česky english Vítejte, dnes je středa 17. srpen 2022

Systémy MEMS – Terminologie

DPS 6/2016 | Zajímavosti - články
Autor: RNDr. Karel Jurák, Ph.D., Ing. Zuzana Nejezchlebová, CSc.

MEMS a MOEMS jsou anglické zkratky pro MicroElectroMechanical Systems a MicroOptoElectroMechanical Systems. Němčina používá pro podobné systémy název MikroSysteme (Technik). Japonské zdroje používají termín MicroMachines.

Systémy MEMS spojují mikroelektronické a mikromechanické komponenty o rozměrech 1 μm až 100 μm. Systémy MEMS mají rozměry od 20 μm až do 1 mm. Obvykle obsahují základní jednotku (central unit), která zpracovává data (microprocessor), a několik komponent, které reagují s okolím, například MikroSenzory (MicroSensors), resp. MikroOvladače (MicroActuators). Příspěvek je úvodem do této problematiky, včetně anglické a české terminologie.

Pro rozměry MEMS nemusí platit očekávané zákonitosti klasické fyziky. Dominantní může být vliv poměru povrch/ objem komponenty. Převažují pak povrchové jevy elektrostatiky a smáčení nad objemovými efekty, jako jsou setrvačnost a tepelná kapacita.

MEMS se staly reálné až s technologiemi výroby polovodičových součástek, které jsou základními komponentami mikroelektroniky.

Obr. 1 Senzory MEMS v mobilu (Mobile Device Sensors), [WikiComm]

Příklad aplikací: Senzory MEMS v chytrých telefonech (SmartPhones) [Opensource, WikiComm], viz obrázek 1:

  • akcelerometry (accelerometers), potřebné pro stabilizaci portrétů nebo pohledu na krajinu [FIT];
  • gyroskopy (gyroscopes), mj. pro utajený odposlech okolí uživatele mobilu, viz obr. 2;
  • snímače okolního světla (ambient light sensors), pro regulaci podsvícení kláves;
  • magnetometry (magnetometers), pro správnou funkci GPS;
  • snímače „blízkosti“ (proximity sensors) osoby hovořící do mobilu;
  • čidla pro dotykové rozhraní (touch interface), pro otvírání a posouvání aplikací.

Obr. 2 Schéma MEMS-gyroskopu (GyroMEMSschema) [WikiComm]

Pojmy vztahující se k systémům MEMS [62047-1]

  • MikroElektroMechanické Systémy – systémy s mikrorozměry, ve kterých jsou čidla, ovladače a/nebo elektrické obvody integrovány na čipu pomocí polovodičových procesů.
  • Mikroelektromechanická součástka – součástka s mikrorozměry, ve které jsou integrovány ovladače, čidla, mechanické komponenty a/nebo elektrické obvody.
  • Mikrostroj (micromachine) – miniaturizovaná součástka, jejíž komponenty mají velikost několika milimetrů nebo menší, nebo mikrosystém, který byl vytvořen integrací takových součástek.
  • Technologie mikrostrojů (micromachine technology) – technologie, které se vztahují k mikrostrojům.
  • Mikrověda a mikrotechnika (micro- -science and engineering) – věda a technika pro mikroskopický svět mikrostrojů.
  • Jev měřítka (scale effