Universitatea Tehnică Gh. Asachi din Iaşi Facultatea de Electronică, Telecomunicaţii şi Tehnologia Informaţiei Master Radio Comunicaţii PROIECT MICROSISTEME ELECTROMECANICE Profesor îndrumător: s.l. dr. ing. Daniela Ionescu Masterand: Mihai Ferent
Aplicaţii ale MEMS-urilor în industia auto MEMS-urile sunt o combinaţie de elemente mecanice şi electrice care alcătuiesc sisteme complexe de dimensiuni foarte mici. Ele pot fi folosite atât ca senzori pentru măsurarea anumitor parametri, cât şi ca actuatori de dimensiuni reduse. Fiind structuri complexe, aplicaţiile ce se pot realiza cu astfel de sisteme sunt variate, ele îmbunătăţind activitatea din diverse domenii. MEMS-urile sunt bazate pe materiale cu proprietăţi speciale ce pot determina variaţia unei mărimi în funcţie de o alta. Unul din cele mai utilizate materiale pentru astfel de sisteme este siliciul deoarece el are proprietăţi electrice cât şi mecanice foarte bune. Siliciul este microprelucrat şi i se aplică procese LIGA (litographie, galvanoformung, abformung) pentru a obţine un astfel de sistem. Printre cele mai utilizate forme de siliciu se află cel policristalin depus în straturi subţiri cu ajutorul procesului de depunere chimică de vapori la presiune joasă. Împreună cu acesta se pot depune straturi de siliciu amorf. Dioxidul de siliciu este un alt compus foarte utilizat, el putând fi folosit şi ca strat mască pentru filmele subţiri de polisiliciu. Apariţia MEMS-urilor a determinat o creştere exponenţială a siguranţei în domeniul auto datorită numeroaselor aplicaţii în care sunt folosite. Se pot distinge patru categorii de MEMS-uri ce pot fi găsite într-un autovehicul: accelerometre, senzori de presiune, oscilatoare şi actuatori.a adus un beneficiu mare în industrie prin reducerea dimensiunilor, creşterea performanţelor şi a timpilor de răspuns.\
1.Generalități MEMS= Micro Electro Mechanical Systems Sunt sisteme integrate de dimensiuni mici (milimetrii micrometrii) alcătuite din elemente electrice și mecanice. MEMS-urile sunt clasificate în trei categorii: a. Traductori ce sunt dispozitive care transformă un semnal în energie electrică și invers. Ex: Traductoare de tensiune, de curent, de presiune, de temperatură, de nivel, inductivi, traductori pentru aparatura medicală. b. Senzorii ce sunt dispozitive ce preiau informația dintr-un anumit mediu, măsurând o anumită mărime fizică caracteristică. Ex: Senzorii de temperatură, umiditate, nivel apă, fum şi gaz, tensiune şi intensitate curent, mişcare şi poziţie, flux de aer, proximitate (inductivi). c. Actuatorii ce sunt dispozitive ce realizează conversia unui semnal electric sau termic în lucru mecanic. Ex: Actuator deschidere portbagaj, actuator închidere centralizată cu 2 fire (pt. rezervorul auto). MEMS-urile au aplicații larg răspândite în diverse domenii cum ar fi: -domeniul medical ( un dispozitiv MEMS poate fi implantat în corpul uman; dispozitivele chirurgicale realizate cu ajutorul MEMS-urilor oferă flexibilitatea și acuratețea necesară pentru a realiza operații complexe); -domeniul automotive (sisteme airbag, sisteme de securitate ale vehiculelor, detecția în cazul răsturnării, închidere automată a mașinii); - giroscop; -microfon; -în accelerometre ( declanșarea airbagurilor, telefoane smart, jocuri video cu detector de mișcare).
2.Actuatori piezoelectici O aplicaţie din domeniul auto se referă la partea de management al motorului. Principala componentă a maşinii dispune de un număr foarte mare de părţi în mişcare. Acestea sunt gestionate de un calculator care primeşte informaţii de la numeroşi senzori şi comandă actuatori. Majoritatea senzorilor şi actuatorilor au dimensiuni foarte mici şi sunt făcuţi cu MEMS-uri. Un exemplu ar fi sisteme de injecţie bazate pe MEMS-uri piezoelectrice. Acestea îşi modifică dimensiunile în prezenţa unei sarcini electrice. Astfel injectoarele pot fi comandate electronic şi nu mecanic ca în trecut. Chiar şi faţă de sistemele cu solenoid, cele piezoelectrice au avantajul unui timp de răspuns mult mai mic şi o precizie mult mai mare. De aceea, maşinile care folosesc astfel de sisteme sunt mult mai economice datorită unui sistem de aprindere eficient. La ora actuală se folosesc astfel de injectoare în motoarele diesel.
