- MEMS Cihazları ve Uygulamaları
- MEMS İvmeölçerler
- MEMS Basınç sensörleri
- MEMS Mikrofon
- MEMS Manyetometre
- MEMS Jiroskop
MEMS, Mikro-Elektro-Mekanik Sistemler anlamına gelir ve hem elektronik bileşenlere hem de mekanik hareketli parçalara sahip mikrometre boyutundaki cihazları ifade eder. MEMS cihazları, aşağıdakilere sahip cihazlar olarak tanımlanabilir:
- Mikrometre cinsinden boyut (1 mikrometre ila 100 mikrometre)
- Sistemdeki akım akışı (Elektriksel)
- Ve içinde hareketli parçalar vardır (Mekanik)
Aşağıda bir MEMS cihazının Mekanik kısmının mikroskop altındaki görüntüsü bulunmaktadır. Bu harika görünmeyebilir, ancak dişlinin boyutunun, insan saçının yarısı büyüklüğünde 10 milimetre olduğunu biliyor musunuz? Dolayısıyla, bu tür karmaşık yapıların yalnızca birkaç milimetre çip boyutunda bir içine nasıl yerleştirildiğini bilmek oldukça ilginç.
MEMS Cihazları ve Uygulamaları
Bu teknoloji ilk olarak 1965'lerde tanıtıldı, ancak 1980 yılına kadar seri üretime başlanmadı. Şu anda çeşitli uygulamalarda aktif olan 100 milyarın üzerinde MEMS cihazı var ve bunlar cep telefonlarında, dizüstü bilgisayarlarda, GPS sistemlerinde, Otomobilde vb.
MEMS teknolojisi birçok elektronik bileşene dahil edilmiştir ve sayıları her geçen gün artmaktadır. Daha ucuz MEMS cihazları geliştirmedeki ilerlemeyle birlikte, gelecekte daha birçok uygulamayı devraldıklarını görebiliriz.
MEMS cihazları normal cihazlardan daha iyi performans gösterdiğinden, daha iyi performans gösteren bir teknoloji devreye girmedikçe MEMS tahtta kalacaktır. MEMS teknolojisinde en dikkate değer unsurlar, uygun şekilde transdüserler olarak sınıflandırılan mikro sensörler ve mikro aktüatörlerdir. Bu dönüştürücüler enerjiyi bir formdan diğerine dönüştürür. Mikro sensörler durumunda, cihaz tipik olarak ölçülen bir mekanik sinyali bir elektrik sinyaline dönüştürür ve bir mikro aktüatör bir elektrik sinyalini mekanik çıkışa dönüştürür.
MEMS teknolojisine dayalı birkaç tipik sensör aşağıda açıklanmıştır.
- İvmeölçerler
- Basınç sensörleri
- Mikrofon
- Manyetometre
- Jiroskop
MEMS İvmeölçerler
Tasarıma geçmeden önce, MEMS ivmeölçer tasarımında kullanılan çalışma prensibini tartışalım ve bunun için aşağıda gösterilen bir kütle-yay kurulumunu düşünelim.
Burada kapalı bir alanda iki yay ile bir kütle asılır ve kurulumun hareketsiz olduğu kabul edilir. Şimdi, eğer vücut aniden ileri doğru hareket etmeye başlarsa, vücutta asılı duran kütle, pozisyonunda bir yer değiştirmeye neden olan geriye doğru bir kuvvet yaşar. Ve bu yer değiştirme nedeniyle yaylar aşağıda gösterildiği gibi deforme olur.
Bu fenomen, araba, otobüs ve tren gibi hareket eden herhangi bir araçta otururken de bizim tarafımızdan deneyimlenmelidir, bu nedenle aynı fenomen ivmeölçerlerin tasarımında da kullanılır.
ancak kütle yerine yaylara tutturulmuş hareketli parça olarak iletken plakalar kullanacağız. Tüm kurulum aşağıda gösterildiği gibi olacaktır.
Diyagramda, üstteki hareketli plaka ile sabit bir plaka arasındaki kapasitansı ele alacağız:
C1 = e 0 A / d1
burada d 1 aralarındaki mesafedir.
Burada C1 kapasitans değerinin, plakayı hareket ettiren tepe ile sabit plaka arasındaki mesafe ile ters orantılı olduğunu görebiliriz.
Alt hareketli plaka ile sabit plaka arasındaki kapasite
C2 = e 0 A / d2
d 2 aralarındaki mesafedir
Burada C2 kapasitans değerinin hareketli alt plaka ile sabit plaka arasındaki mesafe ile ters orantılı olduğunu görebiliriz.
