česky english Vítejte, dnes je sobota 19. září 2020

Mnoho podob MEMS. Od airbagů až po medicínu

DPS 2/2019 | Vývoj - články
Autor: Mark Patrick, Mouser Electronics

Jádro spousty moderních technologií, které dnes využíváme, tvoří Mikroelektromechanické systémy (MEMS). Přenosná elektronika, televize, fitness náramky, kardiostimulátory, automobily, a dokonce i taková kina jsou nyní závislá na neustálých inovacích odehrávajících se v této oblasti. V porovnání se svými většími protějšky bývají zmíněné senzory a mechanismy často nejen výrazně levnější, ale nabídnou rovněž vyšší úrovně integrace, znamenají daleko jednodušší velkosériovou výrobu a zpravidla též budou mnohem spolehlivější.

Jak si pravděpodobně všichni dobře uvědomujeme, struktury MEMS vytváří skupinu součástek, pro které jsou charakteristické právě jejich mikroskopické rozměry. Velikost zmíněných prvků klesá až na úroveň mikronů – tj. méně než tloušťky lidského vlasu. V protikladu k polovodičovým strukturám, se kterými se v tomto měřítku rovněž potkáváme, potřebujeme u prvků MEMS ve spojitosti s jejich konstrukcí vnímat ještě další mechanickou stránku. Součástka totiž slouží ke snímání určitého parametru, nebo zase naopak v takovém prostředí uvádí něco v činnost. Myšlenka stojící v pozadí miniaturizovaných elektromechanických systémů zde již existuje přinejmenším od šedesátých let minulého století (cestu razili vizionáři jako např. Richard Feynman). Budou to však teprve poslední tři desetiletí, ve kterých se výrobním procesům a mikroelektronice jako takové podařilo dostat až do bodu, ve kterém lze prvky MEMS vyrábět komerčně. Jednou z prvních větších aplikací se pro technologii MEMS staly systémy airbagů v automobilech. Počátkem devadesátých let byly společností Analog Devices vyvinuty čipy – akcelerometry − založené na MEMS, sloužící jako detektory nárazu. V porovnání s předchozími rozměrnými prvky byly zmíněné varianty MEMS výrazně levnější, spolehlivější a o poznání menší. Takové výhody pak spustily obrovské prodeje a v průběhu času pomohly airbagům zajistit pozici standardní výbavy automobilů.

Mnoho podob MEMS. Od airbagů až po medicínu

Pokud jde o rozvoj systému MEMS, následující roky byly ve znamení růstu. Světlo světa tak spatřily inkoustové tiskárny s velkým rozlišením, herní konzole s detekcí pohybu (jako třeba Nintendo Wii) a také digitální projektory s vysokým rozlišením, a přesto nízkou cenou. Ačkoli technologie MEMS od té doby vytrvale postupovala kupředu, byl to až nástup chytrých telefonů, které „zařadily“ ještě vyšší rychlost. A nebude to jen o lepší spotřební elektronice, zvláště když zde spolu s postupující technologií v oblasti medicíny pozorujeme též obrovský potenciál pro zlepšení našeho zdraví.

Chytré telefony definovaly novou éru mobilních počítačových systémů s požadavky na rostoucí počet funkcí v ještě menším fyzickém provedení a navíc bez toho, abychom zvyšovali jejich cenu. Takové náročné úkoly by vůbec nebylo možné splnit bez využití technologie MEMS, která umožňuje klasickým součástkám typu mikrofonu či reproduktoru dosahovat menších rozměrů, nižší ceny a stejně tak i spotřeby. Pro další součásti, např. optickou stabilizaci obrazu, detekci pohybu nebo digitálně řešený kompas, bude navíc jedinou možností, jak takovou funkci dostat do velikostně limitovaného smartphonu.

Vedle chytrých telefonů budou MEMS představovat stěžejní základnu také pro nositelnou elektroniku těžící do značné míry právě z rozměrů, proudové spotřeby a možných cenových úspor zajišťovaných touto technologií. Odhlédneme-li pak od spotřebních záležitostí, ať již přenosných, či nositelných, snad nejslibněji se dnes pro MEMS jeví nový trh související s přístroji používanými v medicíně. Pro výbavu do nemocnic, stejně jako v oblasti mobilního lékařství, prvky MEMS nabídnou možnost snižovat náklady, šetřit místem a v porovnání s velkými senzory nezřídka též zajistí vyšší přesnost a také spolehlivost.

