توضیح عمیق فناوری MEMS و کاربردهای آن

دستگاه های MEMS و کاربردهای آنها چیست؟

دستگاه های MEMS (سیستم های میکرو الکترومکانیکی) عمدتاً در صنایع خودروسازی و الکترونیک مصرفی استفاده می شوند. در آینده، انتظار می رود که آنها در بازارهای پزشکی، صنعتی و هوافضا نیز رواج بیشتری پیدا کنند. MEMS دقیقا چیست؟ چه ویژگی هایی دارد؟ چه چالش هایی در طراحی و ساخت دستگاه های MEMS وجود دارد؟ این مقاله به این سوالات پاسخ خواهد داد.

MEMS چیست؟

سیستم‌های میکرو الکترومکانیکی (MEMS) که با نام‌های میکروسیستم در اروپا یا میکرو ماشین‌آلات در ژاپن نیز شناخته می‌شوند، دسته‌ای از دستگاه‌ها هستند که با اندازه کوچک و فرآیند تولید منحصربه‌فردشان مشخص می‌شوند. طول مشخصه دستگاه های MEMS از 1 میلی متر تا 1 میکرومتر متغیر است - 1 میکرومتر بسیار کوچکتر از قطر موی انسان است.

MEMS اغلب از نمونه های میکروسکوپی برای قطعات و ابزارهای مکانیکی رایج استفاده می کند. اینها ممکن است شامل کانال ها، سوراخ ها، کنسول ها، غشاها، حفره ها و سایر ساختارها باشد. با این حال، تولید MEMS ماهیت مکانیکی ندارد. در عوض، دستگاه‌های MEMS با استفاده از فناوری‌های ساخت میکرو پردازش دسته‌ای مشابه آنچه در مدارهای مجتمع (IC) استفاده می‌شود، تولید می‌شوند.

امروزه بسیاری از محصولات از فناوری MEMS از جمله مبدل های حرارتی میکرو، هدهای چاپ جوهرافشان، آرایه های میکرو آینه برای پروژکتورهای با وضوح بالا، سنسورهای فشار و آشکارسازهای مادون قرمز استفاده می کنند.

چرا به MEMS نیاز داریم؟

«آنها به من در مورد یک موتور کوچک به اندازه یک ناخن گفتند. به من گفتند دستگاهی در بازار هست که از طریق آن می توان روی نوک سنجاق نوشت. اما این چیزی نیست - این کوچکترین قدم در مسیری است که می خواهم مکث کنم. در زیر این جهان به طرز شگفت انگیزی کوچک است. وقتی آنها به سال 2000 نگاه می کنند، تعجب خواهند کرد که چرا تا سال 1960 طول کشید تا کسی به طور جدی کار در این مسیر را آغاز کند.
- ریچارد فاینمن، "در پایین اتاق زیادی وجود دارد"، ارائه شده در نشست انجمن فیزیک آمریکا در Caltech، 29 دسامبر 1959.

ریچارد فاینمن در سخنرانی معروف خود، «در پایین، فضای زیادی وجود دارد» توضیح داد که چگونه می‌توانیم کل دایره‌المعارف بریتانیکا را روی نوک سوزن بنویسیم. اما ممکن است بپرسیم: چرا باید این اشیاء را در چنین مقیاس کوچکی ایجاد کنیم؟

دستگاه های MEMS می توانند بسیاری از وظایف مشابه دستگاه های بزرگتر خود را انجام دهند و در عین حال چندین مزیت منحصر به فرد را ارائه دهند. واضح ترین آنها کوچک سازی است. همانطور که قبلا ذکر شد، دستگاه‌های MEMS به اندازه‌ای کوچک هستند که با استفاده از فرآیندهای تولید دسته‌ای مشابه آن‌هایی که در صنعت مدارهای مجتمع استفاده می‌شوند، به‌طور انبوه تولید شوند. این تولید انبوه به طور قابل توجهی هزینه تولید در مقیاس بزرگ را کاهش می دهد. علاوه بر این، دستگاه‌های MEMS معمولاً به مقادیر بسیار کمی از مواد برای ساخت نیاز دارند که هزینه‌ها را بیشتر کاهش می‌دهد.

