TUTORIAL 5418 Manejo de Sistemas microelectromecánicos (MEMS) con control de precisión

Por:
Bill Laumeister, Ingeniero de aplicaciones estratégicas

04 de octubre 2012

Resumen: El número de usos de los sistemas microelectromecánicos (MEMS) es cada vez mayor-que nos permiten realizar trabajos que antes se consideraban imposibles. Este tutorial explica las aplicaciones de MEMS y la creciente necesidad de proporcionar un control preciso y controladores para estos dispositivos. Consideraciones sobre el diseño y la fabricación también son discutidos.

Conducir un sistema microelectromecánicos (MEMS) es muy similar a conducir un vehículo de motor. Esto depende de la aplicación. Los vehículos de motor van desde una moto a los camiones más grandes ( Figura 1 ) que se utilizan en las operaciones mineras. MEMS también sirven diversos mercados. Tan grandes como los camiones de minería pueden ser, MEMS se mueven en la dirección opuesta hacia el microscópico ( Figura 2 ).

Figura 1. Un camión de minería es uno de los vehículos de motor más grandes.

Figura 2. Una araña roja (~ 0,5 mm (~ 0,020 pulgadas) de largo) en un MEMS para comparar el tamaño del engranaje. ⁴
Cortesía de los Laboratorios Nacionales Sandia, Tecnologías de la Cumbre .

La variedad de aplicaciones de MEMS es tan diversa como la imaginación humana. Se extienden a partir de sensores inerciales y no inercial, acelerómetros, actuadores, interruptores y relés, para fluido, gas, y sensores biológicos. También incluyen frecuencia de radio (RF) guías de onda, antenas, resonadores, osciladores, filtros, interruptores, micrófonos ópticos, rejillas, filtros, y giroscopios ^{1, 2, 3} . El universo se está expandiendo MEMS, al igual que la necesidad de proporcionar un control preciso y controladores para estos dispositivos.

Para ordenar las aplicaciones de MEMS, vamos a dividir a lo largo de una línea de uso del sistema. Algunos se utilizan para sensores y mediciones. Estos MEMS producir la entrada al sistema (lado izquierdo de la Figura 3). En el otro extremo del sistema, MEMS se pueden utilizar como dispositivos de salida para controlar, accionar, mover, y producir resultados (lado derecho de la Figura 3).

Figura 3. La división de la plaza del mercado de MEMS de entrada y la función de salida.

Como con cualquier calibración interfaz de analógico a digital para offset, ganancia y linealidad puede ser requerida. Para acelerar las pruebas automáticas, digitalmente asistida analógica, tal como un potenciómetro digital ( potenciómetro digital ) o de digital a analógico (DAC) puede ser conveniente. Cuando el ruido en los sensores es un problema, una referencia de voltaje muy bajo nivel de ruido se puede usar para suministrar energía. Más notas de aplicación, calculadoras, y consejos de sistema se pueden encontrar aquí .

En general, los MEMS se fabrican utilizando modificado circuito integrado de fabricación (fab) técnicas. Al igual que con cualquier esfuerzo de ingeniería, hay técnicas compensaciones. Las decisiones se toman y cerrada por las leyes de la física y el avance de la tecnología. Algunos aspectos del proceso de Fab que hacen que los dispositivos MEMS ideales no siempre son los procesos que hacen buenos componentes de circuitos integrados. Fab procesos han tenido que ser modificados y creados para hacer fabricar MEMS práctica. Al igual que con muchas tecnologías emergentes, hay muchos procedimientos patentados en los diferentes fabricantes. Como el campo crece, circuitos de excitación más externas quedará integrado en el mismo chip como el MEMS. Circuitos de discos externos son convenientes para optimizar y acelerar el desarrollo de prototipos MEMS. Sin embargo, no siempre es óptimo, práctico o económico para integrar todos los circuitos con el MEMS. Vamos a discutir las ideas para los conductores de MEMS para estimular los diseñadores y les permiten elegir la mejor combinación de arquitectura para sus aplicaciones.

Sensor de excitación

Sensores MEMS, como todos los sensores, convertir un cambio en el parámetro físico (por ejemplo, presión, movimiento, aceleración, luz, o inclinación) a un cambio medible, típicamente en resistiva, capacitancia , voltaje, corriente impedancia , o la resonancia. O bien, puede ocurrir lo contrario, un cambio en la polarización eléctrica se traducirá en un movimiento por el dispositivo MEMS (como en el caso de una agrupación de espejos MEMS), como se discute más adelante en este tutorial.

En los sensores, relación señal a ruido es un importante factor limitante. La señal del sensor puede ser amplificada, filtrada y acondicionada para compensar y sesgo antes de ser aplicada a un convertidor de analógico a digital ( ADC ).Además de excitación de corriente continua, formas de onda más compleja puede ser generado utilizando DACs.Dependiendo de la aplicación, una forma de onda compleja se puede utilizar para mejorar la relación señal-ruido ( SNR ) del sistema sensor. También se discuten a continuación es el uso de una máquina de vapor para enfriar un infrarroja (IR) sensor para mejorar la SNR.

