Un aperçu de divers appareils mems et de leurs applications

MEMS signifie Micro-Electro-Mechanical Systems et se réfère à des dispositifs de taille micrométrique qui ont à la fois des composants électroniques et des pièces mécaniques mobiles. Les dispositifs MEMS peuvent être définis comme les dispositifs qui ont:

Taille en micromètre (1 micromètre à 100 micromètre)
Le flux de courant dans le système (électrique)
Et a des pièces mobiles à l'intérieur (mécanique)

Ci-dessous, l'image de la partie mécanique d'un dispositif MEMS sous un microscope. Cela n'a peut-être pas l'air incroyable, mais savez-vous que la taille de l'engrenage est de 10 micromètres, soit la moitié de la taille d'un cheveu humain. C'est donc assez intéressant de savoir comment de telles structures complexes sont intégrées dans une puce de la taille de quelques millimètres seulement.

Dispositifs et applications MEMS

Cette technologie a été introduite pour la première fois dans les années 1965, mais la production de masse n'a commencé qu'en 1980. À l'heure actuelle, il existe plus de 100 milliards d'appareils MEMS actuellement actifs dans diverses applications et ils peuvent être vus dans les téléphones mobiles, les ordinateurs portables, les systèmes GPS, l'automobile, etc.

La technologie MEMS est incorporée dans de nombreux composants électroniques et leur nombre augmente de jour en jour. Avec l'avancement du développement de dispositifs MEMS moins chers, nous pouvons les voir prendre en charge de nombreuses autres applications à l'avenir.

Comme les dispositifs MEMS fonctionnent mieux que les dispositifs normaux, à moins qu'une technologie plus performante n'entre en jeu, les MEMS resteront sur le trône. Dans la technologie MEMS, les éléments les plus notables sont les micro-capteurs et les micro-actionneurs qui sont correctement classés en tant que transducteurs. Ces transducteurs convertissent l'énergie d'une forme à une autre. Dans le cas des microcapteurs, le dispositif convertit typiquement un signal mécanique mesuré en un signal électrique et un microactionneur convertit un signal électrique en sortie mécanique.

Quelques capteurs typiques basés sur la technologie MEMS sont expliqués ci-dessous.

Accéléromètres
Capteurs de pression
Microphone
Magnétomètre
Gyroscope

Accéléromètres MEMS

Avant d'entrer dans la conception, discutons du principe de fonctionnement utilisé dans la conception de l'accéléromètre MEMS et considérons pour cela une configuration masse-ressort illustrée ci-dessous.

Ici, une masse est suspendue avec deux ressorts dans un espace clos et la configuration est considérée comme au repos. Maintenant, si le corps commence soudainement à avancer, la masse suspendue dans le corps subit une force vers l'arrière qui provoque un déplacement de sa position. Et à cause de ce déplacement, les ressorts se déforment comme indiqué ci-dessous.

Ce phénomène doit également être expérimenté par nous lorsque nous sommes assis dans un véhicule en mouvement comme une voiture, un bus et un train, etc. de sorte que le même phénomène est utilisé dans la conception des accéléromètres.

mais au lieu de la masse, nous utiliserons des plaques conductrices comme pièce mobile attachée aux ressorts. L'ensemble de la configuration sera comme indiqué ci-dessous.

Dans le schéma, nous considérerons la capacité entre la plaque mobile supérieure et une plaque fixe:

C1 = e ₀ A / d1

où d ₁ est la distance qui les sépare.

Ici, nous pouvons voir que la valeur de la capacité C1 est inversement proportionnelle à la distance entre le haut déplaçant la plaque et la plaque fixe.

La capacité entre la plaque mobile inférieure et la plaque fixe

C2 = e ₀ A / d2

où d ₂ est la distance entre eux

Ici, nous pouvons voir que la valeur de la capacité C2 est inversement proportionnelle à la distance entre la plaque mobile inférieure et la plaque fixe.

