MEMS는 Micro-Electro-Mechanical Systems의 약자이며 전자 부품과 기계적으로 움직이는 부품이 모두있는 마이크로 미터 크기의 장치를 말합니다. MEMS 장치는 다음을 포함하는 장치로 정의 할 수 있습니다.
- 마이크로 미터 크기 (1 마이크로 미터 ~ 100 마이크로 미터)
- 시스템의 전류 흐름 (전기적)
- 내부에 움직이는 부품이 있습니다 (기계식)
아래는 현미경으로 관찰 한 MEMS 장치의 기계적 부품 이미지입니다. 이것은 놀랍지 않을 수도 있지만 기어의 크기가 사람 머리카락 크기의 절반 인 10 마이크로 미터라는 것을 알고 있습니까? 따라서 이러한 복잡한 구조가 불과 몇 밀리미터 크기의 칩에 어떻게 내장되어 있는지 아는 것은 매우 흥미 롭습니다.
MEMS 장치 및 애플리케이션
이 기술은 1965 년대에 처음 도입되었지만 대량 생산은 1980 년까지 시작되지 않았습니다. 현재 다양한 응용 분야에서 현재 1,000 억 개 이상의 MEMS 장치가 활성화되어 있으며 휴대폰, 노트북, GPS 시스템, 자동차 등에서 볼 수 있습니다.
MEMS 기술은 많은 전자 부품에 통합되어 있으며 그 수는 날로 증가하고 있습니다. 더 저렴한 MEMS 장치 개발이 발전함에 따라 앞으로 더 많은 애플리케이션을 인수 할 수 있습니다.
더 나은 성능의 기술이 등장하지 않는 한 MEMS 장치는 일반 장치보다 더 잘 수행되므로 MEMS는 왕좌에 머물 것입니다. MEMS 기술에서 가장 주목할만한 요소는 변환기로 적절하게 분류되는 마이크로 센서와 마이크로 액추에이터입니다. 이 변환기는 에너지를 한 형태에서 다른 형태로 변환합니다. 마이크로 센서의 경우, 장치는 일반적으로 측정 된 기계 신호를 전기 신호로 변환하고 마이크로 액추에이터는 전기 신호를 기계 출력으로 변환합니다.
MEMS 기술을 기반으로 한 몇 가지 일반적인 센서 가 아래에 설명되어 있습니다.
- 가속도계
- 압력 센서
- 마이크로폰
- 자력계
- 자이로 스코프
MEMS 가속도계
설계를 시작하기 전에 MEMS 가속도계 설계에 사용되는 작동 원리에 대해 논의하고 이를 위해 아래에 표시된 매스 스프링 설정 을 고려 합니다.
여기서 매스는 닫힌 공간에 두 개의 스프링으로 매달리고 설정은 정지 된 것으로 간주됩니다. 이제 몸이 갑자기 앞으로 움직이기 시작하면 몸에 매달린 질량은 그 위치에서 변위를 일으키는 후방 힘을 경험합니다. 그리고이 변위 때문에 스프링은 아래와 같이 변형됩니다.
이 현상은 자동차, 버스, 기차 등과 같이 움직이는 차량에 앉을 때도 경험해야하므로 가속도계를 설계 할 때도 동일한 현상이 사용됩니다.
그러나 질량 대신에 우리는 스프링에 부착 된 움직이는 부분으로 전도 판 을 사용할 것 입니다. 전체 설정은 아래와 같습니다.
다이어그램에서 상단 이동 플레이트와 고정 플레이트 사이의 커패시턴스를 고려합니다.
C1 = e 0 A / d1
여기서 d 1 은 그들 사이의 거리입니다.
여기서 우리는 커패시턴스 C1 값이 플레이트를 움직이는 상단과 고정 플레이트 사이의 거리에 반비례 함을 알 수 있습니다.
바닥이 동판과 고정판 사이의 정전 용량
C2 = e 0 A / d2
여기서 d 2 는 그들 사이의 거리입니다.
여기서 커패시턴스 C2 값은 바닥 이동 판과 고정판 사이의 거리에 반비례 함을 알 수 있습니다.
본체가 정지 상태에있을 때 상단 및 하단 플레이트는 모두 고정 된 플레이트에서 동일한 거리에 있으므로 커패시턴스 C1은 커패시턴스 C2와 같습니다. 그러나 몸이 갑자기 앞으로 움직이면 판은 아래와 같이 변위됩니다.
