Systèmes microélectromécaniques (composants MEMS) et capteurs basés sur ceux-ci

Composants MEMS (MEMS russes) — désigne les systèmes microélectromécaniques. Leur principale caractéristique est qu'ils contiennent une structure 3D mobile. Il se déplace en raison d'influences extérieures. Par conséquent, non seulement les électrons se déplacent dans les composants MEMS, mais également dans les composants.

Les composants MEMS sont l'un des éléments de la microélectronique et de la micromécanique, souvent fabriqués sur un substrat de silicium. Dans leur structure, ils ressemblent à des circuits intégrés monopuce. En règle générale, la taille de ces pièces mécaniques MEMS varie d'unités à des centaines de micromètres, et le cristal lui-même mesure de 20 μm à 1 mm.

La figure 1 est un exemple de structure MEMS

Exemples d'utilisation :

1. Production de divers microcircuits.

2. Les oscillateurs MEMS sont parfois remplacés résonateurs à quartz.

3. Production de capteurs, comprenant :

• accéléromètre ;

• gyroscope

• capteur de vitesse angulaire ;

• capteur magnétométrique;

• baromètres;

• analystes environnementaux;

• transducteurs de mesure de signaux radio.

Matériaux utilisés dans les structures MEMS

Les principaux matériaux à partir desquels les composants MEMS sont fabriqués comprennent :

1. Silicium. Actuellement, la majorité des composants électroniques sont constitués de ce matériau. Il présente un certain nombre d'avantages, notamment: propagation, résistance, ne change pratiquement pas ses propriétés lors de la déformation. La photolithographie suivie d'une gravure est la principale méthode de fabrication des MEMS en silicium.

2. Polymères. Étant donné que le silicium, bien qu'un matériau courant, est relativement coûteux, dans certains cas, des polymères peuvent être utilisés pour le remplacer. Ils sont produits industriellement en grands volumes et avec des caractéristiques différentes. Les principales méthodes de fabrication des polymères MEMS sont le moulage par injection, l'estampage et la stéréolithographie.

Volumes de production basés sur l'exemple d'un grand fabricant

Comme exemple de la demande pour ces composants, prenons ST Microelectronics. Elle investit énormément dans la technologie MEMS, ses usines et usines produisent jusqu'à 3 000 000 d'éléments par jour.

Figure 2 — Installations de production d'une entreprise développant des composants MEMS

Le cycle de production est divisé en 5 grandes étapes principales :

1. Production de puces.

2. Tests.

3. Emballage en caisses.

4. Essais finaux.

5. Livraison aux revendeurs.

Figure 3 — cycle de production

Exemples de capteurs MEMS de différents types

Jetons un coup d'œil à certains des capteurs MEMS populaires.

Accéléromètre Il s'agit d'un appareil qui mesure l'accélération linéaire. Il est utilisé pour déterminer l'emplacement ou le mouvement d'un objet. Il est utilisé dans la technologie mobile, les voitures et plus encore.

Figure 4 — Trois axes reconnus par l'accéléromètre

Figure 5 — Structure interne de l'accéléromètre MEMS

Figure 6 — Structure de l'accéléromètre expliquée

Fonctionnalités de l'accéléromètre utilisant l'exemple de composant LIS3DH :

Accéléromètre 1,3 axe.

2. Fonctionne avec les interfaces SPI et I2C.

3. Mesure sur 4 échelles : ± 2, 4, 8 et 16g.

4. Haute résolution (jusqu'à 12 bits).

5. Faible consommation : 2 µA en mode basse consommation (1Hz), 11 µA en mode normal (50Hz) et 5 µA en mode arrêt.

6. Flexibilité de travail :

• 8 ODR : 1/10/25/50/100/400/1600/5000 Hz ;

• Bande passante jusqu'à 2,5 kHz ;

• FIFO à 32 niveaux (16 bits) ;

• 3 entrées ADC ;

• Capteur de température;

• Alimentation 1,71 à 3,6 V ;

• Fonction d'auto-diagnostic ;

• Boîtier 3 x 3 x 1 mm. 2.

Gyroscope C'est un appareil qui mesure le déplacement angulaire. Il peut être utilisé pour mesurer l'angle de rotation autour de l'axe. De tels appareils peuvent être utilisés comme système de navigation et de contrôle de vol pour les aéronefs : avions et divers drones, ou pour déterminer la position d'appareils mobiles.

Figure 7 — Données mesurées avec un gyroscope

Figure 8 — Structure interne

Par exemple, considérons les caractéristiques du gyroscope MEMS L3G3250A :

• Gyroscope analogique à 3 axes ;

• Immunité aux bruits et vibrations analogiques ;

• 2 échelles de mesure : ± 625°/s et ± 2500°/s ;

• Modes d'arrêt et de veille ;

• Fonction d'auto-diagnostic ;

• étalonnage en usine ;

• Haute sensibilité : 2 mV/°/s à 625°/s

• Filtre passe-bas intégré

• Stabilité à haute température (0,08°/s/°C)

• État d'impact élevé : 10 000 g en 0,1 ms

• Plage de température -40 à 85 °C

• Tension d'alimentation : 2,4 — 3,6 V

• Consommation : 6,3 mA en mode normal, 2 mA en mode veille et 5 μA en mode arrêt

• Boîtier 3,5 x 3 x 1 LGA

conclusions

Sur le marché des capteurs MEMS, en plus des exemples abordés dans le rapport, il existe d'autres éléments, notamment :

• Capteurs multiaxes (par exemple 9 axes)

• boussoles;

• Capteurs pour mesurer l'environnement (pression et température);

• Microphones numériques et plus encore.

Systèmes microélectromécaniques industriels modernes de haute précision qui sont activement utilisés dans les véhicules et les ordinateurs portables.