Обзор различных устройств mems и их приложений
MEMS расшифровывается как Micro-Electro-Mechanical Systems и относится к устройствам микрометрового размера, которые имеют как электронные компоненты, так и механические движущиеся части. Устройства MEMS можно определить как устройства, которые имеют:
- Размер в микрометрах (от 1 мкм до 100 мкм)
- Протекание тока в системе (электрическое)
- И в нем есть движущиеся части (механические)
Ниже приведено изображение механической части устройства MEMS под микроскопом. Это может выглядеть не удивительно, но знаете ли вы, что размер шестеренки составляет 10 микрометров, что вдвое меньше человеческого волоса. Так что довольно интересно узнать, как такие сложные структуры встроены в чип размером всего несколько миллиметров.
МЭМС-устройства и приложения
Эта технология была впервые представлена в 1965 году, но массовое производство началось только в 1980 году. В настоящее время в различных приложениях задействовано более 100 миллиардов устройств MEMS, и их можно увидеть в мобильных телефонах, ноутбуках, системах GPS, автомобилях и т. Д.
Технология MEMS встроена во многие электронные компоненты, и их количество растет с каждым днем. Благодаря прогрессу в разработке более дешевых устройств MEMS, мы можем видеть, что они возьмут на себя гораздо больше приложений в будущем.
Поскольку устройства МЭМС работают лучше, чем обычные устройства, если не будет задействована более эффективная технология, МЭМС останутся на троне. В технологии MEMS наиболее заметными элементами являются микродатчики и микроприводы, которые соответствующим образом классифицируются как преобразователи. Эти преобразователи преобразуют энергию из одной формы в другую. В случае микродатчиков устройство обычно преобразует измеренный механический сигнал в электрический сигнал, а микроактюатор преобразует электрический сигнал в механический выходной сигнал.
Ниже описаны несколько типичных датчиков, основанных на технологии MEMS.
- Акселерометры
- Датчики давления
- Микрофон
- Магнитометр
- Гироскоп
Акселерометры MEMS
Прежде чем приступить к проектированию, давайте обсудим принцип работы, использованный при разработке акселерометра MEMS, и для этого рассмотрим схему массы-пружины, показанную ниже.
Здесь груз подвешен на двух пружинах в замкнутом пространстве, и установка считается неподвижной. Теперь, если тело внезапно начинает двигаться вперед, тогда масса, подвешенная в теле, испытывает обратную силу, которая вызывает смещение в ее положении. И из-за этого пружины смещения деформируются, как показано ниже.
Мы также должны испытать это явление, сидя в любом движущемся транспортном средстве, таком как автомобиль, автобус, поезд и т. Д., Поэтому то же явление используется при разработке акселерометров.
но вместо массы мы будем использовать токопроводящие пластины в качестве подвижной части, прикрепленной к пружинам. Вся установка будет такой, как показано ниже.
На схеме мы будем рассматривать емкость между верхней подвижной пластиной и неподвижной пластиной:
где d 1 — расстояние между ними.
Здесь мы можем видеть, что значение емкости C1 обратно пропорционально расстоянию между верхней движущейся пластиной и неподвижной пластиной.
Емкость между нижней подвижной пластиной и неподвижной пластиной
где d 2 — расстояние между ними
Здесь мы видим, что значение емкости C2 обратно пропорционально расстоянию между нижней подвижной пластиной и неподвижной пластиной.
Когда корпус находится в состоянии покоя, верхняя и нижняя пластины будут находиться на одинаковом расстоянии от неподвижной пластины, поэтому емкость C1 будет равна емкости C2. Но если тело внезапно двинется вперед, пластины сместятся, как показано ниже.
В это время емкость C1 увеличивается по мере уменьшения расстояния между верхней пластиной и неподвижной пластиной. С другой стороны, емкость C2 уменьшается по мере увеличения расстояния между нижней пластиной и неподвижной пластиной. Это увеличение и уменьшение емкости линейно пропорционально ускорению основного корпуса, поэтому чем выше ускорение, тем выше изменение, а при меньшем ускорении — меньше изменение.
Эта переменная емкость может быть подключена к RC-генератору или другой цепи, чтобы получить соответствующие значения тока или напряжения. После получения желаемого значения напряжения или тока мы можем легко использовать эти данные для дальнейшего анализа.
Хотя эту установку можно успешно использовать для измерения ускорения, она громоздка и непрактична. Но если мы будем использовать технологию MEMS, мы можем уменьшить всю установку до размера нескольких микрометров, что сделает устройство более применимым.
На приведенном выше рисунке вы можете увидеть фактическую настройку, используемую в акселерометре MEMS. Здесь несколько обкладок конденсатора организованы как в горизонтальном, так и в вертикальном направлении для измерения ускорения в обоих направлениях. Пластина конденсатора имеет размер до нескольких микрометров, а вся установка будет размером до нескольких миллиметров, поэтому мы можем легко использовать этот акселерометр MEMS в портативных устройствах с батарейным питанием, таких как смартфоны.
Датчики давления MEMS
Все мы знаем, что когда к объекту прикладывают давление, он будет деформироваться, пока не достигнет предела прочности. Эта деформация прямо пропорциональна приложенному давлению до определенного предела, и это свойство используется для разработки датчика давления MEMS. На приведенном ниже рисунке вы можете увидеть структурную конструкцию датчика давления MEMS.