이때 상판과 고정판 사이의 거리가 멀어짐에 따라 커패시턴스 C1이 증가합니다. 반면 정전 용량은 바닥 판과 고정판 사이의 거리가 멀어짐에 따라 C2가 감소합니다. 이 커패시턴스의 증가 및 감소는 본체의 가속에 선형 적으로 비례하므로 가속이 높을수록 변화가 커지고 가속이 낮을수록 변화가 적습니다.
이 가변 커패시턴스는 RC 발진기 또는 다른 회로에 연결하여 적절한 전류 또는 전압 판독 값을 얻을 수 있습니다. 원하는 전압 또는 전류 값을 얻은 후 해당 데이터를 쉽게 추가 분석에 사용할 수 있습니다.
이 설정 은 가속도를 성공적으로 측정하는 데 사용할 수 있지만 부피가 크고 실용적이지 않습니다. 그러나 MEMS 기술을 사용하면 전체 설정을 몇 마이크로 미터 크기로 축소하여 장치를 더 적합하게 만들 수 있습니다.
위의 그림에서 MEMS 가속도계에 사용 된 실제 설정을 볼 수 있습니다. 여기에서 다중 커패시터 플레이트는 수평 및 수직 방향으로 구성되어 양방향 가속도를 측정합니다. 커패시터 플레이트의 크기는 몇 마이크로 미터이고 전체 설정은 몇 밀리미터까지 크기가되므로 스마트 폰과 같이 배터리로 작동하는 휴대용 장치에서이 MEMS 가속도계를 쉽게 사용할 수 있습니다.
MEMS 압력 센서
우리 모두는 물체에 압력이 가해지면 파괴 점에 도달 할 때까지 변형된다는 것을 알고 있습니다. 이 변형은 특정 한계까지 적용된 압력에 정비례하며이 속성은 MEMS 압력 센서를 설계하는 데 사용됩니다. 아래 그림에서 MEMS 압력 센서의 구조 설계를 볼 수 있습니다.
여기서 두 개의 도체 플레이트가 유리 본체에 장착되고 그 사이에 진공이 있습니다. 하나의 도체 플레이트는 고정되어 있고 다른 플레이트는 압력 하에서 움직일 수 있도록 유연합니다. 이제 커패시턴스 미터를 사용하여 두 출력 단자 사이를 판독하면 두 개의 병렬 플레이트 사이의 커패시턴스 값을 관찰 할 수 있습니다. 이는 전체 설정이 병렬 플레이트 커패시터 로 작동하기 때문 입니다. 병렬 플레이트 커패시터로 작동하기 때문에 평소와 같이 일반적인 커패시터의 모든 속성이 현재 적용됩니다. 나머지 조건에서 두 플레이트 사이의 커패시턴스를 C1 이라고합시다.
그림과 같이 변형되어 하단 레이어에 더 가깝게 이동합니다. 층이 가까워지기 때문에 두 층 사이의 커패시턴스가 증가합니다. 따라서 거리가 클수록 커패시턴스가 낮아지고 거리가 낮아지면 커패시턴스가 높아집니다. 이 커패시턴스를 RC 공진기에 연결하면 압력을 나타내는 주파수 신호를 얻을 수 있습니다. 이 신호는 추가 처리 및 데이터 처리를 위해 마이크로 컨트롤러에 제공 될 수 있습니다.
MEMS 마이크
MEMS 마이크의 디자인은 압력 센서와 유사하며 아래 그림은 마이크 내부 구조를 보여줍니다.
설정이 정지 상태이고 이러한 조건에서 고정 플레이트와 다이어프램 사이의 커패시턴스가 C1 이라고 생각해 보겠습니다.
환경에 소음이 있으면 입구를 통해 소리가 장치로 들어갑니다. 이 소리는 다이어프램이 진동하여 다이어프램과 고정판 사이의 거리가 지속적으로 변경되도록합니다. 이는 차례로 커패시턴스 C1이 지속적으로 변경되도록합니다. 이 변화하는 커패시턴스를 해당 처리 칩에 연결하면 변화하는 커패시턴스에 대한 전기 출력을 얻을 수 있습니다. 변화하는 커패시턴스가 처음에는 노이즈와 직접 관련이 있기 때문에이 전기 신호는 입력 사운드의 변환 된 형태로 사용될 수 있습니다.
