Universitatea Tehnică Gheorghe Asachi din Iași Facutatea de Electronică, Telecomunicații și Tehnologia Informației Referat MEMS Microsenzori de acceleraţie Profesor coordonator: Șef lucrări Dr. Ing. Daniela Ionescu Masterand: Irimia Dragoș Mihai
1. Introducere a. Istoric Conceptul MEMS (Micro-Electro-Mechanical-System) a luat naștere în anii 1980 la Berkley, ca o prelungire tehnologică a microelectronicii bazată pe siliciu; ideea era de a complete tehnologiile pentru a trece de la circuitul electronic la microsisteme integrate. MEMS integrează pe un singur substrat semiconductor elemente electronice (circuite integrate, piezorezistenţe, condensatoare), mecanice (cantilevere, micro-comutatoare), optice (de exemplu, comutatoare optice sau micro-oglinzi), electromagnetice, termice şi fluidice (senzori de curgere), fiind în stare să măsoare parametrii fizici din mediul ambiant (presiune, acceleraţie, gaz etc.), dar şi să acţioneze (având integrate dispozitive mecanice la nivel micro: motoare, relee, pârghii etc.). Această tehnologie vizează realizarea de componente de înaltă calitate, pentru circuite superioare (capabila de operatii cu lățimi de bandă de frecvență mai mari și prezintă pierderi mai reduse ) pentru sisteme de comunicații fără fir. b. Clasificare Clasificarea MEMS-urilor: - Traductori dispozitive care transformă un semnal (electric, optic, mecanic, etc.) în energie electrică şi/sau invers, conform unei legi determinate. Ex.: traductoare de tensiune și de curent, de presiune, de temperatură, de nivel. - Actuatori dispozitive care realizează conversia unui semnal electric sau termic în lucru mecanic sau căldură. Ex.: actuator pentru încălzire pardoseală, actuator deschidere porbagaj, electrovalvă. - Senzori dispozitive care preiau informaţia dintr-un anumit mediu, măsurând o anumită mărime fizică caracteristică (mecanică, termică, chimică, magnetică, etc.) şi generează un semnal proporţional cu mărimea măsurată. Ex.: senzori de accelerație, de temperatură, de umiditate, de tensiune, de proximitate. Clasificarea senzorilor după forma semnalului măsurat: - Termic măsoară temperatura, căldura, capacitatea calorică, etc.; - Radiant raze gama, microunde, lumină vizibilă și inflaroșie; - Mecanic acceleratie, viteză, forță, presiune, etc.; - Magnetic câmp magnetic, flux, permeabilitate magnetică, etc.; - Chimic nivel PH, umiditate, gaz, concentrație de vapori, etc; - Biologic proteine, hormoni, zaharuri etc.
c. Senzori Senzorii sunt din ce în ce mai mult folosiți pentru aplicații tehnice. Formând interfața dintre mediu și elementul de control, un senzor este un organ vital pentru un sistem artificial. Senzorii sunt folosiți la măsurarea parametrilor mecanici, biochimici, termici, magnetici și radianți. Tendința actuală este de a fabrică senzori din ce în ce mai mici și de a de a integra întregul sistem senzor într-un singur cip. În acest fel, va fi posibil ca pentru o anumită sarcină, să se măsoare și să evalueze toți parametrii interesanți, într-un singur loc și la un anumit moment. Microsenzorii trebuie să prezinte o încredere ridicată, volum și masă mici și costuri de producție în masă scăzute. Aplicațiile prezente și viitoare ale microsenzorilor au cel mai ridicat potențial în industria de automobile, protecția mediului, tehnologia producției și de proces și domeniul militar. Cerințele solicitate de la ele sunt: precizie înaltă, siguranță ridicată pentru om și materiale și abilitatea de a furniza rezultate de încredere în timp real. Microsenzorii au devenit o unealtă indispensabilă pentru aplicațiile medicale, aceștia realizând măsurători continue ale diferiților parametri fizici/chimici ai sângelui, cum ar fi temperatura, presiunea, valoarea ph-ului, volumul debitului și valorile respiratorii ca oxigenul, dioxidul de carbon sau anestezicele, sunt de o importanță specială. Se dorește a se utiliza cipuri Fig. 1 Microsenzor medical cu senzori integrați care să poată măsura mai multe mărimi diferite în același timp.
Industria automobilelor a arătat un interes deosebit în dezvoltarea viitoare a microsenzorilor. Într-un automobil sunt necesare unități de control care să preia multe dintre sarcinile pe care acum conducătorul auto le realizează în mod curent. Folosind o varietate de senzori inteligenți și de procesoare de semnal, este posibil să se optimeze multe dintre operațiile de conducere a automobilelor. Senzorii chimici și biosenzorii sunt, de asemenea, importanți pentru procesarea alimentelor, unde trebuie observate continuu tot felul de materiale contaminate sau impurități. În ingineria proceselor, controlul exact al proceselor tehnologice depinde de senzorii miniaturizați disponibili. Aici parametri de control trebuie să fie măsurați des, în mai multe locuri, cu diferite tipuri de senzori. 2. Microsenzori de accelerație Fig. 2 Microsenzori în industria automobilelor Senzorii miniaturizați de accelerație iși vor găsi locul mai ales în industria automomobilelor. Ei sunt, de asemenea, de interes pentru industria aeronautică și spațială și pentru multe alte aplicații. Fig. 3 Microsenzori pentru detecția vaporilor chimici
Microsenzorii pentru accelerație vor ajuta la îmbunătățirea confortului, siguranței și calității conducerii automobilelor. Totodată, ca ele să devină un produs de interes general, costurile lor de producție trebuie să fie drastic scăzute. Ca și în cazul presiunii, accelerația este, de obicei, detectată prin metode piezorezistive sau capacitive. Cel mai adesea este folosită o consolă elastică la care este atașată o masă. Atunci cand senzorul este accelerat, masa deplasează consola si deplasarea este înregistrată de senzor. Acest tip de senzori folosesc metoda de măsurare capacitivă pentru a înregistra deviația. Fig. 4 Microsenzor capacitiv Pentru a măsura efectiv accelerația cu acest principiu, piezorezistorii sunt plasați în puncte ale consolei unde se produce deplasarea maximă. Stabilitatea și precizia senzorului se îmbunătățește cu creșterea numărului de piezoelemente. O altă metodă pentru a înbunătății sensibilitatea este prin creșterea masei mobile. Centrul de greutate al masei trebuie sa fie cât mai Fig. 5 Microsenzor piezorezistiv aproape de capătul consolei. Accelerația este determinată din variația rezistenței.