MEMS: микроэлектромеханические системы

МЭМС:
микроэлектромеханические
системы
Суранов Ян Сергеевич
СПбПУ Кафедра теотетической механики
Что такое МЭМС ?
МикроЭлектроМеханические Системы – это микроустройства
устройства, объединяющие в себе микроэлектронные и
микромеханические компоненты.
Разделяются на два типа:
сенсоры – измерительные устройства, которые переводят те или
иные физические воздействия в электрический сигнал
актуаторы - это устройство, которое преобразовывает энергию в
управляемое движение
Это могут быть:
• миниатюрные детали: гидравлические и пневмо клапаны, струйные сопла
принтера
• микроинструменты: скальпели и пинцеты для работы с объектами микронных
размеров
• микромашины: моторы, насосы, турбины величиной с горошину
• Микророботы
• микродатчики и исполнительные устройства
Развитие микросистемной техники
Рынок мэмс
Развитие рынка МЭМС за период 2011–2017 гг. Источник: Yole Developpement
Преобразование энергии
Изменение накопленной энергии системы W является причиной
появления силы F:
Если запас энергии изменяется между двумя состояниями W1 и W2,
мы получаем:
Если в дальнейшем предположить, что одно из двух состояний энергии
равно нулю, тогда получаемая сила становится прямо пропорциональной
накопленной энергии: F ~ W.
Электростатические актуаторы
Для плоского конденсатора накопленная энергия U может быть рассчитана
по формуле
где C-ёмкость и V-напряжение между обкладками конденсатора.
Когда пластины конденсатора перемещаются навстречу друг другу, работа,
совершаемая силой взаимодействия между ними, может быть рассчитана, как
изменение Uв зависимости от изменения расстояния (x). Сила рассчитывается по
формуле
Пьезоэлектрические актуаторы
В основе теории пьезоэлектрических актюаторовлежит прямой
пьезоэлектрический эффект
где Di - вектор электрического смещения, Ej- напряжённость электрического
поля, Ek- относительная деформация, σk- механическое напряжение.
Основными параметрами являются: dik - пьезоэлектрические коэффициенты.
Магнитные актуаторы
При приложении внешнего подмагничивания, пермаллоевый материал
рассматривается как материал, имеющий постоянный плоскопараллельный
вектор намагниченности с величиной равной намагниченности насыщения
Мнас. При помещении во внешнее магнитное поле генерируется две
компоненты силы. Величина обоих, как F1(которая действует на верхнюю
грань), так и F2 (которая действует на нижнюю грань) рассчитывается
F1 = Мнас×W×T×H1
следующим образом:
F2= Мнас×W×T×H2,
где H1и H2 напряжённость магнитного поля на верхней и нижней грани
пластины (в текущей конфигурации H1 < H2). Величина H1и H2линейно
зависит от соответствующего расстояния до поверхности электромагнитного
источника.
Результатом является вращающий момент, действующий против часовой
стрелки и сосредоточенная сила, воздействующая на нижнюю грань
структурной пластины:
Ммаг= F1×L×cosθ
Технологии производства МЭМС
• Сухое травление
• Жидкое химическое анизотропное травление
• SIGA технология
• LIGA технология
• Технология корпускулярно-лучевого формообразования
• Волоконная технология
Примеры МЭМС
MEMS-акселерометр разработки Sandia Labs
Конденсаторный MEMS-микрофон с двумя
неподвижными обкладками
Примеры МЭМС
Прототип щипцов для микрохирургии глаза.
Размеры головки щипцов – порядка 1,5х1,5
миллиметра. Толщина губ – несколько
десятков микрон.
Микросхема DLP состоящая из миллионов
микрозеркал используемая в цифровой
видеоаппаратуре. Крупный обьект –
наконечник булавки.
Примеры МЭМС
Образец микротурбины, разработанный в
Массачусетском технологическом институте
Самый маленький в мире паровой двигатель:
трехцилиндровая версия
Использование в СПУМ
(1) Датчики
положения
мотоцикла
(2) Блок
управления
(3) Передний
тормоз
(4) Задний
тормоз
(5) Подача
топлива
Используемая литература
 Досовицкий Г. А.// МикроЭлектроМеханические системы//02.10.2010
 Лацапнёв Е., Яшин К.Д.// www.micromachine.narod.ru
 Журнал "Микросистемная техника«// www.microsystems.ru
 Акульшин Ю.Д.//Микросистемная техника « Введение в MЭMС »
 Дрожжин А.//MEMS: микроэлектромеханические системы//18.10.2010
 www.russianelectronics.ru
 www.microbot.ru
 www.nanonewsnet.com
Спасибо за внимание