В статье приведены базовые характеристики и общие сферы применения технологии MEMS, которая внедрена в разнообразные высокоэффективные электронные приборы. Термин MEMS относится к технологии, которая позволила миниатюризировать механические структуры и интегрировать их в электронные схемы. В результате этого образовались устройства, которые было бы правильней назвать «системами», поскольку в них механические компоненты и электрические элементы работают совместно и решают общие задачи.
Таким образом, MEMS – это микроэлектрическая и микромеханическая система.
Механические компоненты и системы обычно считаются менее технологичными по сравнению с электрическими решениями, но это не значит, что механическая база всегда низкотехнологична. Механические реле, например, гораздо старше транзисторных сборок, которые выполняют идентичный функционал, однако реле до сих пор широко применяются.
Тем не менее, большинство механических устройств очень габаритны по сравнению с электронными. И даже в тех случаях, когда механический компонент является более простым и эффективным решением, чаще всего он будет заменен на электронный по причине экономии пространства печатной платы и минимизации габаритных размеров.
MEMS технология представляет концептуально новое решение этой дилемы: если модифицировать механические компоненты таким образом, что они станут не только миниатюрными, но и полностью сопоставимы с производственным процессом микросхем, получится компонент, объединяющий в себе преимущества обои технологий.
Миниатюрная MEMS структура производится методом физической модификации кремния (или другого материала подложки). Затем такие структуры объединяются с микросхемой и вся электромеханическая система корпусируется, представляя собой единой устройство.
MEMS устройства могут состоять из микромашинных структур, микродатчиков, микроэлектронных схем и микроактуаторов. Все они интегрированы на одном кристалле. Датчики позволят устройствам определить термические, механические, магнитные, электромагнитные или химические изменения, которые могут быть преобразованы электрической схемой в определенный сигнал, а актуаторы обеспечивают физические изменения, а не просто измеряют их.
Пример MEMS устройства
На фотографии показана физическая структура рычажного переключателя. Здесь изображены четыре ключа, каждый из которых имеет пять контактов (использование нескольких контактов позволяет уменьшить сопротивление канала в открытом состоянии), ключ срабатывания по подаче напряжения.
На рисунке показан MEMS ключ (справа) и драйвер управления (слева), корпусированные в QFN корпус. Схема драйвера позволяет стандартному цифровому устройству, такоу как микроконтроллер, эффективно контролировать ключ, поскольку он обеспечивает генерирование высоковольтного сигнала срабатывания.
Применение MEMS технологии
MEMS технология может быть интегрирована в самые разнообразные электронные компоненты. Применения этой технологии оправдано, если во главу угла поставлены простота реализации или производительность.
Сегодня MEMS компоненты встречаются в четырех товарных группах:
В сфере аудио приложений используются MEMS микрофоны и MEMS динамики. Базовые характеристики MEMS микрофонов показана на диаграмме.
Датчики – основная и доминантная сфера внедрения MEMS технологии. Сегодня на рынке представлены MEMS гироскопы, инклинометры, акселерометры, датчики потока, газа, давления и магнитного поля.
Применение MEMS технологии в электрически управляемых ключах является особенно интересным.
Например, ADGM1004 легко управляется, работает с сигналами частотой от 0 до 10 ГГц, имеет ток утечки менее 1 нА в нерабочем состоянии и обеспечивает число срабатываний от 1 млрд.раз.
Комбинирование MEMS резонатора со схемой возбуждения создает MEMS генератор. На диаграмме приведена схема MEMS генератора SiT2024B от SiTime. Такие компоненты могут стать правильным выбором в приложениях с высокими требованиями к рабочим характеристикам. Например, SiT2024B может значительно превосходить параметры кварцевого генератора.