Lorsque le corps est au repos, les plaques supérieure et inférieure seront à égale distance de la plaque fixe, de sorte que la capacité C1 sera égale à la capacité C2. Mais si le corps avance soudainement, les plaques se déplacent comme indiqué ci-dessous.

A ce moment, la capacité C1 augmente à mesure que la distance entre la plaque supérieure et la plaque fixe diminue. D'autre part, la capacité C2 diminue à mesure que la distance entre la plaque inférieure et la plaque fixe augmente. Cette augmentation et diminution de la capacité est linéairement proportionnelle à l'accélération sur le corps principal, donc plus l'accélération est élevée, plus le changement et abaisse l'accélération, moins le changement.

Cette capacité variable peut être connectée à un oscillateur RC ou à un autre circuit pour obtenir la lecture de courant ou de tension appropriée. Après avoir obtenu la valeur de tension ou de courant souhaitée, nous pouvons facilement utiliser ces données pour une analyse plus approfondie.

Bien que cette configuration puisse être utilisée pour mesurer avec succès l'accélération, elle est encombrante et peu pratique. Mais si nous utilisons la technologie MEMS, nous pouvons réduire l'ensemble de la configuration à une taille de quelques micromètres, ce qui rend le dispositif plus applicable.

Dans la figure ci-dessus, vous pouvez voir la configuration réelle utilisée dans un accéléromètre MEMS. Ici, les plaques de condensateur multiples sont organisées à la fois dans une direction horizontale et verticale pour mesurer l'accélération dans les deux sens. La plaque de condensateur est dimensionnée à quelques micromètres et l'ensemble de la configuration mesurera jusqu'à quelques millimètres, nous pouvons donc facilement utiliser cet accéléromètre MEMS dans des appareils portables à piles comme les smartphones.

Capteurs de pression MEMS

Nous savons tous que lorsqu'une pression est appliquée sur un objet, il se déforme jusqu'à ce qu'il atteigne un point de rupture. Cette déformation est directement proportionnelle à la pression appliquée jusqu'à une certaine limite et cette propriété est utilisée pour concevoir un capteur de pression MEMS. Dans la figure ci-dessous, vous pouvez voir la conception structurelle d'un capteur de pression MEMS.

Ici, deux plaques conductrices sont montées sur un corps en verre et il y aura un vide entre elles. Une plaque conductrice est fixe et l'autre plaque est flexible pour se déplacer sous pression. Maintenant, si vous prenez un capacimètre et prenez une lecture entre deux bornes de sortie, vous pouvez observer une valeur de capacité entre deux plaques parallèles, c'est parce que la configuration entière agit comme un condensateur à plaque parallèle. Puisqu'il agit comme un condensateur à plaques parallèles, alors, comme d'habitude, toutes les propriétés d'un condensateur typique lui s'appliquent maintenant. Dans la condition de repos, appelons la capacité entre deux plaques C1.

il se déformera et se rapprochera de la couche inférieure comme indiqué sur la figure. Parce que les couches se rapprochent, la capacité entre deux couches augmente. Ainsi, les distances plus élevées réduisent la capacité et la distance plus élevée la capacité. Si nous connectons cette capacité à un résonateur RC, nous pouvons obtenir des signaux de fréquence représentant la pression. Ce signal peut être transmis à un microcontrôleur pour un traitement ultérieur et un traitement des données.

Microphone MEMS

La conception du microphone MEMS est similaire à celle du capteur de pression et la figure ci-dessous montre la structure interne du microphone.

Considérons que la configuration est au repos et dans ces conditions, la capacité entre la plaque fixe et le diaphragme est C1.

S'il y a du bruit dans l'environnement, le son entre dans l'appareil par une entrée. Ce son fait vibrer le diaphragme, ce qui modifie continuellement la distance entre le diaphragme et la plaque fixe. Ceci, à son tour, provoque une variation continue de la capacité C1. Si nous connectons cette capacité changeante à la puce de traitement correspondante, nous pouvons obtenir la sortie électrique pour la capacité changeante. Étant donné que la capacité de changement est directement liée au bruit en premier lieu, ce signal électrique peut être utilisé comme une forme convertie du son d'entrée.

