- Thiết bị và ứng dụng MEMS
- Gia tốc kế MEMS
- MEMS Cảm biến áp suất
- MEMS Micrô
- MEMS Magnetometer
- Con quay hồi chuyển MEMS
MEMS là viết tắt của Micro-Electro-Mechanical Systems và nó dùng để chỉ các thiết bị có kích thước bằng micromet có cả bộ phận điện tử và bộ phận chuyển động cơ khí. Thiết bị MEMS có thể được định nghĩa là thiết bị có:
- Kích thước tính bằng micromet (1micromet đến 100micromet)
- Dòng điện trong hệ thống (Điện)
- Và có các bộ phận chuyển động bên trong nó (Cơ khí)
Dưới đây là hình ảnh của phần Cơ của thiết bị MEMS dưới kính hiển vi. Điều này có vẻ không đáng kinh ngạc nhưng bạn có biết rằng kích thước của bánh răng là một máy đo 10mic kế, có kích thước bằng một nửa sợi tóc của con người. Vì vậy, điều này khá thú vị khi biết làm thế nào những cấu trúc phức tạp như vậy được nhúng vào một con chip có kích thước chỉ vài mm.
Thiết bị và ứng dụng MEMS
Công nghệ này được giới thiệu lần đầu tiên vào những năm 1965 nhưng việc sản xuất hàng loạt vẫn chưa bắt đầu cho đến năm 1980. Hiện tại, có hơn 100 tỷ thiết bị MEMS hiện đang hoạt động trong các ứng dụng khác nhau và chúng có thể được nhìn thấy trong điện thoại di động, máy tính xách tay, hệ thống GPS, ô tô, v.v.
Công nghệ MEMS được tích hợp trong nhiều linh kiện điện tử và số lượng của chúng đang tăng lên từng ngày. Với sự tiến bộ trong việc phát triển các thiết bị MEMS rẻ hơn, chúng ta có thể thấy chúng tiếp quản nhiều ứng dụng hơn trong tương lai.
Khi các thiết bị MEMS hoạt động tốt hơn các thiết bị bình thường trừ khi một công nghệ hoạt động tốt hơn ra đời, MEMS sẽ tiếp tục lên ngôi. Trong công nghệ MEMS, các yếu tố đáng chú ý nhất là cảm biến vi mô và thiết bị truyền động vi mô được phân loại thích hợp làm đầu dò. Các đầu dò này chuyển đổi năng lượng từ dạng này sang dạng khác. Trong trường hợp cảm biến vi mô, thiết bị thường chuyển đổi tín hiệu cơ đo được thành tín hiệu điện và bộ vi cảm biến chuyển đổi tín hiệu điện thành đầu ra cơ học.
Dưới đây là một số cảm biến tiêu biểu dựa trên công nghệ MEMS.
- Gia tốc kế
- Cảm biến áp suất
- Cái mic cờ rô
- Từ kế
- Con quay hồi chuyển
Gia tốc kế MEMS
Trước khi đi vào thiết kế, chúng ta hãy thảo luận về nguyên lý hoạt động được sử dụng trong thiết kế gia tốc kế MEMS và hãy xem xét một lò xo khối lượng được thiết lập dưới đây.
Ở đây một khối lượng được treo với hai lò xo trong một không gian kín và thiết lập được coi là ở trạng thái nghỉ. Bây giờ nếu cơ thể đột nhiên bắt đầu di chuyển về phía trước thì khối lượng lơ lửng trong cơ thể sẽ chịu một lực quay ngược lại gây ra sự dịch chuyển vị trí của nó. Và do sự dịch chuyển này mà lò xo bị biến dạng như hình bên dưới.
Hiện tượng này chúng ta cũng phải trải qua khi ngồi trên bất kỳ phương tiện đang chuyển động nào như ô tô, xe buýt, tàu hỏa,… vì vậy hiện tượng tương tự cũng được sử dụng trong việc thiết kế gia tốc kế.
nhưng thay vì khối lượng, chúng ta sẽ sử dụng các tấm dẫn điện như một bộ phận chuyển động gắn vào lò xo. Toàn bộ thiết lập sẽ như hình dưới đây.
Trong sơ đồ, chúng ta sẽ xem xét điện dung giữa tấm chuyển động trên cùng và một tấm cố định:
C1 = e 0 A / d1
trong đó d 1 là khoảng cách giữa chúng.
Ở đây chúng ta có thể thấy rằng giá trị điện dung C1 tỷ lệ nghịch với khoảng cách giữa tấm di chuyển đỉnh và tấm cố định.
Điện dung giữa tấm chuyển động dưới cùng và tấm cố định
C2 = e 0 A / d2
trong đó d 2 là khoảng cách giữa chúng
Ở đây chúng ta có thể thấy rằng giá trị điện dung C2 tỷ lệ nghịch với khoảng cách giữa tấm chuyển động đáy và tấm cố định.
