- Peranti dan Aplikasi MEMS
- Pemecut MEMS
- Sensor Tekanan MEMS
- Mikrofon MEMS
- Magnetometer MEMS
- Giroskop MEMS
MEMS adalah singkatan dari Sistem Mikro-Elektro-Mekanikal dan merujuk kepada peranti bersaiz mikrometer yang mempunyai komponen elektronik dan bahagian bergerak mekanikal. Peranti MEMS dapat didefinisikan sebagai peranti yang memiliki:
- Saiz dalam mikrometer (1mikrometer hingga 100mikrometer)
- Aliran arus dalam sistem (Elektrik)
- Dan mempunyai bahagian yang bergerak di dalamnya (Mekanikal)
Berikut adalah gambar bahagian Mekanikal peranti MEMS di bawah mikroskop. Ini mungkin tidak kelihatan luar biasa tetapi tahukah anda bahawa ukuran gear adalah 10micometer, iaitu separuh dari ukuran rambut manusia. Oleh itu, ini cukup menarik untuk mengetahui bagaimana struktur kompleks seperti itu disisipkan ke dalam kepingan berukuran hanya beberapa milimeter.
Peranti dan Aplikasi MEMS
Teknologi ini pertama kali diperkenalkan pada tahun 1965 tetapi pengeluaran besar-besaran belum bermula hingga tahun 1980. Pada masa ini, terdapat lebih dari 100billion peranti MEMS yang aktif dalam pelbagai aplikasi dan dapat dilihat di telefon bimbit, komputer riba, sistem GPS, Automobil, dll.
Teknologi MEMS digabungkan dalam banyak komponen elektronik dan jumlahnya bertambah dari hari ke hari. Dengan kemajuan dalam mengembangkan peranti MEMS yang lebih murah, kita dapat melihat mereka mengambil alih banyak aplikasi di masa depan.
Oleh kerana peranti MEMS berkinerja lebih baik daripada peranti biasa kecuali teknologi berkinerja lebih baik, MEMS akan terus berada di takhta. Dalam teknologi MEMS elemen yang paling terkenal adalah sensor mikro dan penggerak mikro yang dikategorikan dengan tepat sebagai transduser. Transduser ini menukar tenaga dari satu bentuk ke bentuk yang lain. Dalam kes mikrosensor, peranti biasanya menukar isyarat mekanikal yang diukur menjadi isyarat elektrik dan mikrokuatuat mengubah isyarat elektrik menjadi output mekanikal.
Beberapa sensor khas berdasarkan teknologi MEMS dijelaskan di bawah.
- Pecut
- Sensor tekanan
- Mikrofon
- Magnetometer
- Giroskop
Pemecut MEMS
Sebelum masuk ke dalam reka bentuk, mari kita bincangkan prinsip kerja yang digunakan dalam merancang akselerometer MEMS dan untuk itu pertimbangkan susunan spring-mass yang ditunjukkan di bawah.
Di sini jisim digantung dengan dua mata air di ruang tertutup dan penyiapan dianggap sedang dalam keadaan rehat. Sekarang jika badan tiba-tiba mula bergerak ke depan maka jisim yang terampai di badan mengalami daya mundur yang menyebabkan anjakan pada kedudukannya. Dan kerana ini pergeseran mata air menjadi cacat seperti gambar di bawah.
Fenomena ini juga mesti dialami oleh kita semasa duduk di mana-mana kenderaan bergerak seperti kereta, bas, dan kereta api, dan lain-lain sehingga fenomena yang sama digunakan dalam merancang pecutan.
tetapi bukannya jisim, kita akan menggunakan plat konduktif sebagai bahagian bergerak yang melekat pada mata air. Keseluruhan persediaan akan seperti yang ditunjukkan di bawah.
Dalam rajah, kita akan mempertimbangkan kapasitansi antara plat bergerak atas dan plat tetap:
C1 = e 0 A / d1
di mana d 1 adalah jarak di antara mereka.
Di sini kita dapat melihat bahawa nilai kapasitansi C1 berbanding terbalik dengan jarak antara bahagian atas plat bergerak dan plat tetap.
Kapasiti antara plat bergerak bawah dan plat tetap
C2 = e 0 A / d2
di mana d 2 adalah jarak di antara mereka
Di sini kita dapat melihat bahawa nilai kapasitansi C2 berbanding terbalik dengan jarak antara plat bergerak bawah dan plat tetap.