Здесь на стеклянном корпусе установлены две токопроводящие пластины, и между ними будет вакуум. Одна проводящая пластина закреплена, а другая пластина может двигаться под давлением. Теперь, если вы возьмете измеритель емкости и снимите показания между двумя выходными клеммами, вы сможете наблюдать значение емкости между двумя параллельными пластинами, потому что вся установка действует как конденсатор с параллельными пластинами. Поскольку он действует как конденсатор с параллельными пластинами, то, как обычно, теперь к нему применимы все свойства типичного конденсатора. В остальных условиях назовем емкость между двумя пластинами C1.
он деформируется и приблизится к нижнему слою, как показано на рисунке. Поскольку слои сближаются, емкость между двумя слоями увеличивается. Таким образом, чем выше расстояние, тем ниже емкость, а при меньшем расстоянии — выше емкость. Если мы подключим эту емкость к RC-резонатору, мы сможем получить частотные сигналы, представляющие давление. Этот сигнал может быть передан в микроконтроллер для дальнейшей обработки и обработки данных.
Микрофон MEMS
Конструкция микрофона MEMS аналогична датчику давления, а на рисунке ниже показана внутренняя структура микрофона.
Допустим, установка находится в состоянии покоя, и в этих условиях емкость между неподвижной пластиной и диафрагмой равна C1.
Если в окружающей среде есть шум, звук поступает в устройство через входное отверстие. Этот звук заставляет диафрагму вибрировать, в результате чего расстояние между диафрагмой и неподвижной пластиной постоянно изменяется. Это, в свою очередь, вызывает постоянное изменение емкости C1. Если мы подключим эту изменяющуюся емкость к соответствующей микросхеме обработки, мы сможем получить электрический выход для изменяющейся емкости. Поскольку изменение емкости в первую очередь напрямую связано с шумом, этот электрический сигнал можно использовать как преобразованную форму входного звука.
Магнитометр MEMS
Магнитометр MEMS используется для измерения магнитного поля Земли. Устройство построено на основе эффекта Холла или магниторезистивного эффекта. Большинство магнитометров MEMS используют эффект Холла, поэтому мы обсудим, как этот метод используется для измерения напряженности магнитного поля. Для этого давайте рассмотрим токопроводящую пластину и соединим концы одной стороны с батареей, как показано на рисунке.
Здесь вы можете увидеть направление потока электронов от отрицательного вывода к положительному. Теперь, если поднести магнит к верху проводника, электроны и протоны в проводнике распределятся, как показано на рисунке ниже.
Здесь протоны, несущие положительный заряд, собираются на одной стороне плоскости, а электроны, несущие отрицательный заряд, собираются прямо на противоположной стороне. В этот раз, если мы возьмем вольтметр и подключим оба конца, мы получим показания. Это показание напряжения V1 пропорционально напряженности поля, испытываемой проводником сверху. Полное явление генерации напряжения посредством приложения тока и магнитного поля называется эффектом Холла.
Если простая система спроектирована с использованием МЭМС на основе вышеупомянутой модели, то мы получим преобразователь, который определяет напряженность поля и обеспечивает линейно пропорциональный электрический выходной сигнал.
МЭМС-гироскоп
Гироскоп MEMS очень популярен и используется во многих приложениях. Например, мы можем найти гироскоп MEMS в самолетах, системах GPS, смартфонах и т. Д. Гироскоп MEMS разработан на основе эффекта Кориолиса. Чтобы понять принцип и работу гироскопа MEMS, давайте посмотрим на его внутреннюю структуру.
Здесь S1, S2, S3 и S4 — пружины, используемые для соединения внешней петли и второй петли. В то время как S5, S6, S7 и S8 — это пружины, используемые для соединения второй петли и массы «M». Эта масса будет резонировать вдоль оси y, как показано направлениями на рисунке. Кроме того, этот резонансный эффект обычно достигается за счет использования электростатической силы притяжения в устройствах MEMS.
В условиях покоя емкость между любыми двумя пластинами на верхнем или нижнем слое будет одинаковой, и останется неизменной до тех пор, пока не изменится расстояние между этими пластинами.
Предположим, если мы установим эту установку на вращающийся диск, то положение пластин изменится, как показано ниже.
Когда установка устанавливается на вращающийся диск, как показано, тогда масса, резонирующая внутри установки, испытывает силу, вызывающую смещение во внутренней установке. Вы можете видеть, что все четыре пружины от S1 до S4 деформируются из-за этого смещения. Эту силу, испытываемую резонирующей массой, когда она внезапно помещается на вращающийся диск, можно объяснить эффектом Кориолиса.
Если пропустить сложные детали, то можно сделать вывод, что из-за резкого изменения направления во внутреннем слое присутствует смещение. Это смещение также вызывает изменение расстояния между пластинами конденсатора как на нижнем, так и на верхнем слоях. Как объяснялось в предыдущих примерах, изменение расстояния вызывает изменение емкости.
И мы можем использовать этот параметр для измерения скорости вращения диска, на котором размещено устройство.
Многие другие устройства MEMS разработаны с использованием технологии MEMS, и их количество также увеличивается с каждым днем. Но все эти устройства имеют определенное сходство в работе и дизайне, поэтому, поняв несколько примеров, упомянутых выше, мы можем легко понять работу других подобных устройств MEMS.