Khi cơ thể ở trạng thái nghỉ cả bản trên và bản dưới sẽ cách bản cố định một khoảng bằng nhau nên điện dung C1 sẽ bằng điện dung C2. Nhưng nếu cơ thể đột ngột di chuyển về phía trước thì các tấm sẽ bị dịch chuyển như hình dưới đây.
Lúc này điện dung C1 tăng lên khi khoảng cách giữa bản trên và tấm cố định giảm. Mặt khác, điện dung C2 giảm khi khoảng cách giữa tấm đáy và tấm cố định tăng lên. Sự tăng và giảm điện dung này tỷ lệ tuyến tính với gia tốc trên thân chính vì vậy càng cao thì gia tốc càng cao thì sự thay đổi càng cao và càng thấp thì gia tốc càng ít thay đổi.
Điện dung thay đổi này có thể được kết nối với một bộ dao động RC hoặc một mạch khác để có được dòng điện hoặc điện áp thích hợp. Sau khi nhận được giá trị điện áp hoặc dòng điện mong muốn, chúng ta có thể sử dụng dữ liệu đó để phân tích thêm một cách dễ dàng.
Mặc dù thiết lập này có thể được sử dụng để đo gia tốc thành công, nó cồng kềnh và không thực tế. Nhưng nếu chúng tôi sử dụng công nghệ MEMS, chúng tôi có thể thu nhỏ toàn bộ thiết lập xuống kích thước vài micromet để thiết bị có thể áp dụng hơn.
Trong hình trên, bạn có thể thấy thiết lập thực tế được sử dụng trong gia tốc kế MEMS. Ở đây, nhiều bản tụ điện được tổ chức theo cả hướng ngang và dọc để đo gia tốc theo cả hai hướng. Bản tụ điện có kích thước đến vài micromet và toàn bộ thiết lập sẽ có kích thước lên đến vài milimet, vì vậy chúng tôi có thể sử dụng gia tốc kế MEMS này trong các thiết bị di động chạy bằng pin như điện thoại thông minh một cách dễ dàng.
MEMS Cảm biến áp suất
Chúng ta đều biết rằng khi áp lực lên một vật thể, nó sẽ căng thẳng cho đến khi nó đạt đến điểm đứt. Biến dạng này tỷ lệ thuận với áp suất đặt cho đến một giới hạn nhất định và đặc tính này được sử dụng để thiết kế cảm biến áp suất MEMS. Trong hình dưới đây, bạn có thể thấy thiết kế cấu trúc của cảm biến áp suất MEMS.
Tại đây hai tấm dẫn điện được gắn trên một thân thủy tinh và giữa chúng sẽ có một khoảng chân không. Một tấm dẫn được cố định và tấm còn lại có thể di chuyển linh hoạt dưới áp lực. Bây giờ nếu bạn lấy một máy đo điện dung và đọc giữa hai cực đầu ra thì bạn có thể quan sát giá trị điện dung giữa hai bản song song, điều này là do toàn bộ thiết lập hoạt động như một tụ điện bản song song. Vì nó hoạt động như một tụ điện bản song song nên như thường lệ, tất cả các đặc tính của một tụ điện điển hình hiện nay đều áp dụng cho nó. Trong điều kiện còn lại, hãy gọi điện dung giữa hai bản là C1.
nó sẽ biến dạng và di chuyển đến gần lớp dưới cùng như trong hình. Vì các lớp gần nhau, điện dung giữa hai lớp tăng lên. Vì vậy, khoảng cách cao hơn sẽ làm giảm điện dung và giảm khoảng cách càng cao thì điện dung càng cao. Nếu chúng ta kết nối điện dung này với một bộ cộng hưởng RC thì chúng ta có thể nhận được tín hiệu tần số đại diện cho áp suất. Tín hiệu này có thể được đưa cho một bộ vi điều khiển để xử lý và xử lý dữ liệu tiếp theo.
MEMS Micrô
Thiết kế của micrô MEMS tương tự như cảm biến áp suất và hình bên dưới mô tả cấu trúc bên trong micrô.
Chúng ta hãy coi thiết lập là ở trạng thái nghỉ và trong những điều kiện đó, điện dung giữa tấm cố định và màng ngăn là C1.
Nếu có tiếng ồn trong môi trường thì âm thanh sẽ đi vào thiết bị thông qua một đầu vào. Âm thanh này làm cho màng ngăn rung động làm cho khoảng cách giữa màng ngăn và tấm cố định thay đổi liên tục. Điều này làm cho điện dung C1 thay đổi liên tục. Nếu chúng ta kết nối điện dung thay đổi này với chip xử lý tương ứng, chúng ta có thể nhận được đầu ra điện cho điện dung thay đổi. Bởi vì điện dung thay đổi ngay từ đầu liên quan trực tiếp đến tiếng ồn, tín hiệu điện này có thể được sử dụng như một dạng chuyển đổi của âm thanh đầu vào.