Semasa badan dalam keadaan rehat kedua-dua plat atas dan bawah akan berada pada jarak yang sama dari plat tetap sehingga kapasitansi C1 akan sama dengan kapasitansi C2. Tetapi jika badan tiba-tiba bergerak ke depan maka pelat-pelat itu terganti seperti gambar di bawah.
Pada masa ini kapasitansi C1 bertambah apabila jarak antara plat atas dan plat tetap berkurang. Di sisi lain kapasitansi, C2 semakin berkurang apabila jarak antara plat bawah dan plat tetap meningkat. Peningkatan dan penurunan kapasitansi ini berbanding lurus dengan pecutan pada badan utama sehingga semakin tinggi pecutan semakin tinggi perubahan dan semakin rendah percepatan semakin kecil perubahannya.
Kapasitansi yang berbeza-beza ini dapat disambungkan ke pengayun RC atau litar lain untuk mendapatkan bacaan arus atau voltan yang sesuai. Setelah mendapat nilai voltan atau arus yang diingini, kita dapat menggunakan data tersebut untuk analisis lebih lanjut dengan mudah.
Walaupun penyediaan ini dapat digunakan untuk mengukur pecutan dengan jayanya, ia sangat besar dan tidak praktikal. Tetapi jika kita menggunakan teknologi MEMS, kita dapat mengecilkan keseluruhan pengaturan hingga ukuran beberapa mikrometer menjadikan perangkat lebih sesuai.
Pada gambar di atas, anda dapat melihat persediaan sebenar yang digunakan dalam pecutan MEMS. Di sini plat kapasitor berbilang disusun dalam arah mendatar dan menegak untuk mengukur pecutan di kedua arah. Plat kapasitor berukuran hingga beberapa mikrometer dan keseluruhan penyediaan akan berukuran hingga beberapa milimeter, jadi kita dapat menggunakan akselerometer MEMS ini dalam peranti mudah alih yang dikendalikan dengan bateri seperti telefon pintar.
Sensor Tekanan MEMS
Kita semua tahu bahawa apabila tekanan diberikan pada objek, ia akan tegang hingga mencapai titik putus. Ketegangan ini berkadar langsung dengan tekanan yang dikenakan sehingga had tertentu dan sifat ini digunakan untuk merancang sensor tekanan MEMS. Pada gambar di bawah anda dapat melihat reka bentuk struktur sensor tekanan MEMS.
Di sini dua plat konduktor dipasang pada badan kaca dan akan ada vakum di antara mereka. Satu plat konduktor dipasang dan plat yang lain fleksibel untuk bergerak di bawah tekanan. Sekarang jika anda mengambil meter kapasitansi dan membaca antara dua terminal output maka anda dapat melihat nilai kapasitansi antara dua plat selari, ini kerana keseluruhan penyediaan bertindak sebagai kapasitor plat selari. Oleh kerana ia berfungsi sebagai kapasitor plat selari maka, seperti biasa, semua sifat kapasitor khas berlaku padanya sekarang. Dalam keadaan selebihnya, panggil kapasitansi antara dua plat menjadi C1.
ia akan berubah bentuk dan bergerak lebih dekat ke lapisan bawah seperti yang ditunjukkan dalam gambar. Kerana lapisan semakin hampir, kapasitansi antara dua lapisan bertambah. Jadi jarak yang lebih tinggi menurunkan kapasitansi dan semakin rendah jarak semakin tinggi kapasitans. Sekiranya kita menyambungkan kapasitansi ini ke resonator RC maka kita boleh mendapatkan isyarat frekuensi yang mewakili tekanan. Isyarat ini boleh diberikan kepada pengawal mikro untuk pemprosesan dan pemprosesan data selanjutnya.
Mikrofon MEMS
Reka bentuk mikrofon MEMS serupa dengan sensor tekanan dan gambar di bawah menunjukkan struktur dalaman mikrofon.
Mari kita anggap penyediaan dalam keadaan rehat dan dalam keadaan tersebut kapasitansi antara plat tetap dan diafragma adalah C1.
Sekiranya terdapat kebisingan di persekitaran, maka suara memasuki peranti melalui saluran masuk. Bunyi ini menyebabkan diafragma bergetar menjadikan jarak diafragma dan plat tetap berubah secara berterusan. Ini seterusnya menyebabkan kapasitansi C1 terus berubah. Sekiranya kita menghubungkan kapasitans perubahan ini ke cip pemprosesan yang sesuai, kita dapat memperoleh output elektrik untuk kapasitansi yang berubah. Kerana kapasitansi yang berubah secara langsung berkaitan dengan bunyi di tempat pertama, isyarat elektrik ini dapat digunakan sebagai bentuk suara input yang ditukar.
