MEMS » Mikroelektromechanické systémy jasne a stručne
Uverejnené: 22. 8. 2022 | Doba potrebná na prečítanie: 7 minút
Väčšina ľudí netuší, čo znamená skratka „MEMS“ alebo pojem MEMS senzor. Pritom sa už ale každý z nás celkom určite osobne stretol s praktickým použitím MEMS senzora. Napríklad, keď jednoduché otočenie chytrého telefónu stačí na to, aby sa obrázok na displeji zväčšil a bol tak lepšie viditeľný.
Aby bolo možné toto užívateľsky prívetivé riešenie zrealizovať, sú v telefóne potrebné špeciálne MEMS senzory, ktoré dokážu rozpoznať rotačné pohyby a zrýchlenie. To, čo je na smartfóne skôr milou maličkosťou, sa medzitým stalo v mnohých oblastiach techniky nevyhnutnosťou.
To je pre nás pádny dôvod, prečo by sme si mali na MEMS senzory a techniku, ktorá sa za nimi skrýva, trochu posvietiť.
Označenie „MEMS“ je skratkou pre Micro-Electro-Mechanical-Systems, teda mikro-elektromechanické systémy. Ako už názov napovedá, jedná sa o kombináciu mechaniky a elektroniky na najmenšom možnom priestore. Na začiatku vývoja technológie MEMS stál koniec koncov fakt, že klasická jemná mechanika a technika výroby elektroniky začali už v 80. rokoch narážať na hranice svojich možností.
Napriek tomu, že dnešné obrábanie materiálov dosahuje v ideálnom prípade presnosť v zlomkoch milimetrov, stále to nestačí. Obzvlášť tam, kde je potrebné vyrobiť kompletné súčiastky a štruktúry, ktorých celková veľkosť je výrazne menšia než jeden milimeter. To sa dá dosiahnuť iba kombináciou mikroelektroniky a mikromechaniky.
Vďaka tomu je možné vyrobiť akčné členy ako čerpadlá, motory, mikrofóny, reproduktory alebo aj senzory v miniatúrnych veľkostiach. Dokonca aj v medicíne sú tieto technológie čoraz častejšie využívané v biometrických senzoroch. Vďaka MEMS mikrofónom a MEMS reproduktorom sú moderné načúvacie prístroje mimoriadne nenápadné a takmer neviditeľné. Mimochodom, tlačidlo atramentovej tlačiarne Bubble Jet funguje taktiež na systému založeným na MEMS.
Pretože sa rozmery mechanických komponentov MEMS nepohybujú v rade milimetrov (mm), ale v rade mikrometrov (µm), je pri ich výrobe potrebné hľadať úplne nové prístupy. Na tento účel sa však využíva známa a už osvedčená technológia. Rovnako ako pri výrobe polovodičových doštičiek pre integrované obvody (ICs) sa štruktúry MEMS komponentov budujú na doštičkách z kremíka. Na montáž a výrobu MEMS súčiastok sa používajú najrôznejšie metódy mikro-obrábania povrchov:
Fotolitografia
V prípade fotolitografie sú potrebné oblasti funkčnej vrstvy (1) pri procese leptania chránené fotolakom (2).
Ten sa najprv nanáša za použitia odstredivky plošne, ako homogénna vrstva (pozri hornú časť obrázku).
Po následnej expozícii fotolaku (pozri prostrednú časť obrázku) sa pracuje s maskou (3), ktorá ostro ohraničuje potrebné a nepotrebné oblasti.
Pokiaľ bol použitý pozitívny lak, pri vyvolaní sa objavia exponované oblasti fotolaku (viď spodná časť obrázku).
Pri použití negatívneho laku sa objavia zakryté oblasti. Následne je potom možné doštičku vyleptať.
Proces leptania
Aby bolo možné vyrobiť požadované štruktúry z kremíka, používajú sa bežné mokré chemické, ale aj suché chemické metódy leptania. Reaktívne iónové leptanie predstavuje chemicko-fyzikálnu metódu suchého leptania, ktorá pri výrobe MEMS poskytuje špeciálne možnosti. V plynovej lampe vznikajú kladne nabité ióny a sú cielene urýchľované smerom k zápornej elektróde s doštičkami tlačených spojov.
Pri dopade ióny uvoľnia materiál z povrchu (fyzikálne leptanie). V závislosti od smeru pohybu iónov sa vytvorí anizotropný profil leptania (viď obrázok hore).
Zmenou procesných parametrov (tlak, vzdialenosť dosiek, tok plynu alebo výkon generátora) je tak možné ovplyvniť správanie iónov počas procesu leptania. Tie sa potom už nepohybujú cielene, ale v dôsledku zrážok neustále menia smer.