MEMS: микроэлектромеханические системы, часть 3
В предыдущих двух частях мы рассмотрели нескольких наиболее массовых микроэлектромеханических систем. Микрозеркальные матрицы DLP-проекторов, миниатюрные микрофоны, печатающие головки струйных принтеров и датчики движения – устройства интересные, но достаточно привычные. Однако существуют и куда более экзотические MEMS. О них и поговорим.
MEMS-транспортеры
Начнем с одного из наиболее впечатляющих устройств. Это MEMS-транспортер, состоящий из массива микроскопических ресничек. Реснички упругие и в «выключенном» состоянии они отогнуты от основания. Чтобы притянуть их к подложке, используется уже знакомый нам по DMD-чипам метод – электростатическое притяжение. Кроме того, в реснички встроен терморезистор, за счет нагрева изменяющий упругость реснички.
Как и в микрозеркальных матрицах, каждый из элементов системы может занимать только два положения – верхнее и нижнее, включено/выключено – но этого, оказывается, вполне хватает для перемещения предметов по поверхности массива.
Крупный план одной ячейки MEMS-транспортера. Разработка лаборатории MEMS Вашингтонского университета
Ресничка MEMS-транспортера в разрезе
Транспортер можно задействовать не только для поступательного движения вдоль оси массива. Можно перемещать предмет под любым углом, его можно даже вращать – необходимо лишь правильно составить программу.
Ресничковый MEMS-транспортер: примерная схема передвижения предмета
MEMS-транспортер перемещает MEMS-акселерометр
Что любопытно, это не единственный вариант MEMS-транспортера. Например, в Токийском университете для реализации схожего функционала использовали совсем другой метод: перемещение микрообъектов с помощью регулируемого потока воздуха. Дополнительное преимущество такого подхода состоит в том, что он бесконтактный – что позволяет свести к минимуму вероятность повреждения поверхности перемещаемого объекта.
А работает это следующим образом: создается массив дюз, каждая из которых закрывается снизу управляемой заглушкой. За счет электростатического притяжения заглушка может сдвигаться в одну или другую сторону. Поток воздуха при этом направляется на перемещаемый объект под углом – и «сдувает» его в нужном направлении.
Поскольку дюзы в данной реализации транспортера могут работать только в двух направлениях – «вправо» и «влево» – массив создается двойной: одна часть ячеек перемещает объект «вправо-влево», а другая часть – «вверх-вниз». Остается только написать правильную программу – и, точно так же, как и с ресничковым транспортером, предметы можно перемещать по достаточно сложным траекториям.
Фото одной дюзы MEMS-транспортера крупным планом. Слева изображена рабочая поверхность транспортера, справа – механизм, спрятанный под нею
Массив дюз MEMS-транспортера
Те же принципы можно использовать, вывернув наизнанку. Вместо перемещения объекта по поверхности массива актуаторов, можно снабдить такими устройствами сам объект, установив актуаторы на его нижней поверхности. Правда, пока достаточно сложно решить вопросы с питанием и массой таких «самодвижущихся MEMS».
«Ходячий чип». Две площадки слева и справа – массивы ресничковых актуаторов. Чип может перемещать груз массой в 7 раз больше собственной
MEMS-двигатели: турбины , паровые и электрические двигатели, насосы
Раз уж зашла речь о потоках и энергии, нельзя не упомянуть и разработку Массачусетского технологического института – MEMS-турбину. Вполне типичная турбина, но очень, очень маленькая. Разрабатывается она в качестве замены традиционных литий-полимерных аккумуляторов – в первую очередь, для тех приложений, где требуется достичь минимальных размеров и максимальной энергоемкости на килограмм.
Один из ранних образцов микротурбины, разработанный в Массачусетском технологическом институте
Скажем, для современных литий-ионных аккумуляторов, используемых в ноутбуках, характерны показатели порядка 200 Вт*ч/кг. В MIT уже к 2007 году должны были довести показатель до 500–700 Вт*ч/кг, а в перспектике собираются замахнуться на 1200–1500 Вт*ч/кг. Что существенно превышает любые разумные прогнозы по развитию традиционной Li-Ion технологии.
Как и с большинством MEMS, принцип можно использовать в обратном направлении: вместо того, чтобы превращать давление в электроэнергию, можно поступить наоборот. В этом случае из микротурбины после «обработки напильником» получается микронасос.
Сложно себе представить, чтобы кто-то решил от современного энергогенератора – турбины – двигаться в сторону прошлого. И все же такие нашлись и нашлись они в достаточно интересном месте. В американской государственной лаборатории Sandia, основной профиль которой — работа над ядерным оружием и прочими технологическими проектами, касающимися национальной безопасности США. Выросла эта лаборатория из проекта Манхэттен, если вы понимаете, о чем речь.
Сотрудники Sandia создали микроскопический паровой двигатель. А вернее, даже целых два: одноцилиндровый и трехцилиндровый. Сложно сказать, какие цели они преследовали на самом деле – не исключено, что ученые и сами до конца это знали. Однако получилось весьма экстравагантно. Ну и потом – как ни крути, это самый миниатюрный паровой двигатель в мире!
Самый маленький в мире паровой двигатель: трехцилиндровая версия
Приводы
Вообще, в Sandia очень любят MEMS. И на удивление охотно – в отличие от наших «оборонщиков», которые и поныне не спешат выглядывать из своих «ящиков» – делятся своими разработками и концептами с общественностью. В Sandia успели разработать массу элементов, складывающихся в достаточно сложные MEMS-усторйства. Возьмем, к примеру, оптический затвор.