Un sensor de presión de silicio es un ejemplo de un dispositivo MEMS que ha estado en uso desde la década de 1970.Hoy en día, indicador de tensión de silicio-sensores son baratos, tienen grandes niveles de salida, y son relativamente robustos. Sin embargo, hay una negativa. Estos sensores sufren de grandes temperatura efectos y tienen una amplia tolerancia en desplazamiento inicial y la sensibilidad. Tutorial 3545, " Fundamentos Bridge resistivas: Part Two "se centra en los indicadores de tensión de alto rendimiento de silicio. Emparejar las características de delta-sigma ADC y corriente impulsados ​​por extensímetros de silicio pueden crear circuitos simples proporcional. Ejemplos de cálculo se proporcionan para entender la resolución ADC y el rango dinámico necesario para compensar estos sensores.

Compensación sensor MEMS se ha basado históricamente en una arquitectura analógica. Cada vez más, vemos digitales ayudando circuitos analógicos. Motores de alto rendimiento de cálculo para el procesamiento digital de la señal del sensor ( DSSP ) ahora son prácticas para su uso en sensores de presión. Tutorial 743, " Enfoques para Span Compensación y Offset en Sensores de presión ", detalla la arquitectura DSSP.

MEMS para el Control y Accionamientos

Espejos, engranajes y motores se utilizan para responder a las señales de control de salida. Un espejo accionado por motor como el de la Figura 4 se utiliza para desviar la luz láser de comunicación de una entrada a una de muchas salidas para actuar como un encaminamiento óptico interruptor .

Figura 4. (A) Un ácaro en un conjunto de espejos, (b) Primer plano del espejo elevada.
Cortesía de los Laboratorios Nacionales Sandia, Tecnologías de la Cumbre .

Actuadores moviendo espejos realmente utilizan motores pequeños si se define un motor o un motor como una máquina que convierte la energía del movimiento. La siguiente sección hace hincapié en que la conversión, y sí que incluye motores microscópicas de vapor.

Motores: Los motores electrostáticos, magnéticos y de vapor

La estructura de peine ( Figura 5 ) aumenta la potencia del motor electrostático. En lugar de volver con un muelle, una segunda estructura de peine puede ser utilizado. Conducción ambos peines diferencialmente resulta en una acción de balanceo que se podía utilizar la granularidad pequeña de un DAC precisión como una ventaja.

Figura 5. Un motor de peine. Los muelles en el centro de proporcionar la fuerza de recuperación, volviendo los dientes del peine electrostáticas a su posición original. Cortesía de los Laboratorios Nacionales Sandia, Tecnologías de la Cumbre .

Sin embargo, ¿qué pasa si sólo hay unos pocos o incluso sólo un juego de placas con grandes separaciones relativa? La fuerza electrostática no es lineal , se sigue la ley de Coulomb. El tamaño, la forma y el contorno de los electrodos o placas de controlar la forma de la curva de atracción. Esta es la razón por DACs se usan para accionar dichos dispositivos no lineales. Al seleccionar y escoger los valores digitales, podemos aproximar una curva arbitraria.

Digamos que tenemos una curva exponencial en un extremo (el extremo izquierdo de esta discusión). El cambio ocurre lentamente, por lo que aquí puede ser que necesite una granularidad de 6 bits. En el extremo opuesto a la derecha de la curva, la velocidad de cambio es necesario más rápido, por lo que puede necesitar 16 bits para aproximación. Así, un DAC de 16-bit se utiliza, en el lado izquierdo, los códigos se omiten para dar 6-bits de resolución. A medida que avanzamos de izquierda a derecha, el número de códigos omitido disminuye progresivamente hasta que en el lado derecho, estamos usando todos los códigos de 16-bits. Este ajuste de forma de onda se puede medir y se coloca en la memoria para calibrar un dispositivo dado. O una curva general o típico puede ser adecuado, dependiendo de la aplicación.

Motores MEMS magnéticos funcionan con imán atracción y repulsión al igual que motores más grandes. Bobinas de alambre externos puede motivar a los MEMS, o bobinas pueden ser integrados en la estructura MEMS. Con un motor paso a paso de dos fases y en el circuito de la Figura 6 , se puede conducir el paso a paso con los niveles de potencia adecuados. Un DAC y amplificador fase uno y la unidad de DAC y otro conductor servirá fase dos. Otros motores pueden requerir tres, cuatro, o más fases. Una onda cuadrada de la diferencia de fase apropiada entre la fase uno y dos causará que el motor gire en sentido horario o antihorario. ¿Por qué uno obtener una onda cuadrada con un par de DACs, y mucho menos un DAC de precisión? Aquí hay dos razones: en tamaños microscópicos, fuerzas atómicas añadir a la fricción normal y fricción estática. Puede ser deseable para incrementar la amplitud de accionamiento para unos pocos ciclos para iniciar el movimiento y para mantener la posición, la reducción de la corriente de accionamiento se reducir la disipación de potencia. La segunda razón es que una fase de motor paso a paso se puede alisar y controlar con mayor precisión mediante la aplicación de una onda sinusoidal o forma de onda de otra para proporcionar una aceleración y control de posición.