علاوه بر مقرون به صرفه تر بودن، دستگاه های MEMS می توانند در مناطقی که جایگزین های بزرگتر نمی توانند استفاده شوند. برای مثال، در گوشی‌های هوشمند، دوربین‌ها، واحدهای کنترل کیسه هوا یا دستگاه‌های فشرده مشابه، طراحی شتاب‌سنج با استفاده از توپ‌ها و فنرهای فلزی سنتی غیرممکن است. با این حال، با کوچک کردن مقیاس به چندین مرتبه بزرگی، دستگاه‌های MEMS می‌توانند در برنامه‌هایی استفاده شوند که سنسورهای سنتی مناسب نیستند.

یکی دیگر از مزایای فناوری MEMS سهولت یکپارچه سازی آن است. از آنجایی که MEMS از فرآیندهای تولیدی مشابه فرآیندهای مورد استفاده برای ASIC (مدارهای مجتمع ویژه برنامه کاربردی) استفاده می کند، ساختارهای MEMS را می توان به راحتی با میکروالکترونیک ادغام کرد. در حالی که ادغام MEMS با ساختارهای CMOS (مکمل فلز-اکسید-نیمه هادی) در یک دستگاه واقعاً یکپارچه چالش برانگیز است، اما به طور فزاینده ای در حال تحقق است. بسیاری از تولید کنندگان از روش های ترکیبی برای ایجاد محصولات MEMS مقرون به صرفه و موفق تجاری استفاده می کنند.

نمونه ای از این دستگاه میکروآینه دیجیتال تگزاس اینسترومنتز (DMD) است که هسته اصلی فناوری DLP® (پردازش نور دیجیتال) آنها است و به طور گسترده در پروژکتورهای تجاری و آموزشی و سینماهای دیجیتال استفاده می شود. هر میکروآینه 16 میکرومتری توسط اختلاف پتانسیل بین آن و واحد ذخیره سازی CMOS زیرین خود به صورت الکترواستاتیک فعال می شود. تصاویر در مقیاس خاکستری با حالت روشن/خاموش آینه ها ایجاد می شوند و رنگ از طریق یک سیستم سه تراشه (یکی برای هر رنگ اصلی) یا یک سیستم تک تراشه با چرخ رنگ یا منبع نور LED RGB اضافه می شود.

شاید یکی از جذاب ترین ویژگی های فناوری MEMS این باشد که چگونه طراحان می توانند از فیزیک منحصر به فرد چنین مقیاس های کوچکی استفاده کنند. این موضوع بعداً بیشتر مورد بررسی قرار خواهد گرفت.

کاربردهای MEMS

به دلایل مختلف، بسیاری از محصولات MEMS به موفقیت تجاری قابل توجهی دست یافته اند و دستگاه های متعددی اکنون به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرند. صنعت خودرو یکی از محرک های اصلی فناوری MEMS است. به عنوان مثال، ژیروسکوپ های ساختار لرزشی مبتنی بر MEMS، یک دستگاه جدید و مقرون به صرفه، در حال حاضر در سیستم های ترمز ضد قفل یا سیستم های کنترل پایداری الکترونیکی استفاده می شود. شتاب‌سنج‌ها، ژیروسکوپ‌ها و حسگرهای شیب‌سنج سری SCX موراتا، و همچنین آن‌هایی که این عملکردها را در یک تراشه واحد ادغام می‌کنند، از کاربردهای خودرویی با دقت بالا پشتیبانی می‌کنند. سنسورهای کیسه هوا مبتنی بر MEMS تقریباً از دهه 1990 جایگزین سنسورهای برخورد مکانیکی در تقریباً همه خودروها شده اند. شکل 2 یک شتاب سنج MEMS ساده شده را نشان می دهد، مشابه آنهایی که در سنسورهای برخورد استفاده می شود. یک کنسول با یک بلوک جرمی متصل به یک یا چند نقطه ثابت مانند فنر عمل می کند. هنگامی که سنسور در امتداد محور پرتو شتاب می گیرد، پرتو یک فاصله معین را حرکت می دهد که می تواند از طریق تغییر در ظرفیت بین "دندان" پرتو و یک هادی ثابت خارجی اندازه گیری شود.

