- أجهزة وتطبيقات MEMS
- مقاييس التسارع MEMS
- مجسات ضغط MEMS
- ميكروفون MEMS
- مقياس المغناطيسية MEMS
- جيروسكوب MEMS
يرمز MEMS إلى الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة ويشير إلى الأجهزة ذات الحجم الميكرومتر التي تحتوي على مكونات إلكترونية وأجزاء متحركة ميكانيكية. يمكن تعريف أجهزة MEMS على أنها الأجهزة التي تحتوي على:
- الحجم بالميكرومتر (1 ميكرومتر إلى 100 ميكرومتر)
- تدفق التيار في النظام (كهربائي)
- وبداخلها اجزاء متحركة (ميكانيكي)
يوجد أدناه صورة الجزء الميكانيكي لجهاز MEMS تحت المجهر. قد لا يبدو هذا مذهلاً ولكن هل تعلم أن حجم الترس هو 10 ميكرومتر ، أي نصف حجم شعر الإنسان. لذلك من المثير للاهتمام معرفة كيف يتم دمج مثل هذه الهياكل المعقدة في رقاقة بحجم بضعة ملليمترات فقط.
أجهزة وتطبيقات MEMS
تم تقديم هذه التقنية لأول مرة في عام 1965 ولكن الإنتاج الضخم لم يبدأ حتى عام 1980. في الوقت الحاضر ، هناك أكثر من 100 مليار جهاز MEMS نشطة حاليًا في تطبيقات مختلفة ويمكن رؤيتها في الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة وأنظمة GPS والسيارات وما إلى ذلك.
تم دمج تقنية MEMS في العديد من المكونات الإلكترونية ويتزايد عددها يومًا بعد يوم. مع التقدم في تطوير أجهزة MEMS أرخص ، يمكننا رؤيتها تستحوذ على العديد من التطبيقات في المستقبل.
نظرًا لأن أجهزة MEMS تعمل بشكل أفضل من الأجهزة العادية ما لم يتم تشغيل تقنية أفضل أداء ، فإن MEMS ستبقى على العرش. في تقنية النظم الكهروميكانيكية الصغرى (MEMS) ، تكون معظم العناصر البارزة هي المستشعرات الدقيقة والمشغلات الدقيقة المصنفة بشكل مناسب على أنها محولات طاقة. تقوم هذه المحولات بتحويل الطاقة من شكل إلى آخر. في حالة المستشعرات الدقيقة ، يحول الجهاز عادةً إشارة ميكانيكية مُقاسة إلى إشارة كهربائية ويحول مُحرك دقيق إشارة كهربائية إلى خرج ميكانيكي.
يتم شرح عدد قليل من أجهزة الاستشعار النموذجية القائمة على تقنية MEMS أدناه.
- أجهزة قياس التسارع
- أجهزة استشعار الضغط
- ميكروفون
- مقياس المغناطيسية
- جيروسكوب
مقاييس التسارع MEMS
قبل الدخول في التصميم ، دعونا نناقش مبدأ العمل المستخدم في تصميم مقياس التسارع MEMS ومن أجل ذلك ضع في اعتبارك مجموعة الزنبرك الكتلي الموضحة أدناه.
هنا يتم تعليق كتلة بنابضين في مكان مغلق ويعتبر الإعداد في حالة راحة. الآن إذا بدأ الجسم فجأة في التحرك إلى الأمام ، فإن الكتلة المعلقة في الجسم تتعرض لقوة رجعية تؤدي إلى إزاحة في موضعها. وبسبب هذا الإزاحة تتشوه الينابيع كما هو موضح أدناه.
هذه الظاهرة يجب أن نختبرها أيضًا عند الجلوس في أي مركبة متحركة مثل السيارة والحافلة والقطار وما إلى ذلك ، لذلك يتم استخدام نفس الظاهرة في تصميم مقاييس التسارع.
ولكن بدلاً من الكتلة ، سوف نستخدم الألواح الموصلة كجزء متحرك متصل بالزنبركات. سيكون الإعداد بالكامل كما هو موضح أدناه.
في الرسم التخطيطي ، سننظر في السعة بين اللوحة المتحركة العلوية واللوحة الثابتة:
C1 = e 0 A / d1
حيث د 1 هي المسافة بينهما.
هنا يمكننا أن نرى أن قيمة السعة C1 تتناسب عكسياً مع المسافة بين الجزء العلوي المتحرك للوحة واللوحة الثابتة.
السعة بين اللوح المتحرك السفلي واللوحة الثابتة
C2 = e 0 A / d2
حيث d 2 هي المسافة بينهما
هنا يمكننا أن نرى أن قيمة السعة C2 تتناسب عكسياً مع المسافة بين اللوح المتحرك السفلي واللوحة الثابتة.