Оптический затвор разработки Sandia
Устройство состоит из трех частей: самого затвора (большое колесико на фотографии), микродвигателя и трансмиссии. Двигатель состоит из двух расположенных перпендикулярно друг к другу электростатических актуаторов. Каждый из них может двигать шестеренку только в одном направлении: вперед и назад. Совместными усилиями они обеспечивают двумерное вращательное движение. Это движение с помощью маленькой шестеренки передается на большую, окантовывающую затвор.
Миниатюрная шестеренка передает движение на затвор, за счет чего он может поворачиваться – с весьма большой скоростью
Элемент другой системы, но принцип тот же. Чтобы большое колесико не меняло при вращении угол наклона, его удерживают микроскопические направляющие
Это сопряжение переводит движения актуаторов во вращение шестеренки
Рабочая часть электростатического актуатора. Работает так же, как акселерометр, только ровно наоборот – в MEMS очень много устройств, принципы работы которых зеркальны
Несколько более сложное устройство: микрозеркало с плавным изменением угла наклона. В качестве двигателя используются все те же электростатические актуаторы. А вот трансмиссия похитрее: движение передается через шестеренки на зубчатую рейку, которая переводит вращение в линейное движение. За счет чего и меняет наклон зеркла.
Микрозеркало с изменяемым углом наклона
То же самое микрозеркало, снятое под другим углом и с большим увеличением
Крупный план трансмиссии и рейки
В это непросто поверить, но в арсенале Sandia есть и еще более замысловатые устройства. Например, микромеханический динамометр. Или прямо-таки ювелирной работы храповой механизм. Или микроскопическое индексирующее устройство. Или неимоверно замысловатое вращающее микрозеркало…
Микродинамометр
Микрохраповик
Индексирующее устройство
Микрозеркало с логотипом Sandia – любимое фото автора этой статьи
Самой же необычной разработкой Sandia стал самый маленький в мире работающий аттракцион. Сотрудники лаборатории умудрились покатать на одном из механизмов собственной разработке микроскопического клещика. Как говорят сами участники этого действа, сложнее всего было убедить насекомое, что ему действительно хочется кататься на этой импровизированной карусели.
Самка паутинного клеща – длина тела меньше миллиметра! – изучает микрозеркало
Если уж серьезные дядьки в американской оборонке занимаются порой весьма легкомысленными вещами, то что уж говорить о студентах технических вузов? Например, в университете штата Юты изготовили микропарихмахерскую. Которая рассчитана на работу с одним-единственным человеческим волосом – его толщина, 100 микрон, как раз сравнима с габаритами получившейся конструкции.
Микрозажим, микропила, микрофен и микрозеркало – микропарихмахерская полностью оснащена и готова к работе
Студенты Техасского технического университета, похоже, люди несколько более серьезные: они предпочли сконструировать самую маленькую в мире шахматную доску. И это не просто микроскопическое изображение – доска полностью функциональна. Фигуры выполнены в виде отдельных частей, и могут перемещаться по доске с помощью микроскопической роботизированной руки.
Микроскопическая шахматная доска, изготовленная Техасского технического университета. Размеры фигур – порядка 50 микрон
Для перемещении фигур по доске предусмотрена роботизированная рука
Несколько слов о MEMS-технологиях
Теперь немного о том, как вся эта красота появляется на свет. Если в двух словах: при производстве MEMS-устройств используются примерно те же процессы и материалы, что и при производстве микроэлектроники. В качестве примера рассмотрим одну небольшую и относительно несложную задачу: производство массива микроэлектродов.
Первым делом, на кремниевую подложку – стандартную для микроэлектроники основу – наносится слой изолятора. Как вариант, вместо кремния с изолятором может использоваться стеклянная или даже пластиковая подложка – в данном случае вся идея в том, чтобы основа была электрически нейтральна.
После этого наносится слой металла, из которого впоследствии и получатся электроды. Он покрывается фоторезистом. Что такое фоторезист и зачем он нужен было достаточно подробно объяснено в обзоре технологии производства компакт-дисков.
Следующий этап – литография. Пропущенный через маску ультрафиолет (вполне может быть использовано и другое излучение – зависит от конкретной технологии) изменяет свойства фоторезиста. Та его часть, на которую попали лучи, становится нестойкой к растворителю и удаляется, обнажая слой металла. Неприкрытый фоторезистом металл вытравливается.
После удаления уже ненужного слоя фоторезиста на получившуюся поверхность наносится слой изолятора. Снова наносится фоторезист, снова через маску он облучается ультрафиолетом, снова производится травление, но уже слоя изолятора. В итоге получаются аккуратные углубления, в каждом из которых располагается электрод.
Разумеется, это был простейший, в прямом смысле слова элементарный пример – любые MEMS в десятки и сотни раз сложнее. Но производятся они примерно так же: с помощью постепенного наращивания одного слоя за другим. Как и в микроэлектронике, устройства производятся не по отдельности, а достаточно крупными пластинами, которые в конце процесса разрезаются на отдельные чипы и упаковываются в пластиковые, керамические и так далее корпуса.
Четырехдюймовая пластина MEMS. Данные конкретные устройства изготовлены компанией Advanced Diamonds Technologies. Это не просто красивое название – компания действительно делает алмазные микроустройства
Достаточно сложно представить, что полученное столь непростым способом устройство может стоить пару-тройку десятков рублей. Однако это действительно так – спасибо отработанным производственным процессам и многомиллионным партиям готовых чипов.
