Podstawa teoretyczna

Technologia MEMS

Przyrządy MEMS to elementy mikromechaniczne o wymiarach mikrometrowych, zawierające trójwymiarowe mikrostruktury . MEMS są zazwyczaj wykonane za pomocą technologii mikroelektroniki, podobnych do wykorzystywanych przy wytwarzaniu przyrządów półprzewodnikowych i układów scalonych. Elementy mikromechaniczne, z których złożone są przyrządy, powstają przez selektywne wytrawianie niektórych części krzemowego podłoża lub przez nanoszenie nowych warstw tak, aby uformować odpowiednie urządzenia.

a) Akcelerometry

W technologii MEMS akcelerometrów wykorzystujemy metodę głębokiego trawienia krzemu z wytworzeniem masy bezwładnej zawieszonej na sprężystych belkach. Ta masa pełni rolę elektrody środkowej co daje układ kondensatora różnicowego. Taka struktura pozwala na dużą liniowość pracy, a ponadto możliwość pracy w układzie elektromechanicznego sprzężenia zwrotnego, które to pozwala na powrót masy w położenia równowagi.

Rys. 2.1 Akcelerometr pojemnościowy

Przedstawiony rysunek pokazuje zasadę działania akcelerometru MEMS w powiększeniu. W środku znajduje się belka ruchoma z zębami. Osadzona jest ona na sprężynie. Ciemne elementy przedstawione na rysunku są przytwierdzone na stałe. Zmiana pozycji ruchomej belki powoduje zmianę pojemności, co przenosi się na zmianę napięcia na wyjściu czujnika.

.

Rys.2.2. Rzeczywisty czujnik MEMS a) zdjęcie w zbliżeniu, b) wymiary czujnika

Czujnik działa w następujący sposób. V_out (napięcie wyjściowe czujnika) w demodulatorze jest wymnażane przez sygnał synchronizujący o częstotliwości nośnej i następnie przechodzi przez filtr dolno pasmowy o założonym paśmie (wyliczenie pasma filtru poniżej). Sygnał po takiej obróbce otrzymujemy na wyjściu czujnika

Rys.2.3. Schemat zastępczy czujnika

Rys.2.4. Schemat blokowy układu czujnika.

Schemat obok pokazuje, do których nóżek należy podłączyć pojemność, która będzie wpływała na pasmo zgodnie z poniższymi wzorami i tabelą.

Tabela.2.1). Pasmo przetwornika w zależności od dołączonej pojemności.

Akcelerometry konwekcyjne

Rys.2.5. Akcelerometr MXA2100A a)schemat ideowy b) widok rzeczywistej struktury

Innym używanym w układzie akcelerometrem jest akcelerometr konwekcyjny MXA2100A. Jego zasada działania opisana w skrócie jest następująca.

W wyniku występujących przyspieszeń działających na czujniki, chmura ciepła przenosi się znad grzejnika bądź w prawo, bądź w lewo. Ruch jest rejestrowany przez czujniki temperatury umieszczone na podłożu. Sygnał właśnie z tych czujników temperaturowych daje nam obraz przyspieszeń działających na czujnik.

Na wyjściu sensora otrzymujemy sygnał PWM wyskalowany w taki sposób, że wypełnienie w przypadku braku przyspieszeń wynosi 50%.

W wypadku tego czujnika należy pamiętać o tym, aby na wyjściu (Aout X i Aout Y) umieścić jeszcze filtr dolnoprzepustowy RC.

Rys.2.6. Zasada działania akcelerometru konwekcyjnego.

Zastosowanie i wykorzystywanie akcelerometrów

• Systemy alarmowe

• Wykrywanie kolizji poruszających się obiektów -w samochodach sprzężone z układem otwierania się poduszek powietrznych.

• Systemy nawigacji satelitarnej GPS

• Pomiary drgań maszyn

• Komputerowe urządzenia peryferyjne: mysz, joystick

• Pozycjonowanie ramienia robota

• Sprzęt medyczny, sportowy i rehabilitacyjnym

b) Żyroskopy

Żyroskopy są wykorzystywane do pomiarów kierunku, kąta obrotu, prędkości obrotowej. Działanie żyroskopów oparte jest o znany już od dawna występujący w fizyce efektem Coriolisa .Efekt ten związany z obracającymi się ciałami powoduje zaburzenie ruchu (np. zmianę toru). Jest spowodowany ruchem układu odniesienia. Siła Coriolisa zatem jest siłą pozorną, której wartość jest równa

przyspieszenie natomiast

gdzie: m - masa ciała,

v - jego prędkość,

ω - prędkość kątowa układu

Siła Coriolisa powoduje odchylenie toru ruchu ciała w kierunku przeciwnym do kierunku obrotu układu odniesienia.W żyroskopach wykonanych w technologii MEMS zasada działania jest bardzo podobna do zasady działania żyroskopu rzeczywistego.

Zawieszenie Cardana zamocowane na

sprężynie o współczynniku sprężystości k ulega

przemieszczeniu pod wpływem siły Coriolisa

rys.2.7. Uproszczony model zawieszenia Cardana

Równanie przemieszczenia zależne jest m.in. od właściwości mechanicznych zawieszenia Cardana i transmitancji akcelerometru mierzącego przyspieszenie Coriolisa. Taki sygnał podany jest, podobnie jak w akcelerometrach, na demodulator i filtr dolnoprzepustowy.

rys.2.8. Schemat blokowy żyroskopu ADXRS150

W naszym urządzeniu został wykorzystany jednoukładowy żyroskop do stabilizacji, orientacji i odczucia położenia kątowego. Zawiera czujnik kąta nachylenia oraz kompensujący czujnik temperatury, a także układ obróbki sygnałów i częstotliwości napięcia. Wymaga tylko kilku zewnętrznych kondensatorów. Jeden zewnętrzny rezystor może być użyty do zmiany współczynnika skalowania. Szerokość pasma uzależniona jest od wartości jednego kondensatora podobnie jak było to w przypadku akcelerometrów. Sygnał wyjściowy jest napięciem, proporcjonalnym do prędkości kątowej.

Żyroskopy wykorzystujemy do:

• Systemów nawigacji

• Systemów nawigacji GPS

• Stabilizacji ruchu obiektów ruchomych: samolotów, platform przeładunkowych, robotów, anten radiowych umieszczonych na obiektach ruchomych

• Automatycznej stabilizacja obrazu w kamerach i aparatach cyfrowych

Podsumowanie:

Wysoka skala integracji i rozmiary czujników pozwalają je już dzisiaj stosować w zminiaturyzowanym sprzęcie elektronicznym codziennego użytku.

Czujniki MEMS nie są już dzisiaj drogim sprzętem, wykorzystanym jedynie w zastosowaniach specjalistycznych i wojskowych. Dla przykładu jeden z akcelerometrów wykorzystanych w projekcie ADXL311 (wykonywany w hermetycznej obudowie 8-wyprowadzeniowej obudowie LCC o wymiarach 5mm x 5mm x 2mm) w sprzedaży detalicznej kosztuje jedyne 18 PLN. Dzięki taki niskim cenom i prostocie użycia w układach elektronicznych elementy te znajdą zastosowanie w sprzęcie powszechnego użytku.

---