Gövde hareketsizken hem üst hem de alt plakalar sabit plakadan eşit uzaklıkta olacaktır, bu nedenle C1 kapasitansı C2 kapasitansına eşit olacaktır. Ancak vücut aniden ileri doğru hareket ederse, plakalar aşağıda gösterildiği gibi yer değiştirir.
Bu anda, üst plaka ile sabit plaka arasındaki mesafe azaldıkça C1 kapasitansı artar. Diğer taraftan alt plaka ile sabit plaka arasındaki mesafe arttıkça C2 kapasitansı azalır. Kapasitanstaki bu artış ve azalma, ana gövde üzerindeki ivmeyle doğrusal olarak orantılıdır, bu nedenle ivme ne kadar yüksek olursa değişim o kadar yüksek ve ivme o kadar düşüktür.
Bu değişken kapasitans, uygun akım veya voltaj okumasını elde etmek için bir RC osilatörüne veya başka bir devreye bağlanabilir. İstenilen voltaj veya akım değerini aldıktan sonra, bu verileri daha ileri analizler için kolayca kullanabiliriz.
Her ne kadar bu kurulum ivmeyi ölçmek için kullanılabilecek başarılı bir hantal ve pratik değildir. Ancak MEMS teknolojisini kullanırsak, tüm kurulumu birkaç mikrometre boyutuna küçültebiliriz ve bu da cihazı daha uygulanabilir hale getirir.
Yukarıdaki şekilde, bir MEMS ivmeölçerde kullanılan gerçek kurulumu görebilirsiniz. Burada, her iki yöndeki ivmeyi ölçmek için çoklu kapasitör plakaları hem yatay hem de dikey yönde düzenlenmiştir. Kapasitör plakası birkaç mikrometre boyutundadır ve tüm kurulum birkaç milimetreye kadar boyutlandırılacaktır, bu nedenle bu MEMS ivmeölçeri akıllı telefonlar gibi pille çalışan taşınabilir cihazlarda kolayca kullanabiliriz.
MEMS Basınç sensörleri
Hepimiz bir nesneye baskı uygulandığında kırılma noktasına gelene kadar gerileceğini biliyoruz. Bu gerilim, belirli bir sınıra kadar uygulanan basınçla doğru orantılıdır ve bu özellik, bir MEMS basınç sensörü tasarlamak için kullanılır. Aşağıdaki şekilde bir MEMS basınç sensörünün yapısal tasarımını görebilirsiniz.
Burada iki iletken levha bir cam gövde üzerine monte edilmiştir ve aralarında boşluk olacaktır. Bir iletken plaka sabittir ve diğer plaka basınç altında hareket etmek için esnektir. Şimdi, bir kapasitans ölçer alır ve iki çıkış terminali arasında bir okuma alırsanız, iki paralel plaka arasında bir kapasitans değeri gözlemleyebilirsiniz, bunun nedeni tüm kurulumun bir paralel plaka kondansatörü olarak işlev görmesidir. Paralel plaka kondansatörü gibi davrandığından, her zamanki gibi, tipik bir kondansatörün tüm özellikleri şimdi ona uygulanır. Dinlenme koşulu altında, iki plaka arasındaki kapasitansı C1 olarak adlandıralım.
şekilde gösterildiği gibi deforme olur ve alt tabakaya yaklaşır. Katmanlar yakınlaştığı için iki katman arasındaki kapasite artar. Yani mesafeler ne kadar yüksek olursa kapasitans düşer ve mesafe ne kadar düşük olursa kapasitans o kadar yüksek olur. Bu kapasitansı bir RC rezonatörüne bağlarsak, basıncı temsil eden frekans sinyalleri alabiliriz. Bu sinyal, daha fazla işleme ve veri işleme için bir mikro denetleyiciye verilebilir.
MEMS Mikrofon
MEMS mikrofonunun tasarımı basınç sensörüne benzer ve aşağıdaki şekil mikrofonun iç yapısını gösterir.
Kurulumun hareketsiz olduğunu ve bu koşullarda sabit plaka ile diyafram arasındaki kapasitansın C1 olduğunu düşünelim.
Ortamda gürültü varsa, ses cihaza bir girişten girer. Bu ses, diyaframın titreşmesine ve diyafram ile sabit plaka arasındaki mesafenin sürekli değişmesine neden olur. Bu da C1 kapasitansının sürekli olarak değişmesine neden olur. Bu değişen kapasitansı ilgili işleme çipine bağlarsak, değişen kapasitans için elektriksel çıktı elde edebiliriz. Değişen kapasitans ilk etapta doğrudan gürültü ile ilişkili olduğundan, bu elektrik sinyali, giriş sesinin dönüştürülmüş bir formu olarak kullanılabilir.
