Sistemele microelectromecanice ( MEMS ) sunt dispozitive care combină componente mecanice și electrice interconectate de dimensiunea micronului. Sistemele microelectromecanice constau din elemente mecanice, senzori , electronice , actuatoare și dispozitive microelectronice amplasate pe un substrat comun de siliciu [1] .
Componenta mecanică poate fi o oglindă în miniatură - un element al sistemului de scanare (de exemplu, pentru tehnologia DLP ), un senzor inerțial care poate determina mișcările caracteristice pe care utilizatorul le face cu dispozitivul său și alte tipuri de dispozitive.
Dispozitivele MEMS sunt fabricate de obicei pe un substrat de siliciu folosind tehnologia de microprelucrare , similară cu tehnologia utilizată pentru fabricarea circuitelor integrate cu un singur cip . Dimensiunile tipice ale elementelor micromecanice variază de la 1 micrometru până la 100 micrometri, în timp ce dimensiunile cipurilor MEMS variază de la 20 micrometri până la un milimetru.
În prezent, tehnologiile MEMS sunt deja folosite pentru fabricarea diferitelor microcircuite. Deci, oscilatorii MEMS în unele aplicații înlocuiesc [2] oscilatorii de cuarț . Tehnologiile MEMS sunt utilizate pentru a crea o varietate de actuatoare și senzori miniaturali , cum ar fi accelerometre , senzori de viteză unghiulară , giroscoape [3] , senzori magnetometrici , senzori barometrici, analizoare de mediu (de exemplu, pentru analiza operațională a sângelui), traductoare radio-receptoare [ 3] 4] .
Tehnologia MEMS poate fi implementată folosind o varietate de materiale și tehnici de fabricație diferite, a căror alegere va depinde de dispozitivul creat și de sectorul de piață în care urmează să opereze.
Siliciul este materialul folosit pentru a crea majoritatea circuitelor integrate utilizate în electronicele de larg consum în lumea de astăzi. Prevalența, disponibilitatea materialelor ieftine de înaltă calitate și capacitatea de a fi utilizate în circuite electronice fac ca siliciul să fie atractiv pentru utilizarea la fabricarea MEMS.
Siliciul are, de asemenea, avantaje semnificative față de alte materiale datorită proprietăților sale fizice. Monocristalul de siliciu se supune aproape perfect legii lui Hooke . Aceasta înseamnă că în timpul deformării nu este supus histerezisului și, în consecință, energia de deformare practic nu este disipată.
De asemenea, siliciul este foarte fiabil în mișcările ultra-frecvente, deoarece are foarte puțină oboseală și poate funcționa în intervalul de miliarde până la trilioane de cicluri fără a se rupe.
Principalele metode de obținere a tuturor dispozitivelor MEMS pe bază de siliciu sunt depunerea de straturi de material, structurarea acestor straturi folosind fotolitografie și gravare pentru a crea forma dorită.
O caracteristică a dispozitivelor MEMS din siliciu este fragilitatea și, după cum avertizează producătorii, dispozitivele nu trebuie spălate într-o baie cu ultrasunete. Acest lucru duce la deformări extreme și la distrugerea elementelor la rezonanță.
Deși industria electronică oferă o cerere pe scară largă pentru produse din industria siliciului, siliciul cristalin este încă un material dificil și relativ scump de fabricat. Polimerii, pe de altă parte, pot fi produși în volume mari, cu o mare varietate de caracteristici ale materialelor. Dispozitivele MEMS pot fi realizate din polimeri folosind procese precum turnarea prin injecție, ștanțare sau stereolitografia; sunt deosebit de potrivite pentru utilizarea la fabricarea dispozitivelor microfluidice , cum ar fi cartușele de analiză de sânge de unică folosință.
Un giroscop este un dispozitiv care este capabil să răspundă la modificările unghiurilor de orientare ale unui obiect în raport cu un sistem de referință inerțial și să determine poziția acestuia în spațiu. Elementul sensibil al giroscopului integral sunt două mase (greutăți) în mișcare care se află în mișcare continuă pe o suspensie elastică în direcții opuse. Sursa oscilațiilor masei în mișcare sunt motoarele electrostatice cu pieptene. Masa mobilă, împreună cu electrozii, amplasați pe substrat, formează condensatori , care fac parte din circuitul diferențial care generează un semnal proporțional cu diferența de capacități a condensatorului.
Accelerația liniară afectează în mod egal atât masele în mișcare, cât și substratul, astfel încât semnalul la ieșirea circuitului diferențial nu apare. De îndată ce are loc o modificare a vitezei unghiulare în raport cu axa de rotație, atunci forța Coriolis începe să acționeze asupra maselor în mișcare , deviând masele în mișcare în direcții opuse. În consecință, capacitatea unui condensator crește, în timp ce celălalt scade, ceea ce generează un semnal de diferență proporțional cu mărimea accelerației unghiulare. Astfel, se realizează transformarea vitezei unghiulare a giroscopului într-un parametru electric, a cărui valoare este detectată de un senzor special [5] .
Senzori capacitivi de accelerație de suprafață (accelerometre) - detectează accelerația într-un plan paralel cu suprafața cipurilor pe care sunt instalate. Principiul de funcționare al senzorilor capacitivi de accelerație se bazează pe o modificare a capacității unui microcondensator, una dintre plăcile căruia este mobilă. Plăcile mobile ale sistemului de condensatori sunt suspendate elastic pe cleme, iar în prezența accelerației de-a lungul axei de sensibilitate (indicată prin săgeți), capacitățile celulelor elementare se modifică. Mărimea și semnul modificărilor sunt înregistrate de un circuit electronic integrat pe același cip ca și senzorul. Tensiunea de ieșire a microcircuitului este proporțională cu accelerația, iar semnul acestuia depinde de direcția accelerației. Într-o stare orizontală staționară sau mișcare la o viteză constantă, tensiunea de ieșire este de 1,8 V, cu accelerație completă de ±50 g, tensiunea de ieșire atinge 1,8 ± 0,95 V [6] .
Există două forme de tehnologie de comutare MEMS: ohmică și capacitivă.
1. Comutatoarele Ohmic MEMS sunt proiectate folosind cantilever electrostatice. Deoarece cantileverele se deformează în timp, aceste întrerupătoare se pot defecta din cauza uzurii contactelor sau a oboselii metalice .
2. Întrerupătoarele capacitive sunt controlate de o placă mobilă sau un element de detectare care modifică capacitatea . Folosind caracteristicile lor de rezonanță, ele pot fi reglate pentru a depăși dispozitivele ohmice în anumite game de frecvență [7] .