بسیاری از چاپگرهای جوهرافشان تجاری و صنعتی از هدهای چاپ مبتنی بر MEMS استفاده می کنند که قطرات جوهر را ذخیره می کند و در صورت نیاز دقیقاً آنها را پخش می کند - این فناوری به عنوان drop-on-demand (DoD) شناخته می شود. قطرات جوهر روی مواد پیزوالکتریک (مانند سرب زیرکونات تیتانات) قرار می‌گیرند و ولتاژی برای فشردن جوهر اعمال می‌شود. این باعث افزایش فشار در محفظه جوهر هد چاپ می شود و مقدار کمی جوهر را از نازل خارج می کند.

در همین حال، برخی از فناوری‌های MEMS تازه شروع به ورود به بازار در مقیاس بزرگ کرده‌اند. رله‌های میکرومکانیکی (MMR) مانند رله‌های توسعه یافته توسط Omron، سریع‌تر، کارآمدتر و دارای سطوح بی‌سابقه‌ای از یکپارچگی هستند. Omron از تخصص خود در زمینه MEMS استفاده کرده است تا سنسورهای دمایی جدیدی را به بازار عرضه کند: سنسور دمای غیر تماسی MEMS D6T. سنسور D6T MEMS یک عنصر ASIC و thermopile را در یک سنسور دمای غیر تماسی جمع و جور با ابعاد 18×14×8.8 میلی متر (برای نوع عنصر 4×4) ادغام می کند.

طراحی و ساخت MEMS

جالب است که ماشین های کوچک با چه مشکلاتی مواجه می شوند. اولاً، اگر فشارها در قسمت‌های مختلف ثابت بماند، با کوچک شدن ناحیه، نیرو کاهش می‌یابد، بنابراین وزن و اینرسی ناچیز می‌شوند. به عبارت دیگر استحکام مواد اهمیت بیشتری پیدا می کند. به عنوان مثال، همانطور که اندازه را کاهش می دهیم، مگر اینکه سرعت چرخش به طور متناسب افزایش یابد، نیروی گریز از مرکز ناشی از چرخ طیار باید همان نسبت فشار و انبساط را حفظ کند.
- ریچارد فاینمن، "در پایین فضای زیادی وجود دارد"

مقیاس بندی و کوچک سازی

مقدمه ای بر طراحی و ساخت MEMS اغلب با بررسی مقیاس بندی و کوچک سازی آغاز می شود. برای مثال، اگر بپرسیم چرا نمی‌توانیم به سادگی یک کمپرسور هوا یا پنکه سقفی را کوچک کنیم، پاسخ در قوانین فشرده‌سازی نهفته است. یک پنکه به اندازه کک 1,000 برابر اندازه معمولی خود متفاوت از پنکه عمل می کند زیرا نیروهای درگیر تغییر می کنند. ضریب مقیاس، S، به ما کمک می کند تا بفهمیم در چنین حالتی چه اتفاقی می افتد.

مستطیلی را در نظر بگیرید که مساحتی برابر با حاصلضرب طول و عرض آن دارد. اگر مستطیل با ضریب 100 کوچک شود (یعنی طول و عرض هر دو بر 100 تقسیم شوند)، مساحت آن با ضریب (1/100)^2 = 1/10,000 کوچک می شود. بنابراین، ضریب مقیاس برای منطقه SXNUMX است. به طور مشابه، ضریب پوسته پوسته شدن برای حجم S³ است - به این معنی که با کوچک شدن مقیاس، تأثیر حجم بسیار بیشتر از تأثیر مساحت سطح می شود.

