MEMS устройства. Часть 1
MEMS (МЭМС) – микроэлектромеханические системы. Данные устройства сочетают в себе на одном кристалле как микроэлектронную, так и микромеханическую часть.
В качестве примера рассмотрим как может быть устроен акселерометр. Основой датчика будет являться сравнительно крупный “тяжелый” фрагмент, крепящийся к основному кристаллу на упругих подвесах. Если датчик начнет ускоряться, то за счет инерции произойдет смещение груза относительно кристалла. Как помним из закона Ньютона, m*a = сумме всех действующих сил. Таким образом, при нулевом ускорении груз находится в положении когда упругие силы пружин подвески друг друга полностью компенсируют. Если же есть ускорение, то груз смещается до тех пор, пока упругие силы подвески, действующие на грузик, не достигнут необходимой величины для баланса формулы.
По закону Гука, сила упругого взаимодействия будет равна произведению коэффициента упругости подвески на величину смещения. Если коэффициент упругости не меняется, то получаем что сила прямо пропорциональна смещению. В то же время ускорение прямо пропорционально величине компенсирующей силы, т.е. итоговому смещению.
Таким образом, зная величину смещения можно определить действующее ускорение. Остается поставить датчик перемещения (зачастую в МЭМС используется емкостной датчик) и научиться снимать с него показания.
Если подвеска имеет 2-3 степени свободы, то получаем сразу датчик на 2-3 степени свободы. Например, можно одним датчиком измерять ускорение сразу по трем осям.
Если проинтегрировать значение ускорения, то можно получить скорость. После второго интегрирования получаем перемещение. На данном подходе могут быть основаны инерциальные системы позиционирования. Конечно у них свои проблемы и недостатки. В частности, проблема накопления погрешности. С другой стороны, они не зависят от сигнала GPS, сотовой связи, интернета и пр. Кроме того, если есть возможность периодической коррекции системы позиционирования, то погрешность можно обнулять.
Раньше подобные системы выполнялись из макроэлементов. В настоящее время технологии дошли до такого уровня, что многие механические системы можно выполнить в микроисполнении и совместить на одном кристалле с электронной схемой, включающую в себя как аналоговую, так и цифровую часть. В итоге получаем полностью законченную мико электромеханическую систему в одной небольшой микросхеме. В итоге тот же МЭМС акселерометр может выдавать сразу обработанные и пересчитанные данные по цифровому интерфейсу.