3. Senzor de presiune piezoelectric Un alt tip de MEMS foarte întâlnit în automobilistică îl reprezintă senzorul de presiune din roţi. El a devenit obligatoriu în SUA în anul 2007, ducând la sporirea utilizării MEMS-urilor în industrie. Senzorul de presiune conţine fie un MEMS capacitiv, ce îşi va modifica capacitatea în funcţie de presiunea care este exercitată asupra sa, fie unul piezoelectric, care va modifica o tensiune în funcţie de presiunea care este aplicată. Astfel capacitatea sau tensiunea poate fi citită de un microcontroller care o va transmite mai departe către celelalte calculatoare din maşină. De asemenea, în aceeaşi carcasă poate fi înglobat şi un MEMS de tip giroscop care poate detecta orice mişcare neregulată a roţii la care este ataşată. Astfel se pot detecta posibile probleme la sistemul de direcţie al maşinii înainte ca ascesta să producă un incident.
Principiul de funcţionare a unui astfel de MEMS piezoelectric este relativ simplu: diafragma de silicon este mişcată de presiunea aerului sau a altui gaz. Aceasta determină modificarea unor rezistenţe piezoelectrice plasate pe diafragmă în locuri specifice. Rezistenţele alcătuiesc o punte Wheatstone ce poate transpune mişcarea diafragmei întro diferenţă de potenţial electric. 4. Senzor de presiune capacitiv MEMS-urile pot fi folosite şi pentru a măsura cantitatea de aer dintr-o conductă. Astfel ele sunt folosite atât la sistemul de admisie, unde împreună cu injectoarele piezoelectrice pot genera un consum optim al motorului. O altă utilizare este însă în
sistemul de ventilaţie, pentru a putea determina volumul de aer introdus. Astfel se poate adapta viteza aerului introdus pentru a fi cât mai constantă. În astfel de aplicaţii se folosesc MEMS-uri capacitive: Principiul este de modificare a distanţei dintre cei doi electrozi în momentul în care o presiune este exercitată asupra membranei de silicon. Formula este următoarea: Deoarece în formulă se modifică d, reprezentând distanţa între cei doi electrozi, aceasta va determina o modificare de capacitate. 5. Senzor de temperatură MEMS-urile mai sunt folosite în automobile pentru a măsura temperatura în anumite puncte. Astfel termocuplele pot măsura temperatura lichidului de răcire şi, dacă este necesar, pot determina acţionarea unui ventilator ce poate răci suplimentar.
Principiul de funcţionare a unei termocuple este de generare a unei forţe electromotoare (emf) generată de incălzirea unei joncţiuni alcătuită din materiale diferite. Tensiunea generată este produsul dintre diferenţa de temperatură şi coeficientul Seebeck. Exemple de materiale utilizate: Mai multe termocuple se pot grupa alcătuind o termopilă căruia îi va varia tensiunea generată cu formula exprimată anterior, la care se va mai înmulţi numărul de termocuple utilizate.
Un astfel de sistem poate genera tensiuni la ieşire de până la 100mV, având un timp de răspuns de ordinul zecilor de milisecunde (aproximativ 50ms). 6. Concluzii Industria auto este într-o continuă schimbare şi perfecţionare. Nevoia oamenilor de a dispune de maşini cât mai sigure şi mai eficiente a determinat căutarea de noi soluţii adoptând tehnologii folosite în alte industrii (cum ar fi aeronautică şi IT). MEMS-urile au deschis un nou capitol în ceea ce priveşte maşina viitorului. Ele fac posibilă implementarea de soluţii mult mai eficiente, de cele mai multe ori cu costuri mai reduse. Performanţele foarte bune a MEMS-urilor, cât şi dimensiunile reduse, le fac favorite în aplicaţiile care necesită un grad de siguranţă foarte ridicat. Giganţii din industria auto mizează pe dezvoltarea MEMS-urilor până la un nivel în care se va putea renunţa în totalitate la sistemele clasice cu structuri electromecanice de dimensiuni mari. În fiecare an, aceştia preconizează creşteri între 9% şi 14% a ratei de exploatare a MEMS-urilor în automobile. China este ţara care a adoptat cel mai devreme MEMS-urile şi este are cea mai mare creştere în folosirea lor. MEMS-urile au făcut posibilă integrarea de multiple elemente cu funcţionalităţi diferite în aceeeaşi carcasă, astfel determinând o eficienţă mult mai mare a modului de organizare a sistemelor dintr-un autovehicul. În concluzie, viitorul industriei auto va evolua odată cu evoluţia MEMS-urilor.
7. Bibliografie: http://wikipedia.org/ https://www.engr.sjsu.edu/ https://ro.wikipedia.org/wiki/termocuplu http://telecom.etc.tuiasi.ro/telecom/staff/dionescu/d iscipline %20predate/mems_curs/Curs_1_MEMS.pdf https://www.sensorsmag.com/components/mems-sensors-are-driving-automotiveindustry