نحوه عملکرد سنسور مِمز(MEMS)

باسلام دراین مقاله دروبسایت دیاکو قصدداریم به مبانی نحوه عملکرد سنسور ممز  (MEMS) بپردازیم.

برای آشنایی بیشتر با ماهمراه باشید:

 در این مقاله:

• MEMS چیست؟
• نحوه عملکرد سنسور MEMS
• مزیای سنسور MEMS
• کاربرد سنسور MEMS
• مزایا و معایب سنسور فشار MEMS

MEMS چیست؟

MEMS سیستم‌ها یا دستگاه‌های بسیار کوچکی هستند .که از اجزای میکرو با اندازه‌های 0.001 تا 0.1 میلی‌متر تشکیل شده‌اند. این قطعات از سیلیکون پلیمرها فلزات و یا سرامیک ساخته شده اند . معمولاً با یک CPU (میکروکنترلر) برای تکمیل سیستم ترکیب می شوند.

اکنون به طور خلاصه توضیح خواهیم داد که هر یک از این سنسورهای میکرو الکترومکانیکی سیستم (MEMS) چگونه کار می کنند. شتاب سنج MEMS شتاب را با اندازه گیری تغییر در ظرفیت اندازه گیری می کند. ساختار میکرو آن چیزی شبیه به این است. دارای یک جرم متصل به فنری است . که برای حرکت در یک جهت محدود شده و صفحات بیرونی ثابتی دارد.

بنابراین هنگامی که شتابی در جهت خاص اعمال می شود جرم حرکت می کند. و ظرفیت بین صفحات و جرم تغییر می کند. این تغییر در ظرفیت اندازه گیری پردازش می شود و با مقدار شتاب خاصی مطابقت دارد.

ژیروسکوپ MEMS ژیروسکوپ سرعت زاویه ای را با استفاده از اثر کوریولیس اندازه گیری می کند. هنگامی که یک جرم در یک جهت خاص با سرعت خاصی حرکت می کند. هنگامی که یک نرخ زاویه ای خارجی مطابق با فلش سبز اعمال می شود. نیرویی مانند فلش قرمز آبی نشان داده می شود که باعث جابجایی عمودی جرم می شود. بنابراین مشابه شتاب سنج این جابجایی باعث تغییر در ظرفیت خازنی می شود.که اندازه گیری پردازش می شود و با نرخ زاویه ای خاصی مطابقت دارد.

 

 

در ادامه

ساختار میکرو ژیروسکوپ چیزی شبیه به این است. جرمی که دائماً در حال حرکت یا نوسان است. و هنگامی که نرخ زاویه ای خارجی اعمال می شود بخش انعطاف پذیری از جرم حرکت می کند و جابجایی عمودی ایجاد می کند.

مغناطیس سنج MEMS میدان مغناطیسی زمین را با استفاده از اثر هال یا اثر مقاومتی مغناطیسی اندازه گیری می کند. در واقع تقریباً 90٪ از سنسورهای موجود در بازار از جلوه هال استفاده می کنند. و در اینجا نحوه عملکرد آن آمده است.

اگر صفحه ای رسانا داشته باشیم که در عکس نشان داده شده است . جریان را تنظیم کنیم تا از آن عبور کند. الکترون ها مستقیماً از یک طرف صفحه به طرف دیگر جریان می یابند. حال اگر مقداری میدان مغناطیسی را نزدیک صفحه بیاوریم جریان مستقیم را مختل می کنیم. و الکترون ها به یک طرف صفحه و قطب های مثبت به طرف دیگر صفحه منحرف می شوند.

این بدان معناست که اگر اکنون یک متر بین این دو طرف قرار دهیم .مقداری ولتاژ خواهیم داشت که بستگی به شدت میدان مغناطیسی و جهت آن دارد.

10 درصد دیگر سنسورهای موجود در بازار از اثر مقاومت مغناطیسی استفاده می کنند. این حسگرها از مواد حساس به میدان مغناطیسی استفاده می‌کنند . که معمولاً از آهن (Fe) و نیکل (Ne) تشکیل شده‌اند. بنابراین هنگامی که این مواد در معرض میدان مغناطیسی قرار می گیرند مقاومت خود را تغییر می دهند. 