Magnétomètre MEMS

Le magnétomètre MEMS est utilisé pour mesurer le champ magnétique terrestre. L'appareil est construit sur la base de l' effet Hall ou de l'effet magnéto-résistif. La plupart des magnétomètres MEMS utilisent l'effet Hall, nous allons donc discuter de la façon dont cette méthode est utilisée pour mesurer la force du champ magnétique. Pour cela, considérons une plaque conductrice et avons les extrémités d'un côté connectées à une batterie comme indiqué sur la figure.

Ici, vous pouvez voir la direction du flux d'électrons, qui va de la borne négative à la borne positive. Maintenant, si un aimant est amené près du sommet du conducteur, les électrons et les protons du conducteur se répartissent comme indiqué sur la figure ci-dessous.

Ici, les protons porteurs d'une charge positive sont rassemblés d'un côté du plan tandis que les électrons porteurs d'une charge négative se rassemblent du côté exactement opposé. À ce stade, si nous prenons un voltmètre et que nous nous connectons aux deux extrémités, nous obtiendrons une lecture. Cette lecture de tension V1 est proportionnelle à l'intensité du champ subie par le conducteur sur le dessus. Le phénomène complet de la génération de tension en appliquant un courant et un champ magnétique s'appelle l' effet Hall.

Si un système simple est conçu à l'aide de MEMS, sur la base du modèle ci-dessus, nous obtiendrons un transducteur qui détecte l'intensité du champ et fournit une sortie électrique linéairement proportionnelle.

Gyroscope MEMS

Le gyroscope MEMS est très populaire et est utilisé dans de nombreuses applications. Par exemple, nous pouvons trouver le gyroscope MEMS dans les avions, les systèmes GPS, les smartphones, etc. Le gyroscope MEMS est conçu sur la base de l'effet Coriolis. Pour comprendre le principe et le fonctionnement du gyroscope MEMS, examinons sa structure interne.

Ici, S1, S2, S3 et S4 sont les ressorts utilisés pour connecter la boucle externe et la seconde boucle. Alors que S5, S6, S7 et S8 sont des ressorts utilisés pour relier la deuxième boucle et la masse 'M'. Cette masse résonnera le long de l'axe y comme indiqué par les directions sur la figure. En outre, cet effet de résonance est généralement obtenu en utilisant la force d'attraction électrostatique dans les dispositifs MEMS.

Dans des conditions de repos, la capacité entre deux plaques quelconques sur la couche supérieure ou inférieure sera la même, et elle restera la même jusqu'à ce qu'il y ait un changement de distance entre ces plaques.

Supposons que si nous montons cette configuration sur un disque rotatif, il y aura un certain changement dans la position des plaques, comme indiqué ci-dessous.

Lorsque la configuration est installée sur un disque rotatif comme indiqué, la masse résonnant à l'intérieur de la configuration subira une force provoquant le déplacement dans la configuration interne. Vous pouvez voir les quatre ressorts S1 à S4 se déformer à cause de ce déplacement. Cette force ressentie par la masse résonnante lorsqu'elle est soudainement placée sur un disque rotatif peut être expliquée par l' effet Coriolis.

Si nous sautons les détails complexes, on peut conclure qu'en raison du changement soudain de direction, il y a un déplacement dans la couche interne. Ce déplacement entraîne également une modification de la distance entre les plaques de condensateur sur les couches inférieure et supérieure. Comme expliqué dans les exemples précédents, un changement de distance entraîne un changement de capacité.

Et nous pouvons utiliser ce paramètre pour mesurer la vitesse de rotation du disque sur lequel l'appareil est placé.

De nombreux autres dispositifs MEMS sont conçus à l'aide de la technologie MEMS et leur nombre augmente également chaque jour. Mais tous ces dispositifs présentent une certaine similitude de fonctionnement et de conception, donc en comprenant les quelques exemples mentionnés ci-dessus, nous pouvons facilement comprendre le fonctionnement d'autres dispositifs MEMS similaires.