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.
Промышленные технологии
- Что такое гипервизор? Определение | Типы | Примеры
- Что такое штамповка? - Типы, операции и применение
- Что такое сварка? - Определение | Виды сварки
- Что такое сверлильный станок? - Типы и применение
- Что такое синусоидальный бар? - Принцип, типы и применение
- Что такое лазерная сварка? - Работа, виды и применение
- Что такое экструзия? - Работа, типы и применение
- Что такое термическое напыление? - Типы и применение
- Что такое нержавеющая сталь? - Типы, свойства, применение
- Что такое планировщик обслуживания?