عندما يكون الجسم في حالة راحة ، سيكون كل من الصفيحتين العلوية والسفلية على مسافة متساوية من اللوح الثابت ، لذا فإن السعة C1 ستكون مساوية للسعة C2. ولكن إذا تحرك الجسم فجأة إلى الأمام ، فسيتم إزاحة اللوحات كما هو موضح أدناه.
في هذا الوقت تزداد السعة C1 مع انخفاض المسافة بين اللوحة العلوية واللوحة الثابتة. من ناحية أخرى ، السعة C2 تنخفض مع زيادة المسافة بين اللوح السفلي واللوح الثابت. هذه الزيادة والنقصان في السعة يتناسبان خطيًا مع التسارع على الجسم الرئيسي ، لذلك كلما زاد التسارع كلما زاد التغيير وخفض التسارع أقل التغيير.
يمكن توصيل هذه السعة المتغيرة بمذبذب RC أو دائرة أخرى للحصول على قراءة التيار أو الجهد المناسب. بعد الحصول على الجهد المطلوب أو القيمة الحالية ، يمكننا استخدام هذه البيانات لمزيد من التحليل بسهولة.
على الرغم من أنه يمكن استخدام هذا الإعداد لقياس التسارع بنجاح ، إلا أنه ضخم وغير عملي. ولكن إذا استخدمنا تقنية MEMS ، فيمكننا تقليص الإعداد بالكامل إلى حجم قليل من الميكرومترات مما يجعل الجهاز أكثر قابلية للتطبيق.
في الشكل أعلاه ، يمكنك رؤية الإعداد الفعلي المستخدم في مقياس التسارع MEMS. هنا يتم تنظيم لوحات المكثفات المتعددة في اتجاه أفقي ورأسي لقياس التسارع في كلا الاتجاهين. حجم لوحة المكثف يصل إلى بضعة ميكرومتر وسيصل حجم الإعداد بالكامل إلى بضعة ملليمترات ، لذلك يمكننا استخدام مقياس التسارع MEMS في الأجهزة المحمولة التي تعمل بالبطاريات مثل الهواتف الذكية بسهولة.
مجسات ضغط MEMS
نعلم جميعًا أنه عند الضغط على جسم ما ، فإنه سيتوتر حتى يصل إلى نقطة الانكسار. هذه السلالة تتناسب طرديا مع الضغط المطبق حتى حد معين وتستخدم هذه الخاصية لتصميم مستشعر ضغط MEMS. في الشكل أدناه ، يمكنك رؤية التصميم الهيكلي لجهاز استشعار الضغط MEMS.
هنا يتم تركيب لوحين موصلين على جسم زجاجي وسيكون هناك فراغ بينهما. تم إصلاح لوحة موصل واللوحة الأخرى مرنة للتحرك تحت الضغط. الآن إذا أخذت مقياس السعة وأخذت قراءة بين محطتي خرج ، يمكنك ملاحظة قيمة السعة بين لوحين متوازيين ، وذلك لأن الإعداد بأكمله يعمل كمكثف لوحة متوازية. نظرًا لأنه يعمل كمكثف لوحة متوازية ، فإن جميع خصائص المكثف النموذجي تنطبق عليه الآن ، كالعادة. في الحالة الباقية ، دعنا نسمي السعة بين لوحتين C1.
سوف يتشوه ويقترب من الطبقة السفلية كما هو موضح في الشكل. نظرًا لأن الطبقات تقترب ، تزداد السعة بين طبقتين. لذلك كلما زادت المسافات قل السعة وقلل المسافة التي تزيد السعة. إذا قمنا بتوصيل هذه السعة بمرنان RC ، فيمكننا الحصول على إشارات تردد تمثل الضغط. يمكن إعطاء هذه الإشارة إلى متحكم دقيق لمزيد من المعالجة ومعالجة البيانات.
ميكروفون MEMS
يتشابه تصميم ميكروفون MEMS مع مستشعر الضغط ويوضح الشكل أدناه الهيكل الداخلي للميكروفون.
دعونا نعتبر أن الإعداد في وضع السكون وفي هذه الظروف تكون السعة بين اللوحة الثابتة والحجاب الحاجز هي C1.
في حالة وجود ضوضاء في البيئة يدخل الصوت إلى الجهاز من خلال مدخل. يتسبب هذا الصوت في اهتزاز الحجاب الحاجز مما يجعل المسافة بين الحجاب الحاجز واللوحة الثابتة تتغير باستمرار. وهذا بدوره يؤدي إلى تغير السعة C1 باستمرار. إذا قمنا بتوصيل هذه السعة المتغيرة بشريحة المعالجة المقابلة ، فيمكننا الحصول على الإخراج الكهربائي للسعة المتغيرة. نظرًا لأن السعة المتغيرة تتعلق مباشرة بالضوضاء في المقام الأول ، يمكن استخدام هذه الإشارة الكهربائية كشكل محوّل من صوت الإدخال.
