturni senzorji in senzorji za pline ali kakovost zraka.
Vir slike: Robert Bosch GmbH
Tehnologijo in delovanje senzorjev MEMS je najlažje prikazati z merilnikom pospeška. Pri merilniku pospeška se z zgoraj omenjenim proizvodnim postopkom ustvarijo mikrostrukture, podobne glavniku.
Srednji element (1) je premično nameščena masa, ki jo v srednjem položaju držijo vzmetni elementi (2). Zgornji grebenski element (3) in spodnji element (4) sta pritrjena na ohišje senzorja.
Med seboj povezani zobje glavnikov predstavljajo kondenzatorje, ki imajo zaradi svoje velikosti in trenutne razdalje med priključnima točkama A in C ali B in C določeno merljivo kapacitivnost.
Učinkovite površine kondenzatorjev so na skici označene z zeleno barvo.
Funkcionalno načelo
Glede na pospešek ali pojemek deluje na merilnik pospeška sila, ki premično strukturo glavnika v notranjosti odkloni v levo ali desno.
S tem se spremeni medsebojni relativni položaj zob glavnika. Posledično se spremeni razdalja med površinami kondenzatorja in s tem tudi vrednost kapacitivnosti.
Če je razdalja manjša, se vrednost kapacitivnosti poveča. Če se razdalja poveča, se vrednost kapacitivnosti zmanjša. Glede na to, kako se spreminja kapacitivnost med priključnima točkama A in C ali B in C, lahko digitalna elektronika senzorja določi moč in smer pospeška.
Zato je slika na zgoraj omenjenem pametnem telefonu pravilno prikazana tudi po vrtenju in ni obrnjena navzdol.
Dejanska struktura
Skice v tem razdelku so zelo preproste, da bi jasno razložili strukturo in način delovanja. V ta namen smo zelo jasno prikazali tudi odklon premikajoče se mase. Priloženi sliki prikazujeta dejansko strukturo senzorja MEMS.
Senzor pospeška
Vir slike: Robert Bosch GmbH
Senzor hitrosti vrtenja (žiroskop)
Vir slike: Robert Bosch GmbH
Senzor kotne hitrosti je sestavljen iz dveh senzorjev pospeška, ki sta mehansko povezana z dvojnim križem. To omogoča zaznavanje vrtilnih gibov okoli osi. Bosch je ta zapleten postopek jasno razložil v tem videoposnetku.
Kot smo že omenili na začetku, se senzorji MEMS uporabljajo v številnih mobilnih in pametnih napravah. V prenosnih računalnikih na primer senzorji pospeška zaznajo padec, da se lahko bralna/pisalna glava trdega diska HDD pravočasno premakne v parkirni položaj pred udarcem. MEMS so zelo priljubljeni tudi v avtomobilski tehniki. Tam na primer nadzorujejo funkcijo ESP, sprožijo zračne blazine v primeru nesreče ali zagotovijo, da navigacijski sistem deluje tudi, če v predoru ni satelitov GPS.
Prednost industrijske proizvodnje je, da so visokokakovostni senzorji MEMS na voljo po zelo nizki ceni. Zato so proizvajalci kopterjev in dronov radi uporabljajo. Pametna tehnologija MEMS se uporablja celo v osnovnih modelih za doseganje izjemne stabilnosti letenja.
Stabilizacija fotoaparata s senzorji MEMS
Mikromehanska stabilizacija nosilca kamere je še ena uporabna aplikacija za visokokakovostne modele kopterjev. Ker se nihanje med letom samodejno kompenzira, je ustvarjanje popolnoma gladkih videoposnetkov brez tresljajev zelo enostavno.
Pravilno električno merjenje različnih fizikalnih količin in elektronska obdelava informacij sta vedno predstavljala poseben tehnični izziv. S tehnologijo MEMS pa je zdaj na voljo tehnologija, ki ne omogoča le natančnih, robustnih in vzdržljivih aktuatorjev in senzorjev. Zaradi uporabljenih nanostruktur in industrijske množične proizvodnje postajajo sestavni deli vedno manjši, zmogljivejši in stroškovno učinkovitejši. Ni naključje, da je sektor MEMS v zadnjih letih doživel izjemno rast. Ker ima senzorska tehnologija pomembno vlogo na skoraj vseh področjih našega tehnološko razvitega sveta, se bo tehnologija MEMS še naprej razvijala. Mi, potrošniki, bomo to le še opazili, saj se nam bodo prej nerealne funkcije in zmogljivosti naših tehničnih naprav nenadoma zdele brez težav izvedljive.