На этом мы завершаем разговор о MEMS. Впрочем, прогресс на месте не стоит, так что наверняка к этой теме нам еще придется вернуться. В конце концов, уже идет разработка еще более тонких устройств – NEMS, наноэлекромеханических систем. А значит, еще будет о чем поговорить.
Как устройства чувствуют мир. Часть 2: MEMS-актуаторы 04.05.2014 16:02
Как вы помните, в первой части нашей статьи мы рассказали о таких MEMS-сенсорах, как акселерометры, гироскопы, микрофоны, барометры и магнитометры. Принцип их работы состоит в том, что они преобразуют физические воздействия в электрические сигналы. Однако есть и вторая большая категория MEMS-устройств под названием актуаторы, которые работают иначе, преобразуя электрические импульсы в какие-либо действия. Именно о них мы и поговорим во сегодня, а также уделим внимание разработкам в области медицины и другим необычным проектам.
Технология DLP И открывает наш список разработка компании Texas Instruments — технология под названием DLP (Digital Light Processing). Как заявляются сами разработчики, она является основой для наборов микросхем, использующихся в различных светотехнических системах. Работа технологии DLP обеспечивается специальными цифровыми микрозеркальными устройствами DMD (Digital Micromirror Device). Главной областью применения считаются, конечно же, проекторы.
DLP-проектор Acer H5360BD
Архитектурно каждый чип DMD представляет собой массив микрозеркал, который используется для пространственной модуляции света. Их количество напрямую зависит от нужного разрешения. Так, DMD-чип, работающий в Full HD разрешении (1920×1080), содержит более двух миллионов микрозеркал. Соответственно, для меньшего разрешения необходимо меньшее количество элементов, для более высокого — большее.
Само микрозеркало представляет собой небольшую квадратную алюминиевую пластинку со стороной размером 16 мкм. Под каждым микрозеркалом располагается ячейка памяти, к которой и привязано конкретное зеркало. Во время работы DMD-контроллер загружает в ячейку »0» или »1». После того, как ячейка памяти заполняется, на микрозеркало воздействует электрический импульс, и оно отклоняется на угол в диапазоне от -12 до +12 градусов. При этом положение зеркальца при -12 градусах соответствует выключенному состоянию пиксела, а +12 — включенному. Иначе говоря, в этих положениях пиксел окрашивается в черный или белый цвет. Кроме черного и белого цветов, микрозеркала могут отображать до 1024 оттенков серого цвета. Для этого используется мерцание, которое обеспечивается их включением/выключением с определенной частотой.
Слева изображен чип DLP, справа — микрозеркала
В итоге получается, что DMD обеспечивает лишь черно-белое изображение. Но ведь DLP-проекторы показывают цветную картинку! Каким же образом окрашивается производимое DMD-чипами изображение?
Процесс окрашивания уже не имеет никакого отношения к MEMS. В случае с DLP-проекторами для этого используется цветовое колесо, которое располагается между лампой, излучающей белый свет, и чипом DLP. Колесо, как правило, имеет четыре цветовых сектора: красный, зеленый, синий и белый (прозрачный). По большому счету, можно было бы обойтись лишь «обоймой» из RGB-цветов, однако прозрачный фильтр позволяет значительно улучшить отображение полутонов. Окончательное изображение формируется путем последовательного отображения на экране синей, зеленой, красной и прозрачной картинок. Человеческий глаз воспринимает эту композицию как цветное изображение.
Цветовое колесо
Стоит отметить, что микрозеркала используются не только в DLP-системах. Массивы зеркал также применяются в микроскопах и телескопах. В обоих случаях они используются для борьбы с искажениями. Например, в случае с телескопом искажения возникают при прохождении света через атмосферу. А применяемые в устройстве массивы зеркал могут изменять свое положение для получения четкого, неискаженного изображения.
Кроме этого, микрозеркала нашли себе применение в оптических коммутаторах. Применяемые в этих устройствах зеркала имеют такую же конструкцию, как и в случае с DLP-проекторами, однако они умеют поворачиваться сразу по двум осям в отличие от одноосевых. Такие коммутаторы обеспечивают очень большую полосу пропускания, однако в то же время требуют сложного программного обеспечения для корректной работы.
MEMS и дисплеи Особенности архитектуры MEMS-дисплеев и DLP-систем могут во многом пересекаться, но мы намеренно вынесли тему экранов в отдельную заметку. Разработка MEMS-дисплеев началась относительно недавно, и лишь на выставке CEATEC осенью 2013 года компании Qualcomm и Sharp представили прототип такого устройства.
В отличие от современных жидкокристаллических мониторов, в разработке Sharp/Qualcomm отсутствуют привычные нам RGB-светофильтры. На смену им пришла индивидуальная светодиодная подсветка для каждого отдельного пиксела. Она с большой частотой мерцает не только красным, синим или зеленым цветом, но и белым. Белый цвет был добавлен с той же целью, что и в DLP-проекторах — для лучшей передачи полутонов. Ну, а в качестве затворов пикселов используются микроэлектромеханические системы, в связи с чем устройство и было названо MEMS-дисплеем.
