- Dispositivos y aplicaciones MEMS
- Acelerómetros MEMS
- Sensores de presión MEMS
- Micrófono MEMS
- Magnetómetro MEMS
- Giroscopio MEMS
MEMS son las siglas de Micro-Electro-Mechanical Systems y se refiere a dispositivos del tamaño de un micrómetro que tienen componentes electrónicos y partes mecánicas móviles. Los dispositivos MEMS se pueden definir como los dispositivos que tienen:
- Tamaño en micrómetros (1 micrómetro a 100 micrómetros)
- El flujo de corriente en el sistema (eléctrico)
- Y tiene partes móviles en su interior (mecánico)
A continuación se muestra la imagen de la parte mecánica de un dispositivo MEMS bajo un microscopio. Puede que esto no se vea increíble, pero ¿sabe que el tamaño del engranaje es de 10 micrómetros, que es la mitad del tamaño del cabello humano? Por tanto, es muy interesante saber cómo se incrustan estructuras tan complejas en un chip del tamaño de unos pocos milímetros.
Dispositivos y aplicaciones MEMS
Esta tecnología se introdujo por primera vez en la década de 1965, pero la producción en masa no comenzó hasta 1980. En la actualidad, hay más de 100 mil millones de dispositivos MEMS actualmente activos en varias aplicaciones y se pueden ver en teléfonos móviles, computadoras portátiles, sistemas GPS, automóviles, etc.
La tecnología MEMS está incorporada en muchos componentes electrónicos y su número crece día a día. Con el avance en el desarrollo de dispositivos MEMS más baratos, podemos verlos asumiendo muchas más aplicaciones en el futuro.
Como los dispositivos MEMS funcionan mejor que los dispositivos normales, a menos que entre en juego una tecnología de mejor rendimiento, MEMS permanecerá en el trono. En la tecnología MEMS, los elementos más notables son los microsensores y los microactuadores que se clasifican adecuadamente como transductores. Estos transductores convierten la energía de una forma a otra. En el caso de los microsensores, el dispositivo normalmente convierte una señal mecánica medida en una señal eléctrica y un microaccionador convierte una señal eléctrica en salida mecánica.
A continuación se explican algunos sensores típicos basados en tecnología MEMS.
- Acelerómetros
- Sensores de presión
- Micrófono
- Magnetómetro
- Giroscopio
Acelerómetros MEMS
Antes de entrar en diseño, analicemos el principio de funcionamiento utilizado en el diseño del acelerómetro MEMS y, para ello, considere una configuración de resorte de masa que se muestra a continuación.
Aquí una masa se suspende con dos resortes en un espacio cerrado y se considera que la instalación está en reposo. Ahora bien, si el cuerpo de repente comienza a moverse hacia adelante, la masa suspendida en el cuerpo experimenta una fuerza hacia atrás que provoca un desplazamiento en su posición. Y debido a este desplazamiento, los resortes se deforman como se muestra a continuación.
Este fenómeno también debe ser experimentado por nosotros cuando estamos sentados en cualquier vehículo en movimiento como un automóvil, autobús, tren, etc., por lo que se utiliza el mismo fenómeno al diseñar los acelerómetros.
pero en lugar de masa, usaremos placas conductoras como parte móvil unida a los resortes. Toda la configuración será como se muestra a continuación.
En el diagrama, consideraremos la capacitancia entre la placa móvil superior y una placa fija:
C1 = e 0 A / d1
donde d 1 es la distancia entre ellos.
Aquí podemos ver que el valor de la capacitancia C1 es inversamente proporcional a la distancia entre la parte superior que mueve la placa y la placa fija.
La capacitancia entre la placa móvil inferior y la placa fija.
C2 = e 0 A / d2
donde d 2 es la distancia entre ellos
Aquí podemos ver que el valor de capacitancia C2 es inversamente proporcional a la distancia entre la placa móvil inferior y la placa fija.