Proces leptania je tak neriadený (izotropný) a v dôsledku reakcie voľných radikálov na povrchu má chemický charakter. Tým môže dôjsť aj k preniknutiu pod oblasti chránené fotolakom (viď spodný obrázok).
Odlučovanie
Pri odlučovaní atómových vrstiev (ALD inak povedané Atomic Layer Deposition) sa vplyvom povrchovej reakcie so substrátom vytvárajú rovnomerné atomárne vrstvy v rozsahu nanometrov. Dokonca aj komplexné štruktúry s priehlbinami je možné pri zodpovedajúcom spôsobe práce optimálne povrstviť. Za týmto účelom sa v závislosti od potrebnej funkcie používajú najrôznejšie substancie.
Výber materiálu závisí od toho, či sa majú použiť elektrické, termické, piezoelektrické, magnetické alebo mechanické vlastnosti vrstiev.
Odlučovanie môže prebiehať striktne selektívne alebo sa v následnom procese leptania vytvára štruktúrovaná funkčná vrstva.
Spájanie
Pri spájaní sa vrstvy doštičiek navzájom prepoja. K tomu môže dôjsť buď priamo molekulárnym alebo anodickým spojením (viď ľavá časť obrázku).
Alternatívne je možné využiť aj medzivrstvy zo skla, kovu alebo lepidla (viď pravá časť obrázku).
Vytváranie 3D štruktúr
Pri mikro-mechanických systémoch je pre mnohé aplikácie nevyhnutné, aby existovali štruktúry a komponenty, ktoré sa do určitej miery môžu pohybovať. To funguje, iba keď sú štruktúry zodpovedajúcim spôsobom vytvarované a v rámci systému správne uložené, resp. ukotvené. Aby bolo možné vytvárať trojrozmerné pohyblivé štruktúry, používajú sa doštičky SOI (Silizium On Insulator).
U týchto doštičiek je medzi nosným substrátom z kremíka (1) a aktívnou monokryštalickou kremíkovou vrstvou (2) uložená ešte jedna izolovaná vrstva oxidu (3). Pri vhodnej metóde leptania je možné vrstvu oxidu pod štruktúrou odstrániť, čím sa vytvoria pohyblivé mikrokomponenty (4).
Kombinácia procesov výroby
Vďaka kombinácii vyššie uvedených metód výroby, resp. opakovaným odlučovaním a leptaním tenkých štruktúrnych vrstiev a obetovaných vrstiev je možné vytvoriť rozmanité mikro-mechanické štruktúry a priehlbiny. Rozmery jednotlivých komponentov, aké sa pri tom dosahujú, sú významne menšie, než je priemer ľudského vlasu, ktorý činí asi 50–80 µm.
Priložený obrázok ukazuje malý výrez MEMS senzora, ktorý ilustruje extrémne malé a napriek tomu starostlivo vyrobené štruktúry.
Strojový proces pri výrobe MEMS pritom zaručuje hladkú výrobu a konštantne vysokú kvalitu. Enormné počty kusov a malá potreba materiálu pritom umožňujú cenovo výhodnú masovú produkciu.
Zdroj obrázkov: Robert Bosch GmbH
Technológia MEMS sa ideálne hodí pre najrôznejšie senzory. Obzvlášť MEMS snímače zrýchlenia a snímače počtu otáčok je možné za pomoci technológie MEMS výborne zrealizovať. Staršie senzory dokázali zaznamenať pohyb len jedným smerom. V moderných senzoroch, ako je napr. senzorový čip MPU-6050, je 3-osí snímač zrýchlenia a 3-osí snímač počtu otáčok (gyroskop) integrovaný v puzdre s veľkosťou iba 4 x 4 mm.
Vďaka malej potrebe miesta je možné tento MEMS senzor ľahko implementovať do najrôznejších zariadení. Ale aj vo vývoji alebo vo vzdelávaní je tento senzorový čip často využívaný – takým príkladom môže byť doska senzora pre vývojárske sady ako Arduino alebo Raspberry Pi.
Na rozdiel od nich je však pri inteligentných senzoroch úplne bežné, že MEMS mechanika a vyhodnocovacia elektronika vr. digitálneho spracovania signálu tvoria samostatné konštrukčné skupiny.
Jednotlivé konštrukčné skupiny sa navzájom prepoja v puzdre čipu až pri výrobe senzora.
Ďalšími obľúbenými senzormi, u ktorých sa technika MEMS využíva čoraz častejšie, sú snímače prietoku, tlakové snímače, snímače náklonu, snímače teploty a snímače plynov alebo kvality vzduchu.
Zdroj obrázkov: Robert Bosch GmbH
Technológiu a funkcie MEMS senzora je možné najľahšie objasniť na snímači zrýchlenia. U snímača zrýchlenia sa vyššie spomínaným spôsobom výroby vytvárajú mikroštruktúry podobné hrebeňu.
