Что такое МЭМС (микроэлектромеханическая система)? Типы и применение

Микро-электромеханическая система, или МЭМС, представляет собой миниатюрное устройство или машину, состоящую из механических и электрических компонентов с использованием методов микротехнологии.

Термин «МЭМС» часто используется для описания как категории микромехатронных систем, так и технологического процесса, используемого для их производства. Некоторые МЭМС не имеют механических компонентов, но, поскольку они преобразуют определенные механические сигналы в электрические или оптические, они классифицируются как МЭМС.

В Европе МЭМС более известны как микросистемная технология, а в Японии - микромашины.

Размер MEMS

Физические размеры устройств MEMS могут составлять от 20 микрометров до одного миллиметра. Они состоят из компонентов размером от 1 до 100 микрометров.

Хотя отдельные компоненты могут быть меньше ширины человеческого волоса, несколько модулей, расположенных в виде массивов, могут занимать площадь более 10 сантиметров в квадрате.

Устройства МЭМС обычно содержат центральные блоки обработки данных (например, микропроцессоры) и крошечные инструменты, которые взаимодействуют с окружающей средой (например, микродатчики).

Типы МЭМС

Существует два вида технологии переключения MEMS:омическая и емкостная.

1. Омическое Переключатели MEMS разработаны с использованием электростатических консолей. Поскольку консоли со временем деформируются, эти переключатели могут выйти из строя из-за износа контактов или усталости металла.

2. Емкостный переключатели управляются подвижной пластиной или чувствительным элементом, который изменяет емкость. Используя их резонансные характеристики, их можно настроить так, чтобы они превосходили омические устройства в определенных частотных диапазонах.

Как они устроены?

Хотя интерес к производству МЭМС вырос в 1980-х годах, потребовалось почти два десятилетия, чтобы создать конструктивную и производственную инфраструктуру, необходимую для их коммерческого развития. Одним из первых таких устройств были струйные печатающие головки и контроллеры подушек безопасности.

Используя эту технологию, исследователи смогли построить проектор с микрозеркалами (который использует MEMS) в конце 1990-х годов. Со временем микросенсоры стали более популярными:их постепенно встраивали в различные типы датчиков, включая датчики излучения, магнитных полей, температуры и давления.

Сегодня MEMS используются почти во всех интеллектуальных устройствах, и они стали намного эффективнее (с точки зрения производительности и энергопотребления), чем их более крупные аналоги. Они состоят из таких частей, как микропроцессоры, микроактюаторы, микросенсоры, несколько блоков обработки данных.

Производство MEMS включает те же методы, которые используются для создания интегральных схем и полупроводниковых устройств. Основные техники

• Депонирование :Тонкие слои (от 1 до 100 микрометров) материала наносятся на специальную поверхность.
• Узор :Узор переносится на материал с помощью процесса, называемого литографией.
• Офорт :Материал растворяется либо в химическом растворе, либо с использованием реактивных ионов для получения необходимой формы.
• Подготовка штампа :После изготовления МЭМС-устройств на кремниевой пластине отдельные кристаллы отделяются, а затем выполняется нарезка пластины с помощью охлаждающей жидкости или сухого лазерного процесса.

Кремний - наиболее распространенный материал, используемый для создания МЭМС. Он легко доступен, недорог и имеет существенные преимущества, особенно в области микроэлектроники. Например, кремний очень мало утомляется и почти не рассеивает энергию.

Некоторые МЭМС изготавливаются из металла с помощью процессов гальваники, испарения и распыления. К металлам, обладающим высокой степенью надежности, относятся золото, платина, серебро, вольфрам, медь, титан и алюминий.

Полимеры также могут использоваться для производства устройств MEMS, поскольку они могут производиться в больших объемах с различными характеристиками материалов.

Чем MEMS отличается от NEMS?

НЭМС (сокращение от нано-электромеханические системы) - это класс устройств, обладающих электрическими и механическими характеристиками на наномасштабе. NEMS - это следующий логический шаг миниатюризации от MEMS.

Проще говоря, НЭМС похожи на МЭМС, но меньше по размеру:они имеют критические структурные элементы размером 100 нанометров или меньше (атомные или молекулярные масштабы).

Хотя NEMS и MEMS называются отдельными технологиями, они зависят друг от друга. Например, сканирующий микроскоп с туннельным зондом, который обнаруживает атомы, является устройством MEMS.

В технологии MEMS важную роль играют силы, создаваемые гидродинамикой и окружающим электромагнетизмом. В то время как в технологии NEMS решающее значение имеют также поверхностный сенсорный механизм и большие квантово-механические эффекты.

В отличие от MEMS, технология NEMS использует материалы на основе углерода, в частности алмаз, углеродные нанотрубки и графен. Благодаря значительным достижениям в области выращивания, манипуляции и знания электрических и механических свойств графена, исследователи проявляют больший интерес к графену для устройств NEMS, таких как датчики давления, резонаторы, акселерометры и т. Д.

Примеры и приложения

Поскольку МЭМС становятся более эффективными и менее дорогими в строительстве, ожидается, что они будут играть решающую роль в IoT (Интернете вещей) и домашней автоматизации. Распространенными коммерческими приложениями MEMS являются:

Акселерометр в смартфоне | YouTube

• Акселерометры в транспортных средствах для различных целей, например для электронного контроля устойчивости и срабатывания подушек безопасности.
• Сенсорные системы охлаждения и обогрева для систем управления зданиями.
• Оптический переключатель, используемый для коммутации и выравнивания при передаче данных.
• Одноразовые датчики артериального давления и автомобильные датчики давления из силикона.
• Электростатические, электромагнитные и пьезоэлектрические микроуборочные комбайны (используются для сбора энергии).
• Маленькие микрофоны, барометры и гироскопы для поддержки приложений для смартфонов.
• Микроножики, используемые в струйных принтерах для управления потоком чернил.

Прочтите:5 различных типов микроскопов и их применение

Мировой рынок

Многие компании работают над проектами MEMS. Более мелкие фирмы предлагают выгодные инновационные решения и справляются с расходами на изготовление по индивидуальному заказу с высокой рентабельностью. Более крупные фирмы в основном производят в больших объемах недорогие детали или комплектные решения для конечных рынков, таких как электроника, биомедицина и автомобили. Как правило, как малые, так и крупные компании вкладывают средства в исследования и разработки для создания новой технологии MEMS.

По данным Grand View Research Inc, размер мирового рынка MEMS к 2024 году оценивается в 28,84 миллиарда долларов США. В 2015 году он составлял почти 12 миллиардов долларов США. Учитывая растущую популярность образа жизни, основанного на подключении к Интернету, ожидается, что потребительская электроника станет доминирующим сегментом (на его долю будет приходиться более 40% мировой выручки).

Прочтите:10 различных типов батарей

Проблемы с калибровкой и точностью могут замедлить рост рынка. Но острая конкуренция заставит игроков отрасли в ближайшие годы удерживать цены на низком уровне.