Magnetometer MEMS
Magnetometer MEMS digunakan untuk mengukur medan magnet bumi. Peranti ini dibina berdasarkan Hall Effect atau Magneto Resistive Effect. Sebilangan besar magnetometer MEMS menggunakan Hall Effect, jadi kita akan membincangkan bagaimana kaedah ini digunakan untuk mengukur kekuatan medan magnet. Untuk itu marilah kita mempertimbangkan plat konduktif dan hujung satu sisi disambungkan ke bateri seperti yang ditunjukkan dalam gambar.
Di sini anda dapat melihat arah aliran elektron, iaitu dari terminal negatif ke terminal positif. Sekarang jika magnet dibawa ke bahagian atas konduktor maka elektron dan proton dalam konduktor diedarkan seperti yang ditunjukkan dalam gambar di bawah.
Di sini proton yang membawa muatan positif berkumpul di satu sisi pesawat sementara elektron yang membawa muatan negatif berkumpul di sebelah bertentangan. Pada masa ini jika kita mengambil voltmeter dan menyambung di kedua hujungnya, kita akan mendapat bacaan. Ini voltan membaca V1 adalah berkadar dengan kekuatan medan dialami oleh konduktor di atas. Fenomena penjanaan voltan yang lengkap dengan menggunakan arus dan medan magnet dipanggil Hall Effect.
Sekiranya sistem sederhana dirancang dengan menggunakan MEMS, berdasarkan model di atas maka kita akan mendapat transduser yang merasakan kekuatan medan dan memberikan output elektrik berkadar linear.
Giroskop MEMS
Giroskop MEMS sangat popular dan digunakan dalam banyak aplikasi. Sebagai contoh, kita dapat menemui giroskop MEMS di kapal terbang, sistem GPS, telefon pintar, dll. Giroskop MEMS direka berdasarkan Coriolis Effect. Untuk memahami prinsip dan cara kerja giroskop MEMS, mari kita perhatikan struktur dalamannya.
Di sini S1, S2, S3 & S4 adalah mata air yang digunakan untuk menghubungkan gelung luar dan gelung kedua. Sementara S5, S6, S7 & S8 adalah mata air yang digunakan untuk menghubungkan gelung kedua dan jisim 'M'. Jisim ini akan bergema di sepanjang paksi-y seperti yang ditunjukkan oleh arah dalam rajah. Juga, kesan resonasi ini biasanya dicapai dengan menggunakan daya tarikan elektrostatik pada peranti MEMS.
Dalam keadaan rehat, kapasitansi antara dua plat pada lapisan atas atau bawah akan sama, dan akan tetap sama sehingga akan berlaku perubahan jarak antara plat ini.
Andaikan jika kita memasang set ini ke cakera berputar maka akan ada perubahan tertentu pada kedudukan plat seperti yang ditunjukkan di bawah.
Apabila pemasangan dipasang pada disk berputar seperti yang ditunjukkan, maka resonan massa di dalam setup akan mengalami daya yang menyebabkan perpindahan pada setup dalam. Anda dapat melihat keempat-empat mata air S1 hingga S4 cacat kerana perpindahan ini. Daya ini yang dialami oleh resonan massa apabila tiba-tiba diletakkan pada disk berputar dapat dijelaskan oleh Coriolis Effect.
Sekiranya kita melewatkan perincian yang kompleks, maka dapat disimpulkan bahawa kerana perubahan arah yang tiba-tiba ada perpindahan yang terdapat di lapisan dalam. Perpindahan ini juga menyebabkan jarak antara plat kapasitor di kedua-dua lapisan bawah dan atas berubah. Seperti yang dijelaskan dalam contoh sebelumnya perubahan jarak menyebabkan kapasitansi berubah.
Dan kita boleh menggunakan parameter ini untuk mengukur kelajuan putaran cakera di mana peranti diletakkan.
Banyak peranti MEMS lain yang dirancang menggunakan teknologi MEMS dan jumlahnya juga meningkat setiap hari. Tetapi semua peranti ini mempunyai persamaan tertentu dalam kerja dan reka bentuk, jadi dengan memahami beberapa contoh yang disebutkan di atas, kita dapat dengan mudah memahami cara kerja MEMS lain yang serupa.