Technologie MEMS umožňuje výrobu pokročilých senzorů

Když byla před asi 15 lety vyvinuta technologie umožňující výrobu elektromechanických systémů v mikroskopickém měřítku, zvaná MEMS, očekávalo se, že umožní vytvoření nových příležitostí, ačkoli ještě nebylo jasné, jak. Jak se technologie vyvíjela, byly činěny pokusy aplikovat ji stejným způsobem jako elektromechanické systémy ve velkém měřítku, včetně pokusů o konstrukci jednoduchých strojů využívajících převody a páky v rozměrech tisícin milimetru. Tyto mechanismy byly konstruovány s využitím technik převzatých z oboru běžných polovodičů a posloužily ke zdokonalení procesu. Jejich komerční využití však bylo omezené.

Schopnost spolehlivě a opakovaně vytvářet trojrozměrné struktury v takto malém měřítku však brzy našla využití v oblasti biomedicínského inženýrství. Tyto struktury bylo možné použít v oblastech, kde velké elektromechanické stroje neplnily svůj účel, například při zpracování kapalin na buněčné úrovni. Následně se medicínský výzkum a diagnostika staly hlavními oblastmi využití této technologie. Tyto relativně okrajové aplikace, které jsou dnes cenné zejména pro odborníky a specialisty, mohou být v dalším vývoji přizpůsobeny pro nasazení v zařízeních pro domácí péči, takže pacienti budou moci použít diagnostické přístroje založené na technologii MEMS ke sledování a řízení svého zdravotního stavu v relativním pohodlí domova.

I to je stále hudbou budoucnosti, ale neznamená to, že technologie MEMS ještě nenašla své místo na trhu. Četnost použití snímačů založených na technologii MEMS v integrovaných systémech v současnosti roste exponenciální řadou. Tento růst je poháněn zejména použitím v mobilních telefonech. Právě tento explozivní nárůst masových aplikací se stal pobídkou k větším investicím do vývoje snímačů založených na technologii MEMS pro stále širší škálu aplikací.

Obr. 1 Zařízení LSM303DLH společnosti STMicroelectronics nabízí tříosý akcelerometr a tříosý digitální magnetometr v jednom balení, s integrovanou řídicí logikou a rozhraním I2C. Je ideální pro mobilní telefony.

Xhead: pohyblivé součásti

Snímače vždy hrály důležitou roli v komplexních systémech, zejména v aplikacích citlivých na bezpečnost. Například na strojních zařízeních se často používají magnetické snímače, které sledují, zda jsou ochranné kryty otevřeny či zavřeny. S vývojem technologie však tyto snímače nabývají na důležitosti i v jiných oblastech a se zavedením technologie MEMS se stávají čím dál „chytřejšími“. Schopnost integrovat snímače s elektronikou byla v dobách, kdy se technologie MEMS začínala zavádět, její nejvýznamnější silnou stránkou. Dnes mohou výrobci tento potenciál plně využít.

Základním prvkem každého systému MEMS je konstrukce komplexních zařízení, jejichž jednotlivé součásti se pohybují nebo mají volnost pohybu v jedné, dvou nebo třech osách, spojená se schopností tento pohyb, jakkoli malý, měřit. Právě tato schopnost je jádrem hodnoty snímače založeného na technologii MEMS, protože umožňuje výrobcům přidat do řady svých produktů nový rozměr.

Obr. 2 Testovací systém pro digitální inerciální snímače ADI iMEMS® je úplný systém, který umožňuje rychlou a snadnou konfiguraci, testování a analýzu výkonových charakteristik a integrovaných funkcí vysoce výkonných inerciálních snímačů ADI s digitálním výstupem.

Typicky se jedná o akcelerometry, gyroskopy a sklonoměry, které jsou ovlivněny pohybem a mohou jej tedy měřit. Dalším příkladem aplikace je systém MEMS s membránou, která je citlivá na změny tlaku v kapalině. Tato zařízení jsou nyní dostatečně malá na to, aby mohla být použita v lékařských přístrojích implantovaných do těla pacienta. Snímače pohybu se v dnešní době začínají běžně vyskytovat na masovém trhu. Akcelerometry, které se původně používaly ve snímačích airbagů, nalezneme dnes v mobilních telefonech, herních ovladačích a dalších inovativních ovládacích zařízeních. Nejvíce rozšířenou aplikací dneška jsou pravděpodobně bezdrátové ovladače, které umožňují hráčům videoher pohodlněji ovládat herní konzole, jako například Xbox nebo Playstation. Společnost Kionix je významným dodavatelem inerciálních zařízení MEMS, která se nacházejí v mnoha současných ovladačích. Společnost RS Components nabízí řadu tříosých akcelerometrů Kionix spolu se sadami pro vývoj a testování.