نحوه عملکرد سنسور MEMS

mems یک فناوری مبتنی بر تراشه است. که به عنوان یک سیستم میکروالکترو مکانیکی شناخته میشود. سنسورها از یک جرم معلق بین یک جفت صفحات خازنی، تشکیل شده اند . هنگامی که شیب به سنسور اعمال می شود . جرم معلق اختلاف در پتانسیل ایجاد میکند. این اختلاف به عنوان تغییر در ظرفیت اندازه گیری می شود.

بزرگترین رزولوشن که میتوانید با یک شیب سنج mems دریافت کنید 0.0001 (سری JDI) است این یک داستان متفاوت ازخط الکترولیتی بسیار دقیق است. این خطوط حساس ترین شیب سنج (A603tiltmeter) دارای وضوح 2.5 نانورادیان است . با این حال mems مزایای خاص خود را دارد.

مزیای سنسور MEMS

یک سنسور mems ویژگی های موجود با هر خط سنسور دیگر را ارائه می دهد. اما نیازی نیست نگران محدودیت فضا باشید. mems ها از اجزای میکروماشین بسیار فشرده استفاده می کنند. به طوری که هر سنسور می تواند در کف دست شما قرارگیرد.

این سنسورها دارای نشان IP67 هستند. از آنجا که محدوده دمای کار 40- تا 85+ درجه سانتیگراد است آنها برخی شرایط سخت را تحمل خواهند کرد. درحالی که حسگرهای الکترولیتی دقت بسیار بالاتری دارند. برخی از آنها میتوانند به دما حساس باشند.

کاربرد سنسور MEMS

این سنسورها برای کاربرد هایی که نیازبه دقت بسیاربالایی ندارند. مانند اتوماسیون صنعتی یا ترازکردن پلتفرم یا کنترل موقعیت و اندازه گیری گام و رول راه حل فوق العاده ای هستند. از آنجا که  هزینه آنها کمتر است . حتی می توانید مقداری از سرمایه خود را برای پروژه بزرگ بعدی خود ذخیره کنید.

سایر سنسورهای فشار MEMS

روش های دیگری نیز برای ساخت سنسورهای فشار MEMS وجود دارد. به عنوان مثال می توان یک ساختار مکانیکی با یک فرکانس رزونانس ایجاد کرد . که تابعی از فشار اعمال شده است (مانند تنظیم پیانو). یک سیگنال برای ایجاد ارتعاش در ساختار اعمال می شود.

سپس تغییر در فرکانس رزونانس اندازه گیری می شود. چنین وسایلی می توانند بسیار دقیق باشند. اما ساخت آنها دشوار است . و نسبت به سایر عوامل محیطی مانند دما حساس هستند و باعث تغییر فرکانس رزونانس می شوند.

سنسور موج صوتی سطحSAW با ارسال ارتعاش به درون یک فیلم نازک از مواد پیزوالکتریک کار می کند. امواج توسط ترانسدیوسر دیگری جمع می شوند و دوباره به سیگنال الکتریکی تبدیل می شوند. می توان با اندازه گیری تغییرات دامنه یا فاز سیگنال صوتی (ناشی از تغییر شکل سطح) فشار را اندازه گیری نمود.

ساختار سنسور فشار MEMS

از سنسورهای فشار MEMS می توان برای اندازه گیری پارامترهای فیزیکی مانند شتاب دما و فشار استفاده کرد. برای اندازه گیری خروجی سنسورها پردازش سیگنال و ارائه ارتباط بی سیم می توان قطعات الکترونیکی مرتبط را بر روی همان تراشه قرار داد.
از طرف دیگرسنسور و قطعات الکترونیک می توانند در دستگاه های جداگانه ای باشند . که در یک بسته چند تراشه ای واحد به هم متصل هستند.