MEMS 자력계
MEMS 자력계는 지구의 자기장 을 측정하는 데 사용됩니다. 이 장치는 홀 효과 또는 자기 저항 효과를 기반으로 구성됩니다. 대부분의 MEMS 자력계는 홀 효과를 사용하므로이 방법을 사용하여 자기장 강도를 측정하는 방법에 대해 설명합니다. 이를 위해 전도성 플레이트를 고려하고 그림과 같이 한쪽 끝을 배터리에 연결합니다.
여기에서 전자가 음의 터미널에서 양의 터미널로 흐르는 방향을 볼 수 있습니다. 이제 자석이 전도체의 상단에 가까워지면 전도체의 전자와 양성자가 아래 그림과 같이 분포됩니다.
여기에서 양전하를 운반하는 양성자는 평면의 한쪽에 모이고 음전하를 운반하는 전자는 정반대에 모입니다. 이때 전압계를 가져와 양쪽 끝을 연결하면 판독 값을 얻을 수 있습니다. 이 전압 판독 값 V1은 상단에있는 도체가 경험 하는 전계 강도에 비례합니다. 전류와 자기장을인가하여 전압을 생성하는 완전한 현상을 홀 효과 라고합니다.
위의 모델을 기반으로 MEMS를 사용하여 간단한 시스템을 설계하면 전계 강도를 감지하고 선형 적으로 비례하는 전기 출력을 제공하는 변환기를 얻을 수 있습니다.
MEMS 자이로 스코프
MEMS 자이로 스코프는 매우 널리 사용되며 많은 응용 분야에서 사용됩니다. 예를 들어 비행기, GPS 시스템, 스마트 폰 등에서 MEMS 자이로 스코프를 찾을 수 있습니다. MEMS 자이로 스코프는 코리올리 효과를 기반으로 설계되었습니다. MEMS 자이로 스코프의 원리와 작동을 이해하기 위해 내부 구조를 살펴 보겠습니다.
여기서 S1, S2, S3 & S4는 외부 루프와 두 번째 루프를 연결하는 데 사용되는 스프링입니다. S5, S6, S7 & S8은 두 번째 루프와 질량 'M'을 연결하는 데 사용되는 스프링입니다. 이 질량은 그림의 방향과 같이 y 축을 따라 공명합니다. 또한이 공명 효과는 일반적으로 MEMS 장치에서 인력의 정전기력을 사용하여 달성됩니다.
휴지 상태에서 상단 레이어 또는 하단에있는 두 플레이트 사이의 커패시턴스는 동일하며 이러한 플레이트 사이의 거리가 변경 될 때까지 동일하게 유지됩니다.
이 설정을 회전 디스크에 장착하면 아래와 같이 플레이트의 위치가 변경 될 것입니다.
설정이 그림과 같이 회전 디스크에 설치되면 설정 내부에서 공진하는 질량이 내부 설정에서 변위를 일으키는 힘을 경험하게됩니다. 이 변위로 인해 4 개의 스프링 S1 ~ S4가 모두 변형되는 것을 볼 수 있습니다. 회전하는 디스크에 갑자기 배치 될 때 공명하는 질량에 의해 경험되는이 힘은 코리올리 효과 로 설명 될 수 있습니다.
복잡한 세부 사항을 건너 뛰면 방향의 갑작스런 변화로 인해 내부 레이어에 변위가 존재 한다고 결론 을 내릴 수 있습니다. 이 변위는 또한 하단 및 상단 레이어의 커패시터 플레이트 사이의 거리를 변경합니다. 이전 예에서 설명한대로 거리가 변경되면 커패시턴스가 변경됩니다.
그리고이 매개 변수를 사용하여 장치가있는 디스크의 회전 속도를 측정 할 수 있습니다.
다른 많은 MEMS 장치는 MEMS 기술을 사용하여 설계되었으며 그 수도 매일 증가하고 있습니다. 그러나 이러한 모든 장치는 작동 및 설계면에서 일정한 유사성을 가지고 있으므로 위에서 언급 한 몇 가지 예를 이해하면 다른 유사한 MEMS 장치의 작동을 쉽게 이해할 수 있습니다.