MEMS-дисплеи Sharp/Qualcomm
Опытный образец, представленный на выставке, имел диагональ размером 7 дюймов и разрешение 1280×800 пикселов. Но даже прототип устройства выгодно отличался на фоне ЖК-дисплеев своими насыщенными цветами. При этом, по заявлению разработчиков, за счет применения светодиодной подсветки и отказа от светофильтров, а также применения MEMS-затворов энергопотребление таких дисплеев будет примерно на 15% ниже, чем у жидкокристаллических устройств. Единственным существенным недостатком дисплея Sharp/Qualcomm стал «эффект радуги», который также наблюдается у некоторых DLP-проекторов. Суть эффекта заключается в том, что время от времени пользователь видит на экране переливающиеся цвета — точно как в радуге. Однако в Sharp заявили, что знают о проблеме, и пообещали устранить эффект до запуска дисплея в серийное производство.
Также стоит отметить, что в дисплее используется технология IGZO. Это значит, что при производстве прозрачных тонкопленочных транзисторов экрана используются оксиды индия, галлия и цинка. Эти материалы обладают значительно более подвижными электронами, что позволяет уменьшать размер пиксела, а также время отклика экрана.
К сожалению, пока неизвестно, как скоро MEMS-дисплеи поступят в серийное производство. По слухам, до конца года на рынке появится устройство, использующее решение Sharp/Qualcomm. Однако планы имеют тенденцию меняться.
MEMS и принтеры Свое применение микроэлектромеханические системы нашли и в струйных принтерах. Наиболее известной технологией печати MEMS является Memjet.
Свое начало Memjet берет в далеком 2002 году. Именно тогда была создана одноименная компания. Возглавил ее основатель австралийской фирмы Silverbrook Research Киа Силвербрук. Компания Memjet объединила небольшую группу ученых под руководством Силвербрука, перед которыми была поставлена задача: изобрести революционную технологию печати. Спустя 5 лет, в 2007 году, была представлена технология Memjet.
Memjet C6010 — принтер, использующий технологию Memjet
Главная особенность технологии заключается в использовании печатающих головок на основе MEMS. Применение микроэлектромеханических систем позволило расположить сразу 70 400 дюз, генерирующих чернильные капли. А это примерно в 17 раз больше, чем в печатающих головках большинства современных струйных принтеров! Столь большое количество дюз обеспечивает очень высокую производительность. Расчетная скорость печати Memjet составляет 60 страниц формата А4 в минуту при разрешении 1600×800 dpi. Одна печатающая головка на базе MEMS имеет длину 222,8 мм и выстреливает свыше 700 млн чернильных капель в секунду. Интересно, что объемом одной такой капли составляет всего лишь 1,1–1,2 пиколитра. Для наглядности: диаметр такой капли составляет 13 мкм! В печатающей головке предусмотрено пять каналов для чернил пяти цветов, которые можно компоновать в различных комбинациях.
Стоит отметить, что применение Memjet отнюдь не ограничивается печатью формата А4. Технология также поддерживает широкоформатную печать шириной более одного метра без необходимости перемещения печатающей каретки. Это становится возможным благодаря расположению друг за другом нескольких печатающих головок.
Печатающая головка Memjet
И пару слов о принципах работы печатающих головок на основе MEMS. Очевидно, что из-за крайне малого размера дюз чернила не могут выливаться самостоятельно. Для образования и выдавливания капли необходимо какое-либо физическое воздействие на нее. И здесь существуют два основных подхода к работе печатающей головки. В ней можно разместить пьезоэлемент. На него в нужный момент будет подаваться электрический ток, из-за чего он будет увеличиваться в объеме и выталкивать каплю чернил наружу. Однако этот метод не так часто используется в сравнении с принципом термоструйной печати, в процессе которой в печатающей головке размещается нагревательный элемент, который разогревает чернила. При достижении определенной температуры капля чернил увеличивается в объеме и выталкивается на бумагу.
Несмотря на свои достоинства, технология Memjet так толком и не добралась до серийных устройств. Разработчики компании до сих пор выпускают пресс-релизы, в которых указывают инновационность разработки и особо подчеркивают высокую скорость печати. Однако с начала разработки прошло уже почти 12 лет, а с анонса технологии — 7 лет. Поэтому остается лишь надеяться, что в самое ближайшее время мы увидим все преимущества Memjet на практике.
MEMS в медицине Кроме использования в потребительских устройствах, микроэлектромеханические системы нашли применение и в медицинской сфере. Применяемые технологии получили название «биоМЭМС».
Использование технологии в медицинских целях стало возможно после того, как в системах были реализованы различные концепции микрофлюидики (науки, описывающей поведение малых объемов и потоков жидкостей) и молекулярного узнавания. Подавляющее большинство «биоМЭМС» представляют собой специальные датчики, предназначенные для слежения за параметрами внутренней среды человека. При отклонении отслеживаемых параметров от нормы они могут выделять в организм лекарственные вещества. Например, при повышении содержания глюкозы может выделяться инсулин. Зачастую «биоМЭМС» оснащаются и модулями беспроводной связи, что позволяет передавать информацию о состоянии организма, например, на планшетный компьютер врача.
Принцип работы имплантанта «биоМЭМС» (Bio-MEMS implant). Также на рисунке изображены человеческое тело (human body), мобильное устройство (hand-held device), сигнал телеметрии (RF telemetry signal)
На сегодняшний день существует огромное множество различных «биоМЭМС» устройств. Особое внимание было уделено разработке слуховых аппаратов. Не так давно было создано устройство для глухих людей, содержащее звуковой сенсор и микропроцессор. Принцип его работы заключается в том, что устройство имплантируется в человеческое ухо, а микропроцессор раскладывает звуковые волны на компоненты ряда Фурье, которые передаются напрямую слуховому нерву, благодаря чему глухой человек может слышать.