Figura 6. Motor controlador para un motor paso a paso de dos fases.

Al principio, una máquina de vapor MEMS parece una vuelta al pasado en un circuito integrado. Nos encanta ver y escuchar una locomotora de vapor en los ferrocarriles, ¿por qué molestarse en MEMS? Steam tiene algunas características-los grandes motores de pistones que impulsan las ruedas de ferrocarriles tienen par máximo a cero revoluciones por minuto (RPM), exactamente lo que se necesita para mover grandes cargas.

Para un dispositivo MEMS, casi todo en el universo es una gran carga. Una máquina de vapor sólo necesita una fuente de calor para operar. El fluido tiene que cambiar de líquido a vapor y de nuevo a una temperatura conveniente. ¿Y dónde estamos tratando de reducir el calor en la mayoría de los circuitos, el calor se convierte ahora en nuestra amiga. Cuando pensamos en un tubo de calor con un fluido calor se transfiere de un lugar a otro, podríamos pensar que es un motor que no realiza trabajo externo como una máquina de vapor hace. Así como extraño que parezca, la figura 7 muestra una máquina de vapor MEMS.

Figura 7. Un triple pistón Microsteam motor. Cortesía de los Laboratorios Nacionales Sandia, Tecnologías de la Cumbre .

Agua u otro líquido del interior de tres cilindros de compresión se calienta por la corriente eléctrica y se vaporiza, empujando el pistón hacia fuera. Las fuerzas capilares entonces retraer el pistón una vez que se corta la corriente. Una película de un solo pistón de funcionamiento del motor de vapor es available.5 Una aplicación muy práctica de una máquina de vapor es un motor Sterling utilizado como un refrigerador para enfriar sensores infrarrojos y amplificadores de bajo ruido (LNA).

Una operación más rápida es posible con espejos accionados electrostáticamente.

Figura 8. El circuito de control para un espejo de dos cuadrantes electrostática.

Dispositivos electrostáticos MEMS a menudo requieren altos voltajes de polarización DC-(40V a 100V) a corriente baja (<1 mA), pero la tensión de alimentación disponible puede ser de 12 V <. Nota de aplicación 1751, " High-V DC-DC convertidor es ideal para MEMS (Advertencia: Alta Tensión en circuito) "pone de relieve un convertidor DC-DC que combina inductivos y capacitivos step-up circuito, logrando la alta tensión sin la necesidad de un costoso transformador .

Ejemplos de productos basados ​​en MEMS

Un uso de un dispositivo MEMS está en el DS3231M , un bajo costo y gran precisión (± 5 ppm), I ² C reloj de tiempo real (RTC ). Un resonador MEMS proporciona la frecuencia de oscilación, y el resonador está montado en la parte superior de un chip de lógica digital que contiene el bucle de enganche de fase ( PLL ) y la lógica de control. El dispositivo incorpora una entrada de la batería y mantiene cronometraje preciso cuando la alimentación principal al dispositivo se interrumpe. La integración de los MEMS resonador aumenta la precisión a largo plazo del dispositivo, se reduce el tamaño de la RTC, y reduce la cantidad de piezas-parte en la fabricación del producto.

Los usos de MEMS están creciendo, nos permiten realizar trabajos que antes se consideraban imposibles. Aplicaciones biológicas pueden producir y controlar los productos químicos dentro de nuestros cuerpos, y existe la posibilidad de diagnosticar, tratar y curar muchas enfermedades que la humanidad problemas. "Dentro de MEMS" máquinas están proliferando en muchos campos. ³ Como los dispositivos MEMS son inventados, los ingenieros electrónicos se inventa y adaptar circuitos analógicos y digitales para optimizar la conducción MEMS.

Referencias

1. Amplias fotos MEMS de mecanismos diferentes: http://mems.sandia.gov/gallery/images.html .
2. MEMS Industry Group: www.memsindustrygroup.org .
3. Aplicaciones reales del producto en la aeronáutica / aviación, industrial, automotriz, médica, biotecnológica, de los consumidores, ciencia de la energía / de investigación y otros campos:www.memsindustrygroup.org/i4a/pages/index.cfm?pageid=3933 .
4. El ácaro de la araña está vivo, se puede ver una película de él montado en un equipo:http://mems.sandia.gov/gallery/movies_bugs_on_mems.html .
5. Una película de una máquina de vapor de funcionamiento:http://mems.sandia.gov/gallery/movies_steam_engines.html .
6. Selección de notas de aplicación RTC:
   Nota de aplicación 504, " Consideraciones de diseño para Maxim Real-Time Clocks "
   Nota de aplicación 3506, " la interconexión de un DS3231 con un microcontrolador 8051-Tipo "
   Nota de aplicación 3644, " Consideraciones sobre la fuente de información precisa en tiempo real Clocks "
   Aplicación nota 3816, " Selección de una fuente de reserva para el reloj de tiempo real "

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