A mikroelektromechanikai rendszerek ( MEMS ) olyan eszközök, amelyek egymással összekapcsolt mechanikai és elektromos mikron méretű alkatrészeket kombinálnak. A mikroelektromechanikai rendszerek mechanikai elemekből, érzékelőkből , elektronikából , működtetőkből és mikroelektronikai eszközökből állnak , amelyek közös szilíciumhordozón helyezkednek el [1] .
A mechanikus alkatrész lehet miniatűr tükör - a letapogató rendszer egyik eleme (például DLP technológia esetén), egy tehetetlenségi érzékelő, amely képes meghatározni a felhasználó által eszközével és más típusú eszközökkel végzett jellegzetes mozgásokat.
A MEMS eszközöket jellemzően szilícium hordozóra gyártják mikromegmunkálási technológiával , hasonlóan az egylapkás integrált áramkörök gyártásához használt technológiához . A mikromechanikai elemek jellemző méretei 1 mikrométertől 100 mikrométerig terjednek, míg a MEMS chipek mérete 20 mikrométertől egy milliméterig terjed.
Jelenleg a MEMS technológiákat már alkalmazzák különféle mikroáramkörök gyártására. Tehát egyes alkalmazásokban a MEMS oszcillátorok felváltják a [2] kvarcoszcillátorokat . A MEMS technológiákat különféle miniatűr működtetők és érzékelők létrehozására használják , mint például gyorsulásmérők , szögsebesség-érzékelők , giroszkópok [3] , magnetometrikus érzékelők, barometrikus érzékelők, környezeti elemzők (például működési vérelemzéshez), rádióvevő átalakítók [ 3]. 4] .
A MEMS technológia különféle anyagok és gyártási technikák felhasználásával valósítható meg, amelyek kiválasztása a létrehozandó eszköztől és a piaci szektortól függ, amelyben működni kíván.
A mai világban a fogyasztói elektronikában használt integrált áramkörök többsége a szilícium az anyag. Az olcsó, jó minőségű anyagok elterjedtsége, elérhetősége és az elektronikus áramkörökben való felhasználás lehetősége vonzóvá teszi a szilíciumot a MEMS-ek gyártásában.
A szilícium fizikai tulajdonságai miatt jelentős előnyökkel is rendelkezik más anyagokkal szemben. A szilícium egykristály szinte tökéletesen engedelmeskedik Hooke törvényének . Ez azt jelenti, hogy a deformáció során nincs hiszterézisnek kitéve, és ennek következtében a deformációs energia gyakorlatilag nem disszipálódik.
Ezenkívül a szilícium nagyon megbízható az ultra-gyakori mozgásoknál, mivel nagyon kevés fáradtságot mutat, és több milliárdtól billió ciklusig képes működni anélkül, hogy eltörne.
Az összes szilícium alapú MEMS eszköz beszerzésének fő módja az anyagrétegek felhordása, ezeknek a rétegeknek a fotolitográfiával és maratással történő strukturálása a kívánt forma létrehozásához.
A szilíciumból készült MEMS készülékek sajátossága a törékenység, és ahogy a gyártók figyelmeztetnek, az eszközöket nem szabad ultrahangos fürdőben mosni. Ez extrém deformációkhoz és az elemek rezonancia közbeni pusztulásához vezet.
Bár az elektronikai ipar nagyarányú keresletet biztosít a szilíciumipar termékei iránt, a kristályos szilícium még mindig nehezen és viszonylag költséges anyag előállítása. A polimerek viszont nagy mennyiségben, sokféle anyagjellemzővel állíthatók elő. A MEMS eszközök polimerekből készülhetnek olyan eljárásokkal, mint a fröccsöntés, sajtolás vagy sztereolitográfia; különösen jól használhatók mikrofluidikus eszközök, például eldobható vérteszt-patronok gyártásához.
A giroszkóp olyan eszköz, amely képes reagálni az objektum inerciális vonatkoztatási rendszerhez viszonyított tájolási szögeinek változásaira, és meghatározni a térbeli helyzetét. Az integrált giroszkóp érzékeny eleme két mozgó tömeg (súly), amelyek egy rugalmas felfüggesztésen, ellentétes irányú folyamatos mozgásban vannak. A mozgó tömeg oszcillációinak forrása a fésűs elektrosztatikus motorok. A mozgatható tömeg a hordozón elhelyezett elektródákkal együtt kondenzátorokat képez , amelyek a differenciáláramkör részét képezik, amely a kondenzátor kapacitásának különbségével arányos jelet generál.
A lineáris gyorsulás egyformán érinti mind a mozgó tömegeket, mind a hordozót, így a differenciáláramkör kimenetén a jel nem jelenik meg. Amint a szögsebesség a forgástengelyhez képest megváltozik, a Coriolis-erő hatni kezd a mozgó tömegekre, ellentétes irányba terelve a mozgó tömegeket. Ennek megfelelően az egyik kondenzátor kapacitása növekszik, míg a másiké csökken, ami a szöggyorsulás nagyságával arányos különbségjelet generál. Így a giroszkóp szögsebességét elektromos paraméterré alakítják át, melynek értékét egy speciális érzékelő érzékeli [5] .
Kapacitív felületi gyorsulásérzékelők (gyorsulásmérők) - észlelik a gyorsulást a chip chipek felületével párhuzamos síkban, amelyre fel vannak szerelve. A kapacitív gyorsulásérzékelők működési elve egy mikrokondenzátor kapacitásának változásán alapul, amelynek egyik lemeze mozgatható. A kondenzátorrendszer mozgatható lemezei rugalmasan vannak felfüggesztve a bilincseken, és az érzékenységi tengely mentén történő gyorsulás jelenlétében (nyilakkal) az elemi cellák kapacitása megváltozik. A változások nagyságát és előjelét az érzékelővel azonos chipre integrált elektronikus áramkör rögzíti. A mikroáramkör kimeneti feszültsége arányos a gyorsulással, előjele a gyorsulás irányától függ. Álló vízszintes állapotban vagy állandó sebességű mozgásban a kimeneti feszültség 1,8 V, ±50 g teljes gyorsítás mellett a kimeneti feszültség eléri az 1,8 ± 0,95 V-ot [6] .
A MEMS kapcsolási technológiának két formája létezik: ohmos és kapacitív.
1. Az Ohmikus MEMS kapcsolók elektrosztatikus konzolokkal készülnek. Mivel a konzolok idővel deformálódnak, ezek a kapcsolók meghibásodhatnak az érintkezők kopása vagy a fém kifáradása miatt .
2. A kapacitív kapcsolókat mozgó lemez vagy érzékelőelem vezérli, amely megváltoztatja a kapacitást . Rezonanciakarakterisztikájukat felhasználva úgy hangolhatók, hogy bizonyos frekvenciatartományokban felülmúlják az ohmos eszközöket [7] .