Помимо этого, учеными из Университета штата Юта было создано еще одно устройство, способное заменить традиционный слуховой аппарат. Особенность этого решения состоит в том, что оно не предусматривает использование микрофона. Этот аппарат улавливает звук не напрямую, а посредством акселерометра, которые «обрабатывает» вибрации в ухе. Такие механические воздействия преобразовываются в электрический сигнал, который затем передается в мозг человека.
На этой картинке можно увидеть, насколько миниатюрны MEMS-устройства
Также существует несколько видов кардиологических «биоМЭМС». По своему предназначению они все схожи. Основной их задачей является передача информации о внутрисердечном давлении на внешние устройства. Тем не менее принцип работы может отличаться. Одни устройства постоянно передают данные о состоянии организма, другие же — лишь при нахождении специального внешнего приемника на небольшом расстоянии от тела.
К категории «биоМЭМС» также относятся и датчики, предназначенные для хирургических инструментов. Понятно, что во время сложных операций врачам необходимо действовать максимально точно и аккуратно — и такие датчики помогают им не допускать ошибок. В целом чипы для хирургических инструментов снижают риск операции, помогают управлять процессом, обеспечивая хирурга данными о состоянии организма и работе хирургического инструмента.
Интересно, что в некоторых случаях акселерометры также принято относить к «биоМЭМС» устройствам. Дело в том, что акселерометры также используются в экипировке людей, чья профессия связана с риском для жизни — например, военных или пожарных. И если акселерометр не улавливает никаких движений, то на внешнее устройство подается аварийный сигнал. Очень полезная разработка!
Необычные микропроекты Все это время мы говорили о MEMS как о внушительных разработках. Однако, как оказалось, не все относятся к микроэлектромеханическим системам так серьезно. За последние годы было создано достаточно много проектов, которые кроме как развлечением и не назовешь.
Так, студенты Техасского университета создали самые маленькие в мире шахматы. Клетчатая доска имеет размеры 435×435 мкм. Самое интересное, что шахматные фигуры даже можно двигать с помощью специальной роботизированной руки. Фантастика!
MEMS-шахматы
А в Университете Юты студенты пошли чуть дальше и создали МЭМС-парикмахерскую для одного волоса. В конструкции устройства предусмотрены захват, режущий инструмент, подвижное зеркало и даже фен. Парикмахерская имеет настолько малые размеры, что, по словам разработчиков, одной капли дождя хватило бы, чтобы полностью ее затопить.
MEMS-парикмахерская: микрозеркало (micromirror), микрофен (microhairdryer), режущий инструмент (microsaw), микрозахват (microgripper)
Однако дальше всех со своими идеями пошли инженеры из Сандийской национальной лаборатории (Sandia National Laboratories). Какие только микроэлектромеханические системы они не выпускали! Это и зеркала, и трансмиссии, и даже микроскопические паровые двигатели. Словом, веселились как могли.
Трехцилиндровый паровой двигатель
Трансмиссия
Микродвигатель
Дальнейший экономический рост Тенденция к росту рынка MEMS сохраняется уже несколько лет, и по прогнозам аналитиков в ближайшие годы рост продолжится еще более быстрыми темпами. По статистике французской компании Yole Developpement, финансовый показатель рынка микроэлектромеханических переключателей в 2013 году составил около 12 миллиардов долларов США, а уже в 2018 году он достигнет отметки в 22 миллиарда. Это означает, что в течение следующих пяти лет ежегодный рост рынка составит около 13%.
Прогнозируемый рост рынка MEMS
Прирост во многом будет обеспечиваться ростом рынка планшетов и смартфонов. По прогнозам инженеров в ближайшие годы количество микроэлектромеханических систем в этих устройствах увеличится с 12 до 20. Крупные компании рассчитывают на то, что в потребительской электронике будут использовать МЭМС-модули автофокуса камеры, датчики давления, датчики влажности, девятиосевые сенсоры и некоторые другие чипы.
Кстати, лидером на рынке MEMS в 2013 году стала компания ST Microelectronics, которая поставляет свои чипы таким гигантам, как Apple и Samsung. На втором месте обосновалась компания Bosch, которая является основным поставщиком систем для автомобильной промышленности. Тройку лидеров с небольшим отрывом замкнула компания Texas Instrument.
Заключение Подводя небольшой итог, необходимо сказать, что MEMS — крайне интересная технология. Прежде всего потому, что столь маленькие по размерам устройства обеспечивают очень богатую функциональность в весьма разных сферах жизни. Это и потребительская электроника, и автомобильная промышленность, и медицина. Нет сомнений, что для развития MEMS сегодня складываются самые благоприятные условия. Оттого есть определенная уверенность, что в ближайшие годы мы увидим множество новых интересных MEMS-устройств.
MEMS: микроэлектромеханические системы, часть 2
В первой части рассказа о MEMS мы разобрали несколько примеров микроэлектромеханических сенсоров – устройств, преобразующих механическое воздействие в электрические импульсы. Теперь настало время обсудить MEMS-актуаторы – системы, которые превращают информацию в движение.
Одни из самых ярких представителей устройств с MEMS-актуаторами – DLP-проекторы (DLP – Digital Light Processing). В основе этих проекторов лежит относительно крупная – по общему размеру готового чипа – микроэлектромеханическая система под названием DMD (Digital Micromirror Device, цифровое микрозеркальное устройство). Это эксклюзивная разработка одного из гигантов полупроводниковой индустрии, компании Texas Instruments.
