Наномир
на данный момент является своего рода фронтиром – передним краем науки,
который пока еще только покоряют ученые-пионеры. А вот микромир уже
достаточно давно освоен и в нем вовсю идет строительство. Пожалуй, самым
впечатляющим типом микроструктур, которые создаются людьми, являются
MEMS – микроэлектромеханические системы.
Обычно MEMS делят на два типа: сенсоры – измерительные устройства,
которые переводят те или иные физические воздействия в электрический
сигнал, и актуаторы (исполнительные устройства) – системы, которые
занимаются обратной задачей, то есть переводом сигналов в те или иные
действия. В этой части статьи поговорим о первой категории MEMS.
Пожалуй, самыми «трендовыми» из MEMS-сенсоров являются датчики
движения. Они в последнее время постоянно на слуху: телефоны,
коммуникаторы, игровые приставки, фотокамеры и ноутбуки все чаще и чаще снабжаются акселерометрами (датчиками ускорения) и гироскопами (датчиками поворота).
В мобильных телефонах и видеоприставках чувствительность к движениям пользователя используется в основном, что называется, «для прикола». А вот в портативных компьютерах
акселерометры выполняют очень даже полезную функцию: улавливают момент,
когда жесткий диск может подвергнуться повреждению из-за удара и
паркуют его, диска, головки. В фототехнике использование датчиков движения не менее актуально – именно на их основе работают честные системы стабилизации изображения.
Классический гироскоп образца XIX века. Засунуть такой в iPhone или джойстик Wii довольно-таки затруднительно
Впрочем, рассуждать о том, что в реальности полезнее – активные игры
на Wii, функция автоматического поворота картинки на iPhone, защита
винчестера или возможность снимать фотографии без смазывания – дело
неблагодарное. Покупателям нравится и то, и другое, и третье, и
четвертое. Поэтому производители в последнее время стараются как можно
более плотно использовать датчики движения.
Благо, возможностей у них для этого предостаточно: автопроизводители
(из массовых индустрий они первыми опробовали данного рода устройства)
уже несколько десятилетий активно эксплуатируют датчики движения,
например, в подушках безопасности и антиблокировочных системах тормозов.
Так что соответствующие чипы давно разработаны, выпускаются целым
рядом крупных и сравнительно мелких компаний и производятся в таких
количествах, что цены давно и надежно сбиты до минимума. Типичный
MEMS-акселерометр сегодня обходится в несколько долларов за штуку.
И места занимает – всего ничего. Для примера, размер корпуса
пьезогироскопа Epson XV-8000 составляет 6x4,8x3,3 мм, а трехосного
акселерометра LIS302DL производства ST Microelectronics – всего лишь
3x5x0,9 мм. Причем речь именно о размерах готового устройства с корпусом
и контактами – сам кристалл еще меньше.
Датчик движения Epson XV-8000. И это далеко не самый компактный MEMS-сенсор
На сегодняшний день наиболее популярны датчики движения, основанные
на конденсаторном принципе. Подвижная часть системы – классический
грузик на подвесах. При наличии ускорения грузик смещается относительно
неподвижной части акселерометра. Обкладка конденсатора, прикрепленная к
грузику, смещается относительно обкладки на неподвижной части. Емкость
меняется, при неизменном заряде меняется напряжение – это изменение
можно измерить и рассчитать смещение грузика. Откуда, зная его массу и
параметры подвеса, легко найти и искомое ускорение.
Основной принцип работы конденсаторных акселерометров
Это теория. На практике, MEMS-акселерометры устроены таким образом,
что отделить друг от друга составные части – грузик, подвес, корпус и
обкладки конденсатора – не так-то просто. Собственно, изящество MEMS в
том и заключается, что в большинстве случаев в одной детали здесь
удается (а вернее, попросту приходится) комбинировать сразу несколько
предметов.
Относительно простой, но чрезвычайно миниатюрный и чувствительный MEMS-акселерометр разработки Sandia Labs
Зачастую, современные MEMS-гироскопы устроены идентично
акселерометрам. Просто в них значения ускорений по осям пересчитываются в
значения углов поворота – конструкция примерно та же, но на выходе
другая величина.
Гироскоп L3G4200D производства ST Microelectronics используется в iPhone 4
Тот же STM L3G4200D, фотография с большим увеличением
Однако встречаются и гироскопы, устройство которых "заточено" именно под вращение. Такие MEMS – одни из красивейших.