مقياس المغناطيسية MEMS
يستخدم مقياس المغناطيسية MEMS لقياس المجال المغناطيسي للأرض. تم تصنيع الجهاز على أساس تأثير هول أو تأثير مقاومة مغناطيسي. تستخدم معظم أجهزة قياس المغناطيسية MEMS تأثير Hall ، لذلك سنناقش كيفية استخدام هذه الطريقة لقياس شدة المجال المغناطيسي. لذلك دعونا نفكر في صفيحة موصلة ونقوم بتوصيل أطراف أحد الجانبين بالبطارية كما هو موضح في الشكل.
هنا يمكنك رؤية اتجاه تدفق الإلكترونات ، من الطرف السالب إلى الطرف الموجب. الآن إذا تم وضع مغناطيس بالقرب من أعلى الموصل ، فسيتم توزيع الإلكترونات والبروتونات في الموصل كما هو موضح في الشكل أدناه.
هنا تتجمع البروتونات التي تحمل شحنة موجبة على جانب واحد من الطائرة بينما تتجمع الإلكترونات التي تحمل شحنة سالبة في الجانب المقابل بالضبط. في هذا الوقت ، إذا أخذنا الفولتميتر وقمنا بالاتصال عند كلا الطرفين ، فسنحصل على قراءة. هذا الجهد قراءة V1 يتناسب مع شدة المجال التي يمر بها موصل على القمة. تسمى الظاهرة الكاملة لتوليد الجهد من خلال تطبيق المجال الحالي والمغناطيسي بتأثير هول.
إذا تم تصميم نظام بسيط باستخدام MEMS ، بناءً على النموذج أعلاه ، فسنحصل على محول طاقة يستشعر قوة المجال ويوفر ناتجًا كهربائيًا متناسبًا خطيًا.
جيروسكوب MEMS
جيروسكوب MEMS شائع جدًا ويستخدم في العديد من التطبيقات. على سبيل المثال ، يمكننا العثور على جيروسكوب MEMS في الطائرات ، وأنظمة GPS ، والهواتف الذكية ، وما إلى ذلك ، تم تصميم جيروسكوب MEMS بناءً على تأثير كوريوليس. لفهم مبدأ وعمل جيروسكوب MEMS ، دعونا ننظر في هيكله الداخلي.
هنا S1 و S2 و S3 و S4 هي الينابيع المستخدمة لتوصيل الحلقة الخارجية والحلقة الثانية. بينما S5 و S6 و S7 و S8 هي نوابض تستخدم لتوصيل الحلقة الثانية والكتلة 'M'. سيكون صدى هذه الكتلة على طول المحور y كما هو موضح في الاتجاهات في الشكل. أيضًا ، عادةً ما يتحقق تأثير الرنين هذا باستخدام قوة الجذب الكهروستاتيكية في أجهزة MEMS.
في ظل ظروف الراحة ، ستكون السعة بين أي لوحين في الطبقة العلوية أو السفلية هي نفسها ، وستظل كما هي حتى يحدث تغيير في المسافة بين هذين الصفيحتين.
لنفترض أنه إذا قمنا بتركيب هذا الإعداد على قرص دوار ، فسيكون هناك تغيير معين في موضع اللوحات كما هو موضح أدناه.
عند تثبيت الإعداد على قرص دوار كما هو موضح ، فإن صدى الكتلة داخل الإعداد سيواجه قوة تسبب الإزاحة في الإعداد الداخلي. يمكنك أن ترى كل الينابيع الأربعة من S1 إلى S4 مشوهة بسبب هذا الإزاحة. يمكن تفسير هذه القوة التي تتعرض لها كتلة الرنين عند وضعها فجأة على قرص دوار بتأثير كوريوليس.
إذا تخطينا التفاصيل المعقدة ، فيمكن استنتاج أنه بسبب التغيير المفاجئ في الاتجاه ، هناك إزاحة موجودة في الطبقة الداخلية. يؤدي هذا الإزاحة أيضًا إلى تغيير المسافة بين ألواح المكثف في كل من الطبقتين السفلية والعلوية. كما هو موضح في الأمثلة السابقة ، فإن التغيير في المسافة يؤدي إلى تغيير السعة.
ويمكننا استخدام هذه المعلمة لقياس سرعة دوران القرص الذي يوضع عليه الجهاز.
تم تصميم العديد من أجهزة MEMS الأخرى باستخدام تقنية MEMS ويتزايد عددها أيضًا كل يوم. لكن كل هذه الأجهزة تحمل تشابهًا معينًا في العمل والتصميم ، لذلك من خلال فهم الأمثلة القليلة المذكورة أعلاه يمكننا بسهولة فهم عمل أجهزة MEMS الأخرى المماثلة.