Cuando el cuerpo está en reposo, las placas superior e inferior estarán a la misma distancia de la placa fija, por lo que la capacitancia C1 será igual a la capacitancia C2. Pero si el cuerpo se mueve repentinamente hacia adelante, las placas se desplazan como se muestra a continuación.
En este momento, la capacitancia C1 aumenta a medida que disminuye la distancia entre la placa superior y la placa fija. Por otro lado, la capacitancia, C2 disminuye a medida que aumenta la distancia entre la placa inferior y la placa fija. Este aumento y disminución en la capacitancia es linealmente proporcional a la aceleración en el cuerpo principal, por lo que cuanto mayor es la aceleración, mayor es el cambio y menor es la aceleración, menor es el cambio.
Esta capacitancia variable se puede conectar a un oscilador RC u otro circuito para obtener la lectura de corriente o voltaje adecuada. Después de obtener el valor de voltaje o corriente deseado, podemos usar esos datos para un análisis posterior fácilmente.
Aunque esta configuración se puede utilizar para medir la aceleración con éxito, es voluminosa y poco práctica. Pero si usamos la tecnología MEMS podemos reducir toda la configuración a un tamaño de unos pocos micrómetros, lo que hace que el dispositivo sea más aplicable.
En la figura anterior, puede ver la configuración real utilizada en un acelerómetro MEMS. Aquí, las múltiples placas de condensadores están organizadas tanto en dirección horizontal como vertical para medir la aceleración en ambas direcciones. La placa del condensador tiene un tamaño de unos pocos micrómetros y toda la configuración tendrá un tamaño de hasta unos pocos milímetros, por lo que podemos usar este acelerómetro MEMS en dispositivos portátiles que funcionan con batería, como teléfonos inteligentes, fácilmente.
Sensores de presión MEMS
Todos sabemos que cuando se aplica presión sobre un objeto, éste se deformará hasta alcanzar un punto de ruptura. Esta deformación es directamente proporcional a la presión aplicada hasta un cierto límite y esta propiedad se utiliza para diseñar un sensor de presión MEMS. En la siguiente figura puede ver el diseño estructural de un sensor de presión MEMS.
Aquí se montan dos placas conductoras sobre un cuerpo de vidrio y habrá un vacío entre ellas. Una placa conductora está fija y la otra placa es flexible para moverse bajo presión. Ahora, si toma un medidor de capacitancia y toma una lectura entre dos terminales de salida, entonces puede observar un valor de capacitancia entre dos placas paralelas, esto se debe a que toda la configuración actúa como un capacitor de placa paralela. Dado que actúa como un condensador de placas paralelas, como de costumbre, todas las propiedades de un condensador típico se le aplican ahora. En la condición de reposo, llamemos C1 a la capacitancia entre dos placas.
se deformará y se acercará a la capa inferior como se muestra en la figura. Debido a que las capas se acercan, la capacitancia entre dos capas aumenta. Entonces, a mayor distancia, menor capacitancia y menor distancia mayor capacitancia. Si conectamos esta capacitancia a un resonador RC, entonces podemos obtener señales de frecuencia que representan la presión. Esta señal se puede enviar a un microcontrolador para su posterior procesamiento y procesamiento de datos.
Micrófono MEMS
El diseño del micrófono MEMS es similar al del sensor de presión y la siguiente figura muestra la estructura interna del micrófono.
Consideremos que la configuración está en reposo y en esas condiciones la capacitancia entre la placa fija y el diafragma es C1.
Si hay ruido en el ambiente, el sonido ingresa al dispositivo a través de una entrada. Este sonido hace que el diafragma vibre haciendo que la distancia entre el diafragma y la placa fija cambie continuamente. Esto, a su vez, hace que la capacitancia C1 cambie continuamente. Si conectamos esta capacitancia cambiante al chip de procesamiento correspondiente, podemos obtener la salida eléctrica para la capacitancia cambiante. Debido a que la capacitancia cambiante se relaciona directamente con el ruido en primer lugar, esta señal eléctrica se puede utilizar como una forma convertida del sonido de entrada.