DMD-чип представляет собой матрицу микрозеркал, количество «боевых единиц» в которой равно разрешению итогового устройства. Скажем, для разрешения 1920х1080 – чуть больше 2 миллионов. Каждое микрозеркало – крошечная алюминиевая пластинка размером порядка 0,00001 на 0,00001 метра. Или, выражаясь в более удобных для микромира величинах – 10×10 микрон.
В одном из этих двух положений зеркальце отражает попадающий на него свет в сторону линзы и далее на экран. В другом положении – направляет световой поток в сторону, на теплоотвод. В первом случае на экране получается белая точка, во втором – черная. В результате слаженного действия всей матрицы создается картинка, состоящая из двух цветов: черного и белого.
Разумеется, такое однобитное изображение – не совсем то, что нужно в XXI веке. Для начала, к чистым черному и белому возникает желание добавить градации серого. Поскольку полупрозрачность, в отличие от ЖК-матриц, здесь использовать нельзя, свет приходится отмерять механически. Для этого зеркальце «мигает» с большой частотой. Эти «подмигивания» способны обеспечить до 1024 градаций серого. Между прочим, это в 16 раз больше, чем у среднестатистической ЖК-матрицы.
Итак, градации серого есть. Остается лишь добавить цвет. Непосредственно DMD-чип к этому уже не имеет почти никакого отношения (равно как не имеют непосредственного отношения к цвету и жидкие кристаллы). Но раз уж мы начали разбираться, как работают DLP-проекторы, то имеет смысл дойти до конца. Для добавления к изображению цветовой составляющей используется колесо с несколькими секторами, каждый из которых представляет собой светофильтр.
К базовым красному, синему и зеленому для большей яркости изображения обычно добавляется еще и прозрачный сектор. Иногда для более аккуратной передачи полутонов используются дополнительные светофильтры – как дополнительные ванночки с чернилами у фотопринтеров. Колесо вращается, опять-таки, очень-очень быстро, – микрозеркальная матрица выдает для каждого светофильтра свой кадр.
В итоге зеркалам приходится «подмигивать» несколько тысяч раз в секунду: для обеспечения градаций серого, по полному «серому» кадру на каждую из цветовых составляющих, да умножить на требуемое количество кадров в секунду. И все это – чистая механика. Миниатюрная настолько, что даже на кончике иглы помещается несколько десятков элементов матрицы.
Похожие на DMD устройства разработаны Фраунгоферовским институтом полупроводниковых технологий (Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie). Используются они исключительно в научных целях. Зеркала в устройствах Фраунгоферовского института более крупные и выполнены несколько более грубо.
Микрозеркальные матрицы – частный случай оптических MEMS. Но есть и многие другие микросистемы, работающие со светом. Например, в астрономии существует весьма важная задача борьбы с искажениями, возникающими при прохождении света через неоднородную среду – атмосферу. Та же проблема актуальна и для микроскопии.
Задача решается с помощью адаптивной оптики – в частности, зеркал с изменяемой геометрией. Разумеется, существуют и макроскопические устройства такого рода. Но MEMS, как обычно, позволяет снизить цены и значительно увеличить компактность – если для телескопов последнее не так уж важно, то для микроскопов это очень даже актуально. Такие MEMS состоят из массива микрозеркал, которые могут наклоняться, подстраивая форму поверхности массива для борьбы с искажениями.
Еще один интересный случай использования микрозеркал – коммутация оптоволоконных сетей. В сложных системах задействуются зеркала, умеющие поворачиваться не по одной оси, как в DMD-чипе, а сразу по двум осям. Это позволяет создавать коммутаторы с большим количеством обслуживаемых каналов.
Современные принтеры оперируют с каплями краски объемом порядка пиколитра. А что такое пиколитр? Это шарик диаметром около 13 микрон. В одном кубическом миллиметре таких капелек помещается с десяток тысяч! Для того чтобы сформировать столь малый объем жидкости – и сформировать его строго в нужный момент – очевидно, требуется тончайшая механика. Так что и тут работает MEMS.
Происходит это следующим образом. Печатающая головка представляет собой массив из множества микроотверстий. Под отверстиями – миниатюрные полости, в которые чернила поступают из основного резервуара картриджа.
Сами собой чернила через дюзы не выливаются: диаметр отверстий настолько мал, что сила поверхностного натяжения не дает жидкости просто так вытечь наружу. Краску необходимо выдавить принудительно. Для этого можно воспользоваться несколькими различными технологиями.
Например, можно разместить в микрополости пьезоэлемент. Примерно такой же, как те, что используются в зажигалках. Только процесс в данном случае идет в обратную сторону. В зажигалках пьезоэлемент вырабатывает электричество от деформации (следующей от нажатия кнопки) кристалла. В печатающей головке принтера на пьезокристалл подается ток, вследствие чего кристалл увеличивается в объеме и толкает мембрану, которая, в свою очередь, выталкивает краску наружу. Именно такой метод использует компания Epson.
Более популярный подход, который практикуют компании HP, Canon и Lexmark: термоструйная печать. В полости размещается нагревательный элемент, который мгновенно нагревает чернила до очень высокой температуры. Жидкость вскипает, увеличивается в объеме и выплескивается из полости на поверхность.