MEMS Manyetometre
MEMS manyetometre, dünyanın manyetik alanını ölçmek için kullanılır. Cihaz, Hall Etkisi veya Manyeto Direnç Etkisi temelinde yapılmıştır. MEMS manyetometrelerinin çoğu Hall Etkisi kullanır, bu nedenle bu yöntemin manyetik alan gücünü ölçmek için nasıl kullanıldığını tartışacağız. Bunun için iletken bir levha düşünelim ve şekilde gösterildiği gibi bir tarafın uçlarını bir bataryaya bağlayalım.
Burada, negatif terminalden pozitif terminale olan elektronların akış yönünü görebilirsiniz. Şimdi, bir mıknatıs iletkenin tepesine yaklaştırılırsa, iletkendeki elektronlar ve protonlar aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi dağıtılır.
Burada, pozitif yük taşıyan protonlar düzlemin bir tarafında toplanırken, negatif yük taşıyan elektronlar tam ters tarafta toplanır. Şu anda bir voltmetre alıp her iki ucunu da bağlarsak, o zaman bir okuma alacağız. Bu voltaj okuma V1, üstteki iletkenin deneyimlediği alan gücü ile orantılıdır. Akım ve manyetik alan uygulayarak voltaj üretiminin tam fenomenine Hall Etkisi denir.
Yukarıdaki modele dayalı olarak MEMS kullanılarak basit bir sistem tasarlanırsa, alan kuvvetini algılayan ve doğrusal orantılı elektrik çıkışı sağlayan bir dönüştürücü elde edeceğiz.
MEMS Jiroskop
MEMS jiroskop çok popülerdir ve birçok uygulamada kullanılmaktadır. Örneğin, MEMS jiroskopunu uçaklarda, GPS sistemlerinde, akıllı telefonlarda vb. Bulabiliriz. MEMS jiroskopu, Coriolis Etkisine dayalı olarak tasarlanmıştır. MEMS jiroskopunun çalışma prensibini ve çalışmasını anlamak için iç yapısına bakalım.
Burada S1, S2, S3 ve S4, dış halkayı ve ikinci halkayı bağlamak için kullanılan yaylardır. S5, S6, S7 ve S8, ikinci döngüyü ve 'M' kütlesini bağlamak için kullanılan yaylardır. Bu kütle, şekildeki yönlerde gösterildiği gibi y ekseni boyunca rezonansa girecektir. Ayrıca, bu rezonasyon etkisi genellikle MEMS cihazlarında elektrostatik çekim kuvveti kullanılarak elde edilir.
Dinlenme koşullarında, üst katmandaki veya alttaki herhangi iki plaka arasındaki kapasite aynı olacak ve bu plakalar arasında mesafe değişene kadar aynı kalacaktır.
Bu kurulumu dönen bir diske monte edersek, aşağıda gösterildiği gibi plakaların konumunda belirli bir değişiklik olacağını varsayalım.
Kurulum gösterildiği gibi dönen bir disk üzerine kurulduğunda, kurulum içinde rezonansa giren kütle, iç kurulumda yer değiştirmeye neden olan bir kuvvetle karşılaşacaktır. Bu yer değiştirmeden dolayı S1'den S4'e kadar dört yayın deforme olduğunu görebilirsiniz. Dönen bir diske aniden yerleştirildiğinde yankılanan kütlenin yaşadığı bu kuvvet, Coriolis Etkisi ile açıklanabilir.
Karmaşık ayrıntıları atlarsak, ani yön değişikliği nedeniyle iç katmanda yer değiştirme olduğu sonucuna varılabilir. Bu yer değiştirme aynı zamanda hem alt hem de üst katmanlardaki kapasitör plakaları arasındaki mesafenin değişmesine neden olur. Önceki örneklerde açıklandığı gibi, mesafedeki değişiklik kapasitansın değişmesine neden olur.
Ve bu parametreyi, cihazın yerleştirildiği diskin dönme hızını ölçmek için kullanabiliriz.
Diğer birçok MEMS cihazı, MEMS teknolojisi kullanılarak tasarlanmaktadır ve sayıları da her geçen gün artmaktadır. Ancak tüm bu cihazlar çalışma ve tasarımda belirli bir benzerlik taşırlar, bu nedenle yukarıda bahsedilen birkaç örneği anlayarak diğer benzer MEMS cihazlarının çalışmasını kolayca anlayabiliriz.