Еще один гироскоп ST Microelectronics – LYPR540AH
Крупный план STM LYPR540AH. Толщина деталей этой ажурной конструкции – около 3 микрон!
Еще один MEMS-гироскоп
Помимо конденсаторных датчиков, существуют MEMS-акселерометры,
использующие иные принципы. Например, датчики, основанные на
пьезоэффекте. Вместо смещения обкладок конденсатора, в акселерометрах
такого типа происходит давление грузика на пьезокристалл. Основной
принцип тот же, что и в пьезозажигалках – под воздействием деформации
пьезоэлемент вырабатывает ток. Из значения напряжения, зная параметры
системы, можно найти силу, с которой грузик давит на кристалл – и,
соответственно, рассчитать искомое ускорение.
Основной принцип работы акселерометров на пьезоэлементах
Есть и более экзотический тип MEMS-акселерометров – термальные
датчики ускорения. В них в качестве основного объекта используется
горячий пузырек воздуха. При движении пузырек отклоняется от центра
системы, это отслеживается датчиками температуры. Чем дальше сместился
пузырек – тем больше величина ускорения.
Двухосный термальный акслерометр
Менее популярный в статьях и обсуждениях, но гораздо более массовый
тип MEMS-устройств – микроскопические микрофоны. Опять-таки, наиболее
распространенными системами этого типа являются те, которые основаны на
конденсаторном принципе.
Устроены они – проще некуда. Принципиально важных элементов в таком
микрофоне всего два: это гибкая обкладка – мембрана, и более толстая,
неподвижная обкладка. Под воздействием давления воздуха мембрана
смещается, изменяется емкость между обкладками – при постоянном заряде
изменяется напряжение. Эти данные пересчитываются в амплитуды и частоты
звуковой волны.
Чтобы минимизировать влияние давления воздуха на неподвижную
обкладку, эта обкладка перфорируется. Кроме того, под ней делается
сравнительно большая ниша с обязательным вентиляционным отверстием. Идея
в том, что единственным подвижным элементом в системе в идеале должна
быть мембрана – и только она.
микроэлектромеханический микрофон под микроскопом. Диаметр мембраны чуть больше половины миллиметра
Как и в случае с акселерометрами, здесь может быть использован
пьезоэффект - в этом случае под мембраной ставится пьезокристалл. Дальше
– как и в случае пьезоакселерометров: давление воздуха передается
мембраной на пьезоэлемент, под этим воздействием кристалл вырабатывает
ток. Напряжение измеряется и переводится в амплитуду и частоту звука.
Самый миниатюрный MEMS-микрофон компании Akustica
(площадь кристалла – 1 кв.мм) теряется рядом со своими более крупными
родственниками
То, что годится для звука, подходит и для измерения давления в иных
областях. Похожие на микрофоны MEMS-системы могут использоваться в
качестве датчиков давления. Несложно догадаться, что применение такие
сенсоры находят в уйме областей.
Но можно выделить одну область, которая является наиболее интересной и
наиболее специфичной для датчиков давления, основанных на
MEMS-технологии. Это медицина. Здесь размер действительно имеет
значение. Если в какой-нибудь трубопровод вполне можно встроить
«обычный», макроскопический датчик, то с кровеносным сосудом такой
фокус, очевидно, не получится. Тут нужны очень и очень компактные
решения.
Ультракомпактный и высокоточный датчики давления на
фоне одноцентовой монеты (по размеру она примерно эквивалентна нынешним
русским 50 копейкам)
Разумеется, в медицине востребованы не только датчики давления.
Существует множество микроскопических биодатчиков, измеряющих массу
разнообразных величин – от температуры до уровня глюкозы. Есть и более
неожиданные устройства, вроде микроскопических систем подачи лекарств.
И, разумеется, есть куча интереснейших прототипов, многие из которых в
принципе не имеют аналогов среди макроустройств.
Прототип щипцов для микрохирургии глаза. Размеры
головки щипцов – порядка 1,5х1,5 миллиметра. Толщина губ – несколько
десятков микрон. Человеческий волос этими щипцами подцепить не получится
– он для них слишком толстый
Что ж, разговор о MEMS-сенсорах мы на этом завершим. Впереди у нас
еще более интересная и захватывающая тема: MEMS-актуаторы. Печатающие
головки струйных принтеров, микрозеркальные матрицы, элементы
оптико-волоконных сетей и многое другое. Обещаем: скучно не будет! |