Podobným příkladem jsou gyroskopy, které umožňují měřit malé změny orientace ve třech osách pohybu. Tato funkce se využívá například v řídicích systémech letadel. V mobilních zařízeních současnosti lze gyroskopy založené na technologii MEMS použít pro zjištění pohybu nebo změny orientace v důsledku náhodné či úmyslné škodlivé činnosti. Dokážou zjistit například orientaci monitoru nebo neoprávněnou manipulaci se zařízením. V kombinaci se snímači GPS dokážou snímače MEMS asistovat při ovládání navigace. Příkladem jsou kompasy založené na technologii MEMS, které se v dnešní době integrují do mobilních telefonů a zajišťují orientaci mapy ve směru pohybu.

Například zařízení LSM303DLH společnosti STMicroelectronics nabízí tříosý akcelerometr a tříosý digitální magnetometr v jednom balení, s integrovanou řídicí logikou a rozhraním I2C. Funkce tohoto zařízení lze nakonfi gurovat tak, aby se aktivovalo při detekci pohybu, například při volném pádu.

Obr. 3 Zařízení společnosti VTI řady SCA61T jsou jednoosé sklonoměry založené na technologii 3D-MEMS, které umožňují přesné měření ve vyrovnávacích aplikacích.

Komplexní testovací sada pro LSM303DLH zahrnuje mikropočítač ST7-USB pro interakci s počítačem, aplikaci eCompass a software s grafickým uživatelským rozhraním.

Xhead: směřování vpřed

Společnost ST je jedním z řady dodavatelů polovodičových součástek, kteří přešli na tuto technologii. V souladu s historickými aplikacemi snímačů MEMS nabízí společnost RS Components akcelerometry od všech předních výrobců, které se vzájemně odlišují především citlivostí, potažmo oblastmi aplikace. Společným rysem těchto zařízení je optimalizovaný formát. Díky aplikaci technik výroby polovodičových součástek jsou zařízení MEMS kompaktní a díky intenzivnímu výzkumu a vývoji vysoce spolehlivá. Díky použitému výrobnímu procesu jsou tato zařízení také snadno ekonomicky dostupná. Tato jejich vlastnost se zdá být hlavním motorem jejich současného komerčního úspěchu.

Společnost VTI vyvinula s využitím jedinečných schopností snímačů MEMS řadu sklonoměrů, které umožňují přesné měření ve vyrovnávacích aplikacích. Lze je použít v řadě oborů, od stabilizace obrazu až po výrobní zařízení. Jednoosý sklonoměr SCA61T společnosti VTI disponuje rozlišením 0,0025° a rozsahem měření až +/−90° a je dodáván s testovací sadou.

Podle společnosti iSuppli, která se zabývá analýzou trhu, budou dodávky snímačů MEMS, zahrnující akcelerometry, gyroskopy, digitální kompasy a snímače tlaku, dramaticky stoupat. Čísla za rok 2009 uváděla přibližně 439 miliónů dodaných jednotek. Do roku 2014 má toto číslo dosáhnout hodnoty 2,2 miliardy.

Analytici se domnívají, že v roce 2014 budou akcelerometry představovat 44 % všech snímačů pohybu v mobilních telefonech a že v této době bude akcelerometry vybaveno 65 % všech telefonů. V roce 2007 tento podíl činil pouhá 2 % a v roce 2009 již 28 %.

Podobně se očekává strmý nárůst využití digitálních kompasů, které budou podporovat funkce systémů GPS, protože hlavní operační systémy pro mobilní telefony (například Android a Windows Phone 7) nyní na základě očekávání trhu přidávají podporu pro tyto funkce. Do telefonů budou také stále častěji integrovány gyroskopické funkce, protože uživatelé budou vyhledávat známá rozhraní podporující rozpoznávání gest.

Trh snímačů MEMS překonal skromné začátky a vykazuje nyní fantastický růst, především díky podpoře ze strany trhu integrovaných zařízení. Se vzrůstající potřebou stále sofistikovanějších snímačů bude společnost RS Components i nadále vynakládat nejvyšší úsilí na podporu konstruktérů prostřednictvím poskytování zdrojů, které potřebují k tomu, aby se přizpůsobili této vzrušující progresivní technologii.