Uma visão geral de vários dispositivos MEMS e seus aplicativos

MEMS significa Micro-Electro-Mechanical Systems e se refere a dispositivos do tamanho de um micrômetro que possuem componentes eletrônicos e partes mecânicas móveis. Os dispositivos MEMS podem ser definidos como os dispositivos que possuem:

• Tamanho em micrômetro (1 micrômetro a 100 micrômetro)
• O fluxo de corrente no sistema (elétrico)
• E tem peças móveis dentro dele (Mecânicas)

Abaixo está a imagem da parte mecânica de um dispositivo MEMS sob um microscópio. Isso pode não parecer incrível, mas você sabe que o tamanho da engrenagem é de 10 micrômetros, que é a metade do tamanho de um cabelo humano. Portanto, é muito interessante saber como essas estruturas complexas são incorporadas em um chip do tamanho de apenas alguns milímetros.

Dispositivos MEMS e aplicativos

Esta tecnologia foi introduzida pela primeira vez em 1965, mas a produção em massa não começou até 1980. Atualmente, existem mais de 100 bilhões de dispositivos MEMS atualmente ativos em várias aplicações e podem ser vistos em telefones celulares, laptops, sistemas GPS, automóveis, etc.

A tecnologia MEMS está incorporada em muitos componentes eletrônicos e seu número está crescendo dia a dia. Com o avanço no desenvolvimento de dispositivos MEMS mais baratos, podemos vê-los assumir o controle de muitos outros aplicativos no futuro.

Como os dispositivos MEMS têm um desempenho melhor do que os dispositivos normais, a menos que uma tecnologia de melhor desempenho entre em ação, os MEMS permanecerão no trono. Na tecnologia MEMS, os elementos mais notáveis ​​são microssensores e microdutores que são apropriadamente categorizados como transdutores. Esses transdutores convertem energia de uma forma para outra. No caso de microssensores, o dispositivo normalmente converte um sinal mecânico medido em um sinal elétrico e um microatuador converte um sinal elétrico em saída mecânica.

Alguns sensores típicos baseados na tecnologia MEMS são explicados abaixo.

• Acelerômetros
• Sensores de pressão
• Microfone
• Magnetômetro
• Giroscópio

Acelerômetros MEMS

Antes de entrar no projeto, vamos discutir o princípio de funcionamento usado no projeto do acelerômetro MEMS e, para isso, considere uma configuração massa-mola mostrada abaixo.

Aqui, uma massa é suspensa por duas molas em um espaço fechado e a configuração é considerada em repouso. Agora, se o corpo repentinamente começa a se mover para a frente, a massa suspensa no corpo experimenta uma força para trás que causa um deslocamento em sua posição. E por causa deste deslocamento, as molas ficam deformadas conforme mostrado abaixo.

Este fenômeno também deve ser experimentado por nós quando estamos sentados em qualquer veículo em movimento, como carro, ônibus e trem, etc., portanto, o mesmo fenômeno é usado no projeto dos acelerômetros.

mas em vez de massa, usaremos placas condutoras como uma parte móvel presa às molas. Toda a configuração será conforme mostrado abaixo.

No diagrama, consideraremos a capacitância entre a placa móvel superior e uma placa fixa:

C1 = e ₀ A / d1

onde d ₁ é a distância entre eles.

Aqui podemos ver que o valor da capacitância C1 é inversamente proporcional à distância entre o topo que move a placa e a placa fixa.

A capacitância entre a placa móvel inferior e a placa fixa

C2 = e ₀ A / d2

onde d ₂ é a distância entre eles

Aqui podemos ver que o valor da capacitância C2 é inversamente proporcional à distância entre a placa móvel inferior e a placa fixa.

Quando o corpo está em repouso, as placas superior e inferior estarão a uma distância igual da placa fixa, de modo que a capacitância C1 será igual à capacitância C2. Mas se o corpo se mover repentinamente para a frente, as placas serão deslocadas conforme mostrado abaixo.

Neste momento, a capacitância C1 aumenta à medida que a distância entre a placa superior e a placa fixa diminui. Por outro lado, a capacitância, C2 diminui à medida que a distância entre a placa inferior e a placa fixa aumenta. Este aumento e diminuição na capacitância é linearmente proporcional à aceleração no corpo principal, então quanto maior a aceleração maior a mudança e menor a aceleração menor a mudança.

Esta capacitância variável pode ser conectada a um oscilador RC ou outro circuito para obter a leitura de corrente ou tensão apropriada. Depois de obter a tensão desejada ou o valor da corrente, podemos usar esses dados para uma análise posterior facilmente.

Embora esta configuração possa ser usada para medir a aceleração com sucesso, ela é volumosa e não prática. Mas se usarmos a tecnologia MEMS, podemos reduzir a configuração inteira para um tamanho de poucos micrômetros, tornando o dispositivo mais aplicável.

Na figura acima, você pode ver a configuração real usada em um acelerômetro MEMS. Aqui, as múltiplas placas do capacitor são organizadas em uma direção horizontal e vertical para medir a aceleração em ambas as direções. A placa do capacitor é dimensionada para alguns micrômetros e toda a configuração irá dimensionar até alguns milímetros, então podemos usar este acelerômetro MEMS em dispositivos portáteis operados por bateria, como smartphones, facilmente.

Sensores de pressão MEMS

Todos nós sabemos que, quando a pressão é aplicada a um objeto, ele se tensiona até atingir um ponto de ruptura. Esta deformação é diretamente proporcional à pressão aplicada até um certo limite e esta propriedade é usada para projetar um sensor de pressão MEMS. Na figura abaixo você pode ver o projeto estrutural de um sensor de pressão MEMS.