MEMS Magnetometer
Từ kế MEMS được sử dụng để đo từ trường của trái đất. Thiết bị được chế tạo dựa trên Hiệu ứng Hall hoặc Hiệu ứng Điện trở Magneto. Hầu hết các từ kế MEMS sử dụng Hiệu ứng Hall, vì vậy chúng ta sẽ thảo luận về cách sử dụng phương pháp này để đo cường độ từ trường. Để làm được điều đó, chúng ta hãy xem xét một tấm dẫn điện và có các đầu của một phía được nối với pin như trong hình.
Ở đây bạn có thể thấy hướng di chuyển của các electron, đó là hướng từ cực âm đến cực dương. Bây giờ nếu một nam châm được đưa đến gần đầu của vật dẫn thì các electron và proton trong vật dẫn sẽ được phân bố như thể hiện trong hình dưới đây.
Ở đây các proton mang điện tích dương tập trung ở một phía của mặt phẳng trong khi các điện tử mang điện tích âm tập trung ở phía hoàn toàn ngược lại. Tại thời điểm này nếu chúng ta lấy một vôn kế và nối ở hai đầu thì chúng ta sẽ nhận được số đọc. Số đọc điện áp V1 này tỷ lệ với cường độ trường mà vật dẫn trên cùng phải chịu. Hiện tượng hoàn toàn tạo ra điện áp bằng cách tạo ra dòng điện và từ trường được gọi là Hiệu ứng Hall.
Nếu một hệ thống đơn giản được thiết kế bằng cách sử dụng MEMS, dựa trên mô hình trên thì chúng ta sẽ nhận được một bộ chuyển đổi cảm nhận cường độ trường và cung cấp đầu ra điện tỷ lệ tuyến tính.
Con quay hồi chuyển MEMS
Con quay hồi chuyển MEMS rất phổ biến và được sử dụng trong nhiều ứng dụng. Ví dụ, chúng ta có thể tìm thấy con quay hồi chuyển MEMS trong máy bay, hệ thống GPS, điện thoại thông minh,… Con quay hồi chuyển MEMS được thiết kế dựa trên Hiệu ứng Coriolis. Để hiểu nguyên lý và hoạt động của con quay hồi chuyển MEMS, chúng ta hãy xem xét cấu tạo bên trong của nó.
Ở đây S1, S2, S3 & S4 là các lò xo được sử dụng để kết nối vòng ngoài và vòng thứ hai. Trong khi S5, S6, S7 & S8 là lò xo được sử dụng để kết nối vòng lặp thứ hai và khối lượng 'M'. Khối lượng này sẽ cộng hưởng dọc theo trục y như được chỉ ra bởi các hướng trong hình. Ngoài ra, hiệu ứng cộng hưởng này thường đạt được bằng cách sử dụng lực hút tĩnh điện trong các thiết bị MEMS.
Trong điều kiện nghỉ, điện dung giữa hai tấm bất kỳ ở lớp trên cùng hoặc dưới cùng sẽ giống nhau, và nó sẽ giữ nguyên cho đến khi có sự thay đổi về khoảng cách giữa các tấm này.
Giả sử nếu chúng ta gắn thiết lập này vào một đĩa quay thì vị trí các đĩa sẽ có sự thay đổi nhất định như hình bên dưới.
Khi thiết lập được cài đặt trên một đĩa quay như được hiển thị, thì khối lượng cộng hưởng bên trong thiết lập sẽ chịu một lực gây ra sự dịch chuyển trong thiết lập bên trong. Bạn có thể thấy tất cả bốn lò xo từ S1 đến S4 đều bị biến dạng vì sự dịch chuyển này. Lực này chịu bởi khối lượng cộng hưởng khi đặt đột ngột lên một đĩa quay có thể được giải thích bằng Hiệu ứng Coriolis.
Nếu chúng ta bỏ qua các chi tiết phức tạp, thì có thể kết luận rằng do sự thay đổi hướng đột ngột nên có sự dịch chuyển xuất hiện ở lớp bên trong. Sự dịch chuyển này cũng làm cho khoảng cách giữa các bản tụ điện ở cả lớp đáy và lớp trên cùng thay đổi. Như đã giải thích trong các ví dụ trước, sự thay đổi về khoảng cách làm cho điện dung thay đổi.
Và chúng ta có thể sử dụng thông số này để đo tốc độ quay của đĩa mà thiết bị được đặt trên đó.
Nhiều thiết bị MEMS khác được thiết kế bằng công nghệ MEMS và số lượng của chúng cũng đang tăng lên mỗi ngày. Nhưng tất cả các thiết bị này đều có sự tương đồng nhất định trong hoạt động và thiết kế, vì vậy bằng cách hiểu một vài ví dụ được đề cập ở trên, chúng ta có thể dễ dàng hiểu hoạt động của các thiết bị MEMS tương tự khác.