Pole působnosti MEMS

Technologie MEMS zahrnuje celou řadu různých součástek, zatímco při výrobě v mikroměřítku využívá postupů přejatých z polovodičového průmyslu, např. fotolitografie a leptání. Prakticky každý mechanický senzor nebo transduktor dnes má svůj protějšek vystavěný na MEMS. Kompletní čip MEMS bude zahrnovat mikromechanický prvek spolu s obvody pro přizpůsobení signálu, to vše na jediném kousku křemíku. Taková vysoká úroveň integrace ve spojení s miniaturizací, neoddělitelně spjatou s MEMS, snižuje cenu součástky, umožňuje snadné zapracování do elektronického zařízení a často rovněž navyšuje spolehlivost.

Zrychlení a setrvačnost

Akcelerometry, stejně jako produkty od společnosti Analog Devices, které způsobily zásadní převrat v oblasti airbagů používaných v automobilech, patří v současnosti stále mezi nejběžnější a zároveň stěžejní prvky MEMS. Nejjednodušší návrh se skládá z hmoty vybavené pružinou spolu s pevnými vnějšími destičkami. Při pohybu nám kapacita mezi pohybující se hmotou a neměnnými zevními plochami pomáhá definovat míru akcelerace poplatně ose, ve které dochází ke změně. Takový lineární akcelerometr pak lze dále rozšířit ve dvou nebo též třech rozměrech. Stačí jen šikovně dosadit a upevnit více lineárních akcelerometrů, příp. uvnitř struktury s pevnými vnějšími destičkami v požadovaných pozicích zbavit funkce hmotu pohybující se ve 3D. V kombinaci s gyroskopy založenými na MEMS mohou akcelerometry vytvářet pokročilé součástky pro snímání pohybu, jako je např. 3D akcelerometr a gyroskop, který je nyní k dispozici od společnosti STMicroelectronics. Podél třech různých os detekuje jak pohyb, tak též otáčení.

MEMS a optika

Kromě akcelerometrů budou prvky DMD (Digital Micromirror Devices), původně zaváděné společností Texas Instruments, další široce využívanou skupinou struktur MEMS zaměřenou tentokrát na optiku. Čipy DMD sestávají z pole miliónů drobných mikroskopických zrcadel. Každé z těchto zrcadel je pak osazeno na jhu a bude se pohybovat pod nastavitelným úhlem, zpravidla do +10 nebo –10 stupňů, v závislosti na elektricky vyjádřeném stavu CMOSového paměťového obvodu, na němž je osazeno.

Ve stavu „zapnuto“ zrcadlo odráží světlo směrem k cíli a ozařuje přitom pixel, zatímco ve stavu „vypnuto“ dojde k přesměrování někam jinam. Abychom dokázali pracovat se stupni šedi, využijeme k rychlému překlápění zrcadel mezi oběma stavy pulzně šířkové modulace. Poměr obou časů pak při vykreslování způsobuje jemné rozdíly. Za účelem vytvoření barvy může světelný zdroj buď střídavě používat červené, zelené a modré světlo, nebo upotřebíme trojici polí DMD – každé pro jinou barvu. Prvky DMD nacházíme v celé řadě optických zařízení, včetně spotřebních a také profesionálních projektorů, televizorů, head-up displejů a tak dále.

Mnoho podob MEMS. Od airbagů až po medicínu 1

Senzory tlaku

Čidla tlaku s MEMS jsou poměrně jednoduchými obvody. Pohyblivá membrána s připojenou elektrodou se posouvá a reaguje přitom na okolní podmínky. Změnu kapacity měříme ve vztahu k pevné elektrodě a stanovujeme tím tlak vyvíjený na součástku.

Této metody využívá i senzor tlaku Omron z obr. 3. Ačkoli je základní myšlenka docela jednoduchá, jsou čidla tlaku s MEMS neuvěřitelně všestranná a dostaneme je v celé řadě podob a forem, s nimiž se dokážou přizpůsobit odlišným návrhům – od mikroskopických barometrických senzorů přes tlaky v pneumatikách automobilů až po aplikace ve zdravotnictví spojené například s katétrem.

Stále více aplikací

Nižší cena spolu s vysokou úrovní integrace, které lze s výrobními postupy u polovodičů dosáhnout, způsobily, že struktury MEMS v současné době najdeme v ohromné řadě aplikací. Zatímco však budou obvody MEMS v oblasti spotřební elektroniky hojně rozšířené, jejich potenciál se pro další trhy, např. medicínu, teprve prozkoumává.