در یک مقیاس معین، با در نظر گرفتن دقیق عوامل مقیاس نیروهای مختلف می توان مرتبط ترین پدیده های فیزیکی را آشکار کرد. مقیاس کشش سطحی با S1، فشار و نیروهای الکترواستاتیک با S2، نیروهای مغناطیسی با S3، و گرانش با S4. این توضیح می دهد که چرا یک راهرو آب می تواند روی آب راه برود، و چرا عملکرد بلبرینگ های توپ با عملکرد یک سیستم ستاره ای دوتایی متفاوت است. در حالی که مدل‌های کامل ریاضی برای هر طراحی لازم است، عوامل مقیاس‌بندی ما را در طراحی دستگاه‌هایی با اندازه MEMS راهنمایی می‌کنند.

مدل سازی زیر سیستم

از آنجایی که دستگاه های زیر میلی متری اغلب غیر قابل درک هستند، مدل سازی در طراحی MEMS ضروری است. به طور کلی، یک سیستم کامل MEMS بسیار پیچیده است که نمی توان آن را به عنوان یک کل مدل کرد، بنابراین سیستم معمولاً به زیرسیستم های متعدد تقسیم می شود.

یکی از رویکردهای مدل‌سازی زیرسیستم، طبقه‌بندی بر اساس عملکرد، مانند حسگرها، محرک‌ها، اجزای میکروالکترونیکی و ساختارهای مکانیکی است. مدل‌سازی عناصر توده‌ای از این رویکرد پیروی می‌کند و بخش‌های فیزیکی سیستم را به عنوان اجزای مجزای ایده‌آل نشان می‌دهد. مدارهای الکتریکی نیز به همین روش با استفاده از مقاومت‌ها، خازن‌ها، دیودها و عناصر پیچیده مختلف مدل‌سازی می‌شوند. در بسیاری از موارد، مهندسان برق مدل سازی مدار را با استفاده از قوانین کیرشهوف به جای معادلات ماکسول ساده می کنند.

مشابه الکترونیک، سیستم ها را می توان به صورت انتزاعی با استفاده از نمودارهای بلوکی مدل سازی کرد. در این سطح، خصوصیات فیزیکی هر جزء کنار گذاشته شده و تنها از توابع انتقال برای توصیف سیستم استفاده می شود. این نوع مدل MEMS بیشتر برای تئوری کنترل مناسب است، ابزاری حیاتی برای طراحی با کارایی بالا.

یکپارچه سازی طراحی

در حالی که طراحی استاندارد آی سی معمولاً از یک سری مراحل پیروی می کند، طراحی MEMS متفاوت است. طراحی، چیدمان، مواد و بسته بندی ذاتاً در هم تنیده شده اند. در نتیجه، طراحان MEMS باید در حصول اطمینان از اینکه یک سیستم کامل به خوبی کار می کند، از مقیاس خرد تا دستگاه تمام شده، ماهر باشند.

طراحی MEMS اغلب شامل ترکیبی از مهندسان مکانیک و برق است. این تیم متقابل رشته ای به این کار مانند یک سیستم یکپارچه نزدیک می شود که شامل جفت شدن زیرسیستم های مکانیکی، الکتریکی، حرارتی، نوری، سیال و بیولوژیکی است. بنابراین، طراحی MEMS گاهی اوقات به عنوان یک چالش یکپارچه سازی سیستم به جای یک چالش مکانیکی یا الکترونیکی دیده می شود.

نتیجه

فناوری MEMS با ارائه راه حل های کوچک و مقرون به صرفه برای کاربردهای مختلف، بسیاری از صنایع را متحول کرده است. از حسگرها و محرک‌ها گرفته تا دوربین‌های مبتنی بر MEMS، این دستگاه‌ها نوآوری را در خودرو، الکترونیک، مراقبت‌های بهداشتی و فراتر از آن امکان‌پذیر می‌کنند. همانطور که فناوری MEMS به پیشرفت خود ادامه می دهد، می توانیم انتظار پیشرفت های بیشتری در طراحی، کارایی و عملکرد در سراسر صنایع داشته باشیم.