ساخت سنسور فشار MEMS

تکنیک های ساخت MEMS مبتنی بر روش هایی است که برای ساخت نیمه رسانا ها استفاده می شود. تولید با قطعه سیلیکونی با خلوص بالا شروع می شود. برای ایجاد سازه های چند لایه و اجزاء و اتصالات بین آنها . از ترکیبی از الگوی چاپی با استفاده از لاک نوری قلم زنی و رسوب مواد استفاده می شود.
اجزای مکانیکی را می توان با از بین بردن مواد اطراف آن برای ساختاری که حرکت کردن آزاد نیاز دارد، ایجاد کرد . این روش برای ساخت دستگاه هایی مانند شتاب سنج نازل های جوهر افشان و حتی تکمیل سیستم های “lab on a chip”استفاده می شود.
سرانجام قطعه سیلیکونی به قالب های تکی برش داده می شود. که می تواند اندازه آن از یک میلی متر تا چند میلی متر باشد. در هر قطعه می تواند هزاران قالب باشد. سپس اینها بسته بندی شده و سیمهای اتصال دهنده به هم متصل می شوند. هزینه نهایی می تواند از 10 پنس تا چند پوند باشد.
یک قطعه سیلیکونی واحد می تواند برای ایجاد انواع تراشه های مختلف به طور همزمان استفاده شود.و هزینه های تولید را در چندین محصول یا مشتری پخش کند. این ویژگی همچنین سنسورهای نیمه سفارشی با هزینه نسبتاً کم را امکان پذیر می کند.که پارامترهای خاصی از یک دستگاه استاندارد برای یک کاربرد خاص اختصاصی شود.

سیلیکون

ماده نیمه رسانایی که معمولاً از آن استفاده می شود سیلیکون است. این ماده ممکن است با سایر مواد برای کاربردهای خاص ترکیب شود. به عنوان مثال برای لوازم الکترونیکی پر سرعت و کم مصرف ساختارهای سیلیکون ممکن است. بر روی یک ماده عایق مانند یاقوت کبود یا دی اکسید سیلیکون ساخته شوند. تا سیلیکون روی دستگاههای عایق یا SoL ایجاد شود.
سیلیکون برای سنسورهای فشار دما بالا مناسب نیست . زیرا خواص مکانیکی و الکتریکی آن در دمای حدود 500 درجه سانتیگراد کاهش می یابد. برای کاربردهای با درجه حرارت بالاسنسور ممکن است از کاربید سیلیکون (SiC) ساخته شود.

این ماده مقاومت و استحکام بیشتری در برابر فرسودگی دارد . و همچنین در برابر سایش اکسیداسیون و خوردگی بهتر از سیلیکون مقاومت می کند. این امر باعث می شود ماده ای بهتری برای تولید سنسورهای فشار پایدار برای محیط های خشن باشد.

پیکره بندی سنسور فشار MEMS

پیکره بندی یک سنسور فشار باید با توجه به سازگاری با محیطی که دستگاه در آن استفاده می شود طراحی شود. یک چالش اصلی برای سنسورهای فشار قرار گرفتن موثر در معرض شرایط محیطی است. که بتواند علاوه بر اندازه گیری فشار در برابر میدان مغناطیسی دما شوک مایعات و گازها نیز محافظت کافی داشته باشد.

جنبه مهم فرآیند پیکره بندی برای سنسورهای فشار آب بندی و مهر و موم مناسب آن است. به ویژه برای سنسورهای فشار مطلق که به منظور دستیابی به ثبات بلند مدت نیاز به حفظ یک محفظه خلاء در زیر سنسور دارند.
سنسور فشار اغلب بر روی یک بستر شیشه ای پیرکس متصل می شود. زیرا خصوصیات حرارتی آن بسیار شبیه سیلیکون است.

مزایا و معایب سنسور فشار MEMS

سنسورهای فشار MEMS به دلیل کوچک بودن و نزدیکی به قطعات الکترونیکی می توانند توان مصرفی بسیار کمی داشته باشند. در برخی موارد آنها می توانند توسط باطری کوچکی که چندین سال دوام می آورد تغذیه شوند. برخی حتی می توانند بدون باطری یا با استفاده از انرژی اخذ شدهاست. از محیط یا انرژی تامین شده، توسط دستگاه دیگری که داده های سنسور را میخواندکار کنند.

سنسورهای خازنی دارای مزایای مصرف کمتر انرژی حساسیت بیشتر و عدم وابستگی دمایی هستند.

مهمترین مزیت سنسورهای پیزومقاومتی خطی بودن و پایداری بالای آنهاست.

سنسورهای فشار MEMS از مزیت دارا بودن اندازه بسیار کوچک برخوردارند. این به این معنی است که آنها می توانند به سرعت به تغییرات کوچک فشار پاسخ دهند. همچنین این امر امکان استفاده از آن ها را در کاربردهای جدید مانند دستگاههای پزشکی قابل ایمپلنت فراهم می کند.

 

دیگر مقاله های ما: phمتر/ سنسور پیزوالکتریک

اینستاگرام ما

راسا الکترونیک دیاکو