MEMS czyli najnowocześniejsze rozwiązania w elektronice użytkowej i przemysłowej. Technologia ta pozwala na tworzenie małych zintegrowanych urządzeń lub systemów, które powstały z połączenia elementów mechanicznych oraz elektrycznych. Elementy te są wytwarzane w bardzo małej skali od mikrometrów do kilku milimetrów. Dzięki nim potrafimy monitorować, uruchamiać i generować efektory w skali makro.

Technologia MEMS ma charakter interdyscyplinarny co tworzy z niej technologię strokate mechatroniczną. Łączy ona wiedzę projektową, inżynieryjną i produkcyjną w szerokim i zróżnicowanym zakresie obszarów technicznych. Najważniejsze technologie wykorzystywane podczas tworzenia układów MEMS są technologie wytwarzania obwodów scalonych, inżynierii mechanicznej, inżynierii materiałowej, elektrotechniki, chemii i inżynierii chemicznej, a także inżynierii płynów i optyki.

Złożoność samych układów MEMS jest widoczna w szerokiej gamie aplikacji. Stosuje się je między innymi w przemyśle automotive, medycynie, elektronice, komunikacji, kosmonautyce oraz obronie.

Najbardziej rozpoznawanymi układami MEMS w obecnych czasach to akcelerometry, pozwalające na kontrolowanie chociażby położenia naszych telefonów. Dzięki nim nasze ekrany obracają się wraz z naszym telefonem. Tworzy się z nich również: hipy projekcyjne, czujniki ciśnienia krwi, przełączniki optyczne, mikrozawory, biosensory, mikrofony i wiele innych produktów.

To właśnie technologia MEMS została okrzyknięta najbardziej rewolucyjną technologią XXI wiek. Ponieważ to dzięki niej mamy zrewolucjonizować produkcję przemysłową, konsumpcję jak i inne dziedziny nauki. A wszystko to łącząc w opartą na krzemie mikroelektronikę.

Mikro sensor wykonany w technologi MEMS

Pochodzenie i opis ogólny.

MEMS, akronim pochodzący ze Stanów Zjednoczonych, określany jest również jako Microsystems Technology (MST) w Europie i Micromachines w Japonii. Podczas gdy elektronika urządzenia jest wytwarzana za pomocą technologii IC, komponenty mikromechaniczne są wytwarzane przez zaawansowane manipulacje krzemem i innymi substratami za pomocą procesów mikroobróbki. Procesy takie jak mikroobróbka objętościowa i powierzchniowa, jak również mikroobróbka o wysokim współczynniku kształtu (HARM) selektywnie usuwa części krzemu lub dodaje dodatkowe warstwy strukturalne, tworząc elementy mechaniczne i elektromechaniczne. Podczas gdy układy scalone są zaprojektowane do wykorzystywania właściwości elektrycznych krzemu, MEMS wykorzystuje właściwości mechaniczne krzemu oraz jego właściwości elektryczne. W najbardziej ogólnej formie, MEMS składa się z mikrostruktur mechanicznych, mikroczujników, mikroprzetworników i mikroelektroniki, wszystkie zintegrowane na tym samym chipie krzemowym. Mikroczujniki wykrywają zmiany w środowisku systemu, mierząc informacje mechaniczne, akustyczne, termiczne, magnetyczne, chemiczne lub elektromagnetyczne. Mikroelektronika przetwarza te informacje i przekazuje na zewnątrz układu.

Urządzenia wytwarzane w tej technologii są bardzo małe, co powoduje że ich składniki są najczęściej o mikroskopijnej wielkości. Obecnie w technologii MEMS można wyprodukować dźwignie, koła zębate a także silniki. Jednam MEMS to nie tylko miniaturyzacja elementów mechanicznych. Ponieważ większość urządzeń to nawet nie są urządzenia mechaniczne. Technologia ta polega na integrowaniu elementów mechanicznych z elektronicznymi tak aby powstawały skomplikowane układy elektroniczne.

Historia.

Od wczesnej wizji we wczesnych latach pięćdziesiątych XX wieku MEMS stopniowo wychodzi z laboratoriów badawczych i trafia do codziennych produktów. Pierwsze komponenty na skalę komercyjną zaczęły się pojawiać dopiero w połowie lat 90. Były to między innymi akcelerometry wykorzystywane do sterowania poduszkami powietrznymi w autach.

Historia MEMS ilustruje różnorodności, wykonań i zastosowań. Poniższa lista przedstawia kamienie milowe MEMS:

1958 Pierwsze silikonowe mierniki tensometryczne dostępne w handlu.
1959 Richard Feynman ogłasza publiczne wyzwanie, oferując 1000 dolarów pierwszej osobie, która stworzy silnik elektryczny mniejszy niż 1/64 cala.
1961 Pierwszy krzemowy czujnik ciśnienia.
1967 Wynalezienie powierzchniowej mikroobróbki. Westinghouse tworzy tranzystor polowy (RGT).
1970 Zademonstrowano pierwszy akcelerometr krzemowy.
1979 Pierwsza mikromaszynowa dysza do druku atramentowego.
Początek lat 80 Pierwsze eksperymenty w krzemie z mikroobróbką.
1982 Jednorazowy przetwornik ciśnienia krwi.
1988 Pierwsza konferencja MEMS.
1992 Pierwszy zawias w mikromaszynach.
1993 Sprzedany pierwszy mikromaszynowy miernik prędkości (Analog Devices, ADXL50).
2000 Komponenty optyczno-sieciowe MEMS.