Aqui, duas placas condutoras são montadas em um corpo de vidro e haverá um vácuo entre elas. Uma placa condutora é fixa e a outra é flexível para se mover sob pressão. Agora, se você pegar um medidor de capacitância e fizer uma leitura entre dois terminais de saída, poderá observar um valor de capacitância entre duas placas paralelas, isso porque toda a configuração atua como um capacitor de placa paralela. Como ele atua como um capacitor de placa paralela, como de costume, todas as propriedades de um capacitor típico se aplicam a ele agora. Na condição de repouso, vamos chamar a capacitância entre as duas placas de C1.

ele se deformará e se aproximará da camada inferior, conforme mostrado na figura. Como as camadas se aproximam, a capacitância entre duas camadas aumenta. Portanto, quanto maior as distâncias, menor a capacitância e menor a distância maior a capacitância. Se conectarmos essa capacitância a um ressonador RC, podemos obter sinais de frequência que representam a pressão. Este sinal pode ser dado a um microcontrolador para posterior processamento e processamento de dados.

Microfone MEMS

O design do microfone MEMS é semelhante ao do sensor de pressão e a figura abaixo mostra a estrutura interna do microfone.

Vamos considerar que o setup está em repouso e nessas condições a capacitância entre a placa fixa e o diafragma é C1.

Se houver ruído no ambiente, o som entra no dispositivo por uma entrada. Este som faz com que o diafragma vibre, fazendo com que a distância entre o diafragma e a placa fixa mude continuamente. Isso, por sua vez, faz com que a capacitância C1 mude continuamente. Se conectarmos essa capacitância mutável ao chip de processamento correspondente, podemos obter a saída elétrica para a capacitância mutável. Como a mudança na capacitância está diretamente relacionada ao ruído em primeiro lugar, esse sinal elétrico pode ser usado como uma forma convertida do som de entrada.

Magnetômetro MEMS

O magnetômetro MEMS é usado para medir o campo magnético da Terra. O dispositivo é construído com base no efeito Hall ou efeito magneto-resistivo. A maioria dos magnetômetros MEMS usa o Efeito Hall, então discutiremos como esse método é usado para medir a força do campo magnético. Para isso vamos considerar uma placa condutora e ter as pontas de um dos lados conectadas a uma bateria conforme mostrado na figura.

Aqui você pode ver a direção do fluxo de elétrons, que é do terminal negativo para o terminal positivo. Agora, se um ímã for aproximado do topo do condutor, os elétrons e prótons no condutor serão distribuídos conforme mostrado na figura abaixo.

Aqui, os prótons com carga positiva são reunidos em um lado do plano, enquanto os elétrons com carga negativa são reunidos no lado oposto. Neste momento, se pegarmos um voltímetro e conectarmos nas duas extremidades, obteremos uma leitura. Esta leitura de tensão V1 é proporcional à intensidade do campo experimentada pelo condutor na parte superior. O fenômeno completo da geração de tensão pela aplicação de corrente e campo magnético é chamado de Efeito Hall.

Se um sistema simples for projetado usando MEMS, com base no modelo acima, obteremos um transdutor que detecta a intensidade do campo e fornece saída elétrica linearmente proporcional.

Giroscópio MEMS

O giroscópio MEMS é muito popular e é usado em muitas aplicações. Por exemplo, podemos encontrar o giroscópio MEMS em aviões, sistemas GPS, smartphones, etc. O giroscópio MEMS é projetado com base no Efeito Coriolis. Para compreender o princípio e o funcionamento do giroscópio MEMS, vamos dar uma olhada em sua estrutura interna.

Aqui, S1, S2, S3 e S4 são as molas usadas para conectar o loop externo e o segundo loop. Enquanto S5, S6, S7 e S8 são molas usadas para conectar o segundo loop e a massa 'M'. Essa massa estará ressonando ao longo do eixo y, conforme mostrado pelas direções na figura. Além disso, esse efeito de ressonância geralmente é obtido usando a força eletrostática de atração em dispositivos MEMS.

Em condições de repouso, a capacitância entre quaisquer duas placas na camada superior ou inferior será a mesma e permanecerá a mesma até que haja uma mudança na distância entre essas placas.

Suponha que se montarmos esta configuração em um disco giratório, haverá uma certa mudança na posição das placas, conforme mostrado abaixo.

Quando a configuração é instalada em um disco giratório conforme mostrado, a massa ressonante dentro da configuração experimentará uma força que causa o deslocamento na configuração interna. Você pode ver todas as quatro molas S1 a S4 sendo deformadas por causa desse deslocamento. Esta força experimentada pela ressonância da massa quando repentinamente colocada em um disco giratório pode ser explicada pelo Efeito Coriolis.

Se pularmos os detalhes complexos, pode-se concluir que, devido à mudança repentina de direção, há deslocamento presente na camada interna. Esse deslocamento também faz com que a distância entre as placas do capacitor nas camadas inferior e superior mude. Conforme explicado nos exemplos anteriores, a mudança na distância faz com que a capacitância mude.

E podemos usar este parâmetro para medir a velocidade de rotação do disco no qual o dispositivo é colocado.

Muitos outros dispositivos MEMS são projetados com a tecnologia MEMS e seu número também aumenta a cada dia. Mas todos esses dispositivos carregam uma certa semelhança no funcionamento e design, portanto, ao compreender os poucos exemplos mencionados acima, podemos compreender facilmente o funcionamento de outros dispositivos MEMS semelhantes.