Prostredný prvok (1) pritom tvorí pohyblivo uložená hmota, ktorá je udržovaná v stredovej polohe pomocou pružinových prvkov (2). Horný hrebeňový prvok (3) a spodný hrebeňový prvok (4) sú pevne spojené s puzdrom senzora.
Zuby hrebeňov, zasahujúce do seba predstavujú kondenzátory, ktoré na základe svojej veľkosti a momentálnej vzdialenosti medzi pripojovacími bodmi A a C, resp.B a C vykazujú určitú merateľnú kapacitu.
Účinné plochy kondenzátorov sú v nákrese zakreslené na zeleno.
Princíp fungovania
V závislosti od zrýchlenia alebo spomalenia pôsobí na merač zrýchlenia sila , ktorá vychýli pohyblivú hrebeňovú štruktúru vo vnútri po strane doľava alebo doprava.
Tým sa zmení vzájomná relatívna poloha zubov hrebeňa. Dôsledkom je, že sa zmení aj vzdialenosť plôch kondenzátora a s ňou aj hodnota kapacity.
Keď sa vzdialenosť zmenšuje, hodnota kapacity sa zvyšuje. Akonáhle sa vzdialenosť zväčší, hodnota kapacity poklesne. Podľa toho, ako vyzerajú zmeny kapacity medzi pripojovacími bodmi A a C, resp. B a C, dokáže digitálna elektronika senzora rozpoznať veľkosť a smer zrýchlenia.
Vďaka tomu sa potom obraz na vyššie spomínanom chytrom telefóne zobrazuje po otočení správne a nie hore nohami.
Skutočné usporiadanie
Nákresy v tomto oddiele sú veľmi zjednodušené, aby názorne objasnili usporiadanie a spôsob fungovania. Na tento účel sme tiež veľmi názorne ukázali aj vychýlenie pohybujúcej sa hmoty. Oba pripojené obrázky ukazujú skutočné usporiadanie MEMS senzora.
Snímač zrýchlenia
Zdroj obrázkov: Robert Bosch GmbH
Snímač počtu otáčok (gyroskop)
Zdroj obrázkov: Robert Bosch GmbH
Snímač počtu otáčok sa skladá z dvoch snímačov zrýchlenia, ktoré sú mechanicky prepojené cez dvojitý kríž. Vďaka tomu je možné zaznamenávať otáčavé pohyby okolo osi. Tento zložitý proces názorne vysvetľuje firma Bosch v tomto videu.
Ako sme už spomínali, MEMS senzory sa používajú v mnohých mobilných zariadeniach a Smart Devices. Napríklad v notebooku rozpoznávajú snímače zrýchlenia pád, takže čítacia/zapisovacia hlava HDD pevného disku sa stihne pred dopadom včas presunúť do parkovacej polohy. Ale aj v motorových vozidlách sú MEMS hojne využívané. Tam napríklad riadia funkciu ESP, v prípade nehody aktivujú airbagy alebo zabezpečujú, aby navigácia fungovala ďalej, hoci v tuneli nie je možné prijímať signál z GPS družice.
Priemyselná výroba má tú výhodu, že dokáže vyrobiť vysoko kvalitné MEMS senzory veľmi lacno. Preto ich radi používajú aj výrobcovia koptér a dronov. Dokonca aj pri modeloch pre začiatočníkov sa používa technika MEMS, vďaka ktorej je možné dosiahnuť vynikajúcu stabilitu letu.
Stabilizácia kamery s MEMS senzormi
Pri vysoko kvalitných modeloch koptér je ďalšou užitočnou funkciou mikro-mechanická stabilizácia držiaka kamery. Pretože dokáže automaticky vyrovnávať hojdavé pohyby počas letu, je možné veľmi ľahko vytvárať absolútne pokojné a neroztrasené videá.
Správne elektrické meranie najrôznejších fyzikálnych veličín a elektronické ďalšie spracovanie informácií predstavovalo odjakživa obzvlášť veľkú výzvu. Vďaka technike MEMS dnes ale máme k dispozícii technológiu, ktorá ponúka nielen presné, robustné a trvanlivé akčné členy a senzory. Vďaka použitým nanoštruktúram a priemyselnej masovej produkcii sú konštrukčné prvky čoraz menšie, výkonnejšie a cenovo výhodnejšie. Odvetvie MEMS tak v posledných rokoch celkom oprávnene zažíva enormný rast. Pretože senzorika zohráva dôležitú úlohu v takmer každej oblasti nášho technologického sveta, trend rastu technológie MEMS bude určite naďalej pokračovať. My, spotrebitelia, to poznáme tak, že sa u našich technických zariadení budú náhle objavovať funkcie a výkonové parametre, ktoré do tej doby neboli vôbec realizovateľné.