Czym jest akcelerometr?

Akcelerometr jest z zasady urządzeniem pojemnościowym lub piezorezystywnym, który składa się z zawieszonej masy, czyli płytki wahliwej. Kiedy przyśpieszenie zaczyna działać na masę płytki wyginają się co powoduje wykrycie przyśpieszenia.

Dzięki temu akcelerometry mogą być wykorzystywane nie tylko w przemyśle motoryzacyjnym chociażby w poduszkach powietrznych. Są one również wykorzystywane do: wykrywania trzęsień ziemi, wirtualnych gier wideo i Joysticków, rozruszników serc, dysków twardych o wysokiej wydajności i zbrojeniu. Oczywiście to nie wszystkie zastosowania tej technologii.

Czujnik ciśnienia.

Kolejnym przykładem zastosowania technologii MEMS jest jednorazowy czujnik ciśnienia, który jest używany do monitorowania ciśnienia krwi w szpitalach. Czujnik ten łączy się dożylnie z pacjentem i poprzez roztwór dożylny monitoruje się ciśnienie krwi. Wydawało by się że takie układy są strasznie drogie. Jednak jest to błędne myślenie, ponieważ poprzednie urządzenia wykorzystywane do tego działania kosztowały 600 USD za sztukę. Układy MEMS kosztują zaledwie 10 USD i nie trzeba ich sterylizować oraz ponownie kalibrować, tak jak jego poprzednika. Jednorazowy czujnik składa się z krzemowego podłoża, które jest wytrawiane w celu wytworzenia membrany i jest związane z podłożem. Warstwa piezorezystancyjna nakładana jest na powierzchnię membrany w pobliżu krawędzi w celu przekształcenia obciążenia mechanicznego w napięcie elektryczne. Ciśnienie odpowiada ugięciu membrany. Element pomiarowy jest zamontowany na plastikowej lub ceramicznej podstawie z plastikowym kapturkiem. Do oddzielania roztworu soli od elementu czujnikowego stosuje się żel. Podobnie jak w przypadku czujnika poduszki powietrznej MEMS, jednorazowy czujnik ciśnienia krwi przyczynił się do sukcesu MEMS.

Drukujesz dzięki MEMS

Jednym z najbardziej udanych zastosowań tej technologii jest głowica drukarki atramentowej. Drukarki atramentowe używają serii dysz do natryskiwania kropli tuszu bezpośrednio na papier. W zależności od rodzaju drukarki atramentowej krople atramentu są formowane na różne sposoby; termicznie lub piezoelektrycznie. Wynaleziona w 1979 r. Przez Hewlett-Packard technologia głowicy drukującej termicznej drukarki atramentowej MEMS wykorzystuje rozszerzalność cieplną par atramentu. Wewnątrz głowicy drukarki znajduje się szereg maleńkich rezystorów zwanych grzejnikami. Rezystory te można nagrzewać pod kontrolą mikroprocesora za pomocą impulsów elektronicznych o długości kilku milisekund. Atrament przepływa przez każdy rezystor, który po wypaleniu nagrzewa się odparowując atrament, tworząc pęcherzyk. Gdy bańka się rozszerza, część atramentu jest wypychana z dyszy w płytce dyszy, lądując na papierze i zestalając się niemal natychmiast. Gdy pęcherzyk zapadnie się, powstaje podciśnienie, które zasysa więcej atramentu do głowicy drukującej ze zbiornika we wkładzie. Warto zauważyć, że w tym systemie nie ma ruchomych części (poza samym atramentem), co świadczy o tym, że nie wszystkie urządzenia MEMS są mechaniczne.

Wytłaczanie przez dyszę może odbywać się za pomocą elementów piezoelektrycznych. Wtedy kryształ elektryczny znajduje się z tyłu zbiornika z tuszem na każdej dyszy. Kryształ piezoelektryczny odbiera bardzo mały ładunek elektryczny co prowadzi do wibracji, co powoduje wpłynięcie do dyszy niewielkiej ilości atramentu. Gdy wibracja się powtórzy atrament zostaje wessany z powrotem do zbiornika. Firma Epson opatentowała tę technologię, ale jest również używana przez większość wiodących firm drukarskich.

Przyszłość technologii MEMS

RF MEMS to jeden z najszybciej rozwijających się obszarów w komercyjnej technologii MEMS. RF MEMS są zaprojektowane specjalnie dla elektroniki w telefonach komórkowych i innych aplikacjach komunikacji bezprzewodowej, takich jak radary, globalne satelitarne systemy pozycjonujące (GPS) i sterowane anteny. MEMS umożliwił zwiększenie wydajności, niezawodności i funkcji tych urządzeń przy równoczesnym zmniejszeniu ich rozmiarów i kosztów.