Jak jsme již uvedli, struktury MEMS prostoupily spotřební elektroniku – od optických prvků MEMS (DMD) stojících za HDTV až po nejeden obvod v našich chytrých telefonech, tabletech či nositelné elektronice. Současná podoba smartphonu obzvlášť profituje ze širokého záběru technologie MEMS, což se zase vrací ve schopnosti dostat veškerou výbavu do přenosného zařízení s kompaktními rozměry. Akcelerometry spolu s gyroskopy umožňují telefonu zaznamenat pohyb pro využití v daných aplikacích a automaticky překlápí displej nebo výhled kamery v závislosti na poloze přístroje. Optické stabilizátory obrazu založené na MEMS spolu s integrovanými gyroskopy zase stojí za vznikem drobných příručních divů techniky, s nimiž obdržíme senzační obrazové výstupy. Mikrofony vystavěné na technologii MEMS jsou tak maličké, že se do jediného chytrého telefonu vejdou hned dva s cílem zajistit důmyslné potlačení ruchů okolí. Vedle nových funkcí se však technologie MEMS ve spotřební elektronice využívá rovněž za účelem snížení rozměrů a také spotřeby energie u činností, které tradičně vykonávaly větší součástky. Varianty typu MEMS tak u vf filtrů, proměnných kondenzátorů nebo oscilátorů nahradily jejich méně šikovné protějšky stižené horší spolehlivostí.

Zaostřeno na medicínu

Nejslibnější a zároveň neotřelé využití technologie MEMS dnes bezpochyby nalézáme ve zdravotnictví. Ať již to bude zdokonalení rozměrného vybavení používaného v nemocnicích, nebo též přenosné techniky, příp. podpora nositelných přístrojů a související péče o pacienta, potenciál technologie MEMS, se kterými bude možné posunout lékařství zase o kus dál, začíná teprve vyplouvat na povrch. Tato oblast je spolu se svými projekty prostě na vzestupu. Aktuální příklady zahrnují např. kontaktní čočky od Googlu se sledováním glukózy, senzory v podobě transdermální náplasti detekující elektrolytickou rovnováhu, elektronické pilulky zajišťující přísun léčiva, elektroniku vhodnou k implantování nebo polykatelná čidla.

Ačkoli budou zmíněné špičkové projekty úžasné, musíme jedním dechem dodat, že zavedení naprosto nových a nevyzkoušených technologií znamená v medicíně řadu obtíží. Moderní biomedicínské prvky nevyžadují pouze mezioborovou vývojovou spolupráci kvalifikovaných techniků a lékařů. Neobejdeme se totiž ani bez rozsáhlého testování a certifikací, které by zajistily potřebná schválení.

Ohromných výsledků na poli medicíny lze naštěstí dosáhnout i na základě aktuálně dostupné technologie MEMS. Řada čidel či mechanismů zdokonalených v oblasti spotřební elektroniky bude mít rovněž své originální využití ve zdravotnictví. Senzory tlaku patří na trhu mezi jedny z nejjednodušších součástek MEMS, a přesto se ve zdravotnictví osvědčují jako nesmírně univerzální díly. Jejich „prostota“, možnost snadné miniaturizace a také nízká vlastní spotřeba je skvěle předurčují do celé řady rozměrově malých, ale také větších aplikací v oboru péče o zdraví. Mohou kupříkladu sloužit k měření tlaku vydechovaného vzduchu za účelem rozpoznání příčin respiračních onemocnění. Stejně tak budou miniaturní čidla v katétru nebo hadičce endoskopu pomáhat při monitorování srdečních či ezofageálních obtíží, nebo dokonce chránit zdraví novorozence.

Dalšími prvky MEMS, které jsou běžné ve spotřební elektronice a zdárně prorazily i do medicíny, se stávají akcelerometry. Kromě zcela jasného přínosu v aplikacích pro fitness je lze využít k detekci pádu pacienta (nyní tak populární pro lidi pokročilejšího věku) nebo ve spojení s CPR. V kombinaci s gyroskopem pro zjištění orientace mohou u endoskopu či katétru pomáhat s navigací a také zajistit pokročilou detekci polohy (získáme třeba informaci o držení těla a pozici pacienta za účelem výroby správného elektrického impulzu srdečního kardiostimulátoru).

Příslib daný do budoucna

Z titulu miniaturizace využívající výrobních procesů polovodičů dosahují obvody MEMS nižší ceny. Ušetříme totiž nejen na materiálu, ale rovněž efektivní sériovou výrobou. A poplatně stejným procesům lze navíc struktury MEMS řešit v rámci čipu zahrnujícího veškeré nezbytné zpracování signálu. Vysoká úroveň integrace a provedení ve stylu SMT proto nahrávají nesmírně jednoduchému zapojení obvodů s MEMS.

Je zřejmé, že další oblast, která může ze zmíněné technologie těžit, bude souviset se zdravotní péčí. Zásadní snižování rozměrů MEMS v kombinaci s jejich vysokou přesností snímání nachází ve zdravotnictví úžasné pole působnosti již nyní – a to jsme teprve na začátku. Máme zde učiněnou nově vznikající směsici technologií MEMS, která bude mít zcela jistě svou hodnotu. V budoucnu pak vše upotřebíme při zlepšování kvality života pacientů a také s rostoucí účinností diagnostických procesů.

Partneři

eipc
epci
imaps
papouch
ep
mikrozone
mcu
projectik