Magnetómetro MEMS
El magnetómetro MEMS se utiliza para medir el campo magnético terrestre. El dispositivo está construido sobre la base del efecto Hall o el efecto magnetorresistivo. La mayoría de los magnetómetros MEMS utilizan el efecto Hall, por lo que analizaremos cómo se utiliza este método para medir la intensidad del campo magnético. Para eso, consideremos una placa conductora y tengamos los extremos de un lado conectados a una batería como se muestra en la figura.
Aquí puede ver la dirección del flujo de electrones, que va desde el terminal negativo al terminal positivo. Ahora, si se acerca un imán a la parte superior del conductor, los electrones y protones en el conductor se distribuyen como se muestra en la siguiente figura.
Aquí los protones que llevan carga positiva se juntan en un lado del avión, mientras que los electrones que llevan carga negativa se juntan exactamente en el lado opuesto. En este momento, si tomamos un voltímetro y lo conectamos en ambos extremos, obtendremos una lectura. Esta lectura de voltaje V1 es proporcional a la intensidad de campo experimentada por el conductor en la parte superior. El fenómeno completo de generación de voltaje mediante la aplicación de corriente y campo magnético se denomina efecto Hall.
Si se diseña un sistema simple usando MEMS, basado en el modelo anterior, obtendremos un transductor que detecta la fuerza del campo y proporciona una salida eléctrica linealmente proporcional.
Giroscopio MEMS
El giroscopio MEMS es muy popular y se utiliza en muchas aplicaciones. Por ejemplo, podemos encontrar giroscopio MEMS en aviones, sistemas GPS, teléfonos inteligentes, etc. El giroscopio MEMS está diseñado en base al Efecto Coriolis. Para comprender el principio y el funcionamiento del giroscopio MEMS, echemos un vistazo a su estructura interna.
Aquí S1, S2, S3 y S4 son los resortes que se utilizan para conectar el bucle exterior y el segundo bucle. Mientras que S5, S6, S7 y S8 son resortes que se utilizan para conectar el segundo bucle y la masa 'M'. Esta masa resonará a lo largo del eje y, como se muestra en las direcciones de la figura. Además, este efecto de resonancia generalmente se logra mediante el uso de la fuerza de atracción electrostática en los dispositivos MEMS.
En condiciones de reposo, la capacitancia entre dos placas cualesquiera en la capa superior o inferior será la misma, y seguirá siendo la misma hasta que haya un cambio en la distancia entre estas placas.
Suponga que si montamos esta configuración en un disco giratorio, habrá un cierto cambio en la posición de las placas como se muestra a continuación.
Cuando la configuración se instala en un disco giratorio como se muestra, entonces la masa que resuena dentro de la configuración experimentará una fuerza que causará el desplazamiento en la configuración interna. Puede ver que los cuatro resortes S1 a S4 se deforman debido a este desplazamiento. Esta fuerza experimentada por la masa resonante cuando se coloca repentinamente en un disco giratorio puede explicarse por el efecto Coriolis.
Si omitimos los detalles complejos, entonces se puede concluir que debido al cambio repentino de dirección hay un desplazamiento presente en la capa interna. Este desplazamiento también hace que cambie la distancia entre las placas de los condensadores en las capas inferior y superior. Como se explicó en ejemplos anteriores, el cambio en la distancia hace que cambie la capacitancia.
Y podemos usar este parámetro para medir la velocidad de rotación del disco en el que se coloca el dispositivo.
Muchos otros dispositivos MEMS están diseñados con tecnología MEMS y su número también aumenta cada día. Pero todos estos dispositivos tienen una cierta similitud en el funcionamiento y el diseño, por lo que al comprender los pocos ejemplos mencionados anteriormente, podemos comprender fácilmente el funcionamiento de otros dispositivos MEMS similares.