Микроэлектромеханическая система (МЭМС) — это крошечное устройство или машина, созданное из механических и электрических деталей с применением технологий микротехнологий.
Понятие «МЭМС» обозначает как группу микромехатронных систем, так и технологию их производства. Некоторые МЭМС не содержат механических элементов, однако, преобразуя механические сигналы в электрические или оптические, попадают в категорию МЭМС.
Размер МЭМС
Размеры МЭМС-устройств могут изменяться от 20 микрон до одного миллиметра. Компоненты, из которых изготовлены устройства, имеют размер от 1 до 100 микрон.
Некоторые части малы по размеру, меньше диаметра человеческого волоса, но ряд модулей, собранных в группы, может иметь площадь свыше десяти сантиметров.
МЭМС-приборы состоят из устройств обработки данных, таких как микропроцессоры, и миниатюрных элементов, взаимодействующих с окружением, например, микросенсоров.
Типы МЭМС
Технология коммутации МЭМС реализуется в двух формах: омической и емкостной.
1. ОмическиеМЭМС-переключатели созданы на базе электростатических кантилеверов. Из-за деформации кантилеверов со временем переключатели могут стать неработоспособными вследствие износа контактов или металлической утомляемости.
2. ЕмкостныеПереключатели регулируются подвижным диском или сенсорным элементом, меняющим емкость. Благодаря собственным резонансным свойствам их можно настроить для превосходства над устройствами с сопротивлением в определённых частотах.
Как они построены?
Рост интереса к производству МЭМС начался в 1980-х годах, но инфраструктура проектирования и производства для коммерческого освоения этих технологий сформировалась только спустя два десятилетия. Струйные печатающие головки и контроллеры подушек безопасности стали одними из первых подобных устройств.
Используя эту технологию исследователи создали проектор с микрозеркалами (который использует МЭМС) в конце 1990-х годов. Со временем микросенсоры стали более популярными, постепенно интегрируясь в различные типы датчиков: датчики излучения, магнитных полей, температуры и давления.
Сегодня МЭМС применяются почти во всех интеллектуальных устройствах, и стали значительно эффективнее (по производительности и энергопотреблению), чем большие аналоги. Состоят из микропроцессоров, микроактюаторов, микросенсоров и блоков обработки данных.
Производство МЭМС использует те же способы, что и при создании интегральных схем и полупроводниковых устройств.
- На специализированную поверхность накладывают тончайшие слои материала, толщина которых колеблется от одного до ста микрон.
- Рисунки переносятся на материал при помощи процесса, именуемого литографией.
- Растворение материала в химическом растворе или с помощью реактивных ионов позволяет получить нужную форму.
- После обработки МЭМС-устройств на кремниевой пластине, матрицы разделяет, а затем резку пластин проводят охлаждающей жидкостью или сухим лазерным процессом.
Кремний — самый популярный материал при изготовлении MEMS. Его просто получить, он недорогой и обладает весомыми достоинствами, особенно в сфере микроэлектроники. К примеру, кремний устойчив к усталости и практически не теряет энергию.
Некоторые микроэлектромеханические системы производятся из металла методами гальванизации, испарения и распыления. К металлам с высоким уровнем надёжности относятся золото, платина, серебро, вольфрам, медь, титан и алюминий.
Полимеры подходят для создания МЭМС-устройств благодаря возможности массового производства и настраиваемых свойств материала.
Чем МЭМС отличаются от NEMS?
Наноэлектромеханические системы (NEMS) — устройства с электрическими и механическими свойствами на наномасштабе, представляющие собой следующую ступень в миниатюризации после MEMS.
NEMS аналогичны MEMS, но обладают меньшими размерами. Их критические структурные элементы размещаются на уровне до 100 нанометров, то есть в атомном или молекулярном масштабе.
Несмотря на то что NEMS и МЭМС считаются раздельными технологиями, взаимосвязь между ними очевидна. сканирующий туннельный микроскопУстройство МЭМС находит атомы.
В отличие от МЭМС, в технологии NEMS применяются материалы на основе углерода: алмаз, углеродные нанотрубки и графен. Благодаря успехам в выращивании, манипуляции и изучении электрических и механических свойств графена исследователи с большим интересом рассматривают его для создания NEMS-устройств, таких как датчики давления, резонаторы и акселерометры.
Примеры и применения
По мере повышения эффективности и снижения стоимости производства МЭМС, их применение должно стать ключевым фактором в области IoT и домашней автоматизации.
- Акселерометры в машинах предназначены для разных задач, например, контроля устойчивости и работы подушек безопасности.
- Устройства для регулирования температуры в системах автоматики зданий.
- Переключатель для изменения технологий и настроек передачи данных.
- Одноразовые приборы для измерения артериального давления и датчики давления автомобилей из силикона.
- Микроуборочные комбайны различаются по типу используемой для сбора энергии системы: электростатическая, электромагнитная или пьезоэлектрическая.
- Микрофоны, барометры и гироскопы в уменьшенном формате для использования в приложениях на смартфонах.
Мировой рынок
Многие компании занимаются проектами MEMS. Маленькие фирмы предлагают инновационные решения и справляются с затратами на изготовление по индивидуальному заказу с высокой прибылью от продаж. Большие фирмы преимущественно производят в больших объемах недорогие детали или готовые решения для конечных рынков, таких как электроника, биомедицина и автомобилестроение. Обычно, как малые, так и крупные компании инвестируют в исследования и разработки для создания новых MEMS-технологий.