MEMS (micro-electromechanical system) to miniaturowa maszyna, która posiada zarówno elementy mechaniczne jak i elektroniczne. Fizyczne wymiary MEMS mogą wynosić od kilku milimetrów do mniej niż jednego mikrometra, co jest wymiarem wielokrotnie mniejszym niż szerokość ludzkiego włosa.
Nazwa MEMS jest używana do opisania zarówno kategorii urządzeń mikromechatronicznych, jak i procesów stosowanych przy ich produkcji. Niektóre urządzenia MEMS nie mają nawet części mechanicznych, a mimo to są klasyfikowane jako MEMS, ponieważ miniaturyzują struktury stosowane w konwencjonalnych maszynach, takie jak sprężyny, kanały, wgłębienia, otwory i membrany. Ponieważ niektóre urządzenia MEMS przekształcają mierzony sygnał mechaniczny w sygnał elektryczny lub optyczny, mogą być również określane mianem przetworników. W Japonii, MEMS są bardziej znane jako mikromaszyny, a w krajach europejskich, MEMS są bardziej powszechnie określane jako technologia mikrosystemów (MST).
Jak zbudowane są MEMS
MEMS składają się z części takich jak mikroczujniki, mikroprocesory, mikroaktuatory, jednostki do przetwarzania danych i części, które mogą oddziaływać z elementami zewnętrznymi.
W przeciwieństwie do konwencjonalnych urządzeń mechatronicznych, układy MEMS są często wytwarzane przy użyciu tych samych technik produkcji seryjnej, które są stosowane do tworzenia układów scalonych (IC), a wiele komercyjnych produktów MEMS jest zintegrowanych i pakowanych razem z układami scalonymi. Wytwarzanie MEMS pozwala na zintegrowanie na tym samym podłożu mikroczujników, które zbierają dane, i mikrosiłowników, które przekształcają energię w ruch.
Mimo że koszt produkcji MEMS jest niski w przeliczeniu na jedno urządzenie, pakowanie może stanowić wyzwanie. Każdy układ MEMS musi być opakowany w taki sposób, aby obwody elektryczne i optyczne oraz inne elementy urządzenia były wolne od zanieczyszczeń powietrza i wody, a jednocześnie mogły oddziaływać z otoczeniem i umożliwiać ruch.
Przykłady MEMS
Mały układ na chipie (SOC), który automatycznie reguluje orientację ekranu w smartfonie, jest przykładem układu MEMS, z którym wiele osób ma do czynienia każdego dnia. Ponieważ MEMS stają się coraz mniejsze, wymagają mniej energii i są tańsze w produkcji, oczekuje się, że odegrają ważną rolę w bezprzewodowym internecie rzeczy (IoT) i automatyce domowej.
Inne komercyjne zastosowania MEMS obejmują:
- Sensorowe systemy ogrzewania i chłodzenia dla systemów zarządzania budynkami.
- Mikro-mirror arrays for high definition projection systems.
- Micro dust for the detection of environmental changes in molecular manufacturing (nanotechnology) clean rooms.
- Mikro dysze do kontroli przepływu atramentu w drukarkach atramentowych.
- Małe żyroskopy, barometry, akcelerometry i mikrofony do obsługi aplikacji mobilnych.
- Rozłączne czujniki ciśnienia do stosowania w służbie zdrowia.
- Optyczne urządzenia przełączające, które pozwalają jednemu sygnałowi optycznemu kontrolować inny sygnał optyczny.
Poniżej MEMS jest jednorazową, noszoną pompą insulinową do zarządzania cukrzycą, zaprojektowaną przez Debiotech i STMicroelectronics. Według Debiotech, chip jest stosem 3 połączonych ze sobą warstw: płytki SOI (Silicon on Insulator) z mikroobrobionymi strukturami pompy oraz dwóch silikonowych płytek pokrywających z otworami przelotowymi. Siłownik piezoelektryczny na chipie porusza membraną w ruchu posuwisto-zwrotnym, aby skompresować i zdekompresować płyn w komorze pompującej.
Historia MEMS
Pomysł stworzenia MEMS pojawił się w latach 80-tych; jednak środki do produkcji MEMS (infrastruktura projektowa i produkcyjna) nie były dostępne aż do lat 90-tych. Jednymi z pierwszych kilku rodzajów wyprodukowanych MEMS były kontrolery poduszek powietrznych i głowice do drukarek atramentowych. Pod koniec lat 90. wyprodukowano projektor wykorzystujący mikrolusterka (które wykorzystują MEMES). Znaczna część pierwotnego wsparcia dla MEMS pochodziła z Defense Advanced Research Projects Agency Research and Development Electronics Technology Office.
Z czasem mikroczujniki zaczęto stosować w wielu rodzajach czujników, w tym czujnikach temperatury, ciśnienia, pola magnetycznego i promieniowania. W wielu przypadkach czujniki wykorzystujące MEMS były znacznie bardziej wydajne w porównaniu z większymi odpowiednikami.
Dzisiaj większość ludzi codziennie styka się z MEMS. Każdy nowy samochód, który zjeżdża z linii montażowej, ma co najmniej 50 MEMS; są one niezbędnymi komponentami różnych obowiązkowych systemów bezpieczeństwa, w tym poduszek powietrznych, elektronicznej kontroli stabilności (ESC) i systemów monitorowania ciśnienia w oponach (TPMS).
MEMS vs. NEMS
Podczas gdy MEMS oznacza mikro-elektromechaniczny system, NEMS oznacza nano-elektromechaniczny system. NEMS byłby używany w nanotechnologii, która jest technologią, która może manipulować materią w nanoskali (na poziomie atomowym lub molekularnym). Odgórne podejście do nanotechnologii wykorzystuje urządzenia, które mają wiele technik podobnych do MEMS. MEMS i NEMS są czasami określane jako oddzielne technologie, ale można je uznać za zależne od siebie, ponieważ technologie NEMS są wymagane do NEMS. Przykładowo, skaningowy mikroskop tunelowy (STM), który może wykrywać atomy, jest urządzeniem MEMS.
Ten film wideo od MEMS & Sensors Industry Group zawiera wprowadzenie do technologii MEMS.
Wstęp do technologii MEMS można znaleźć na stronie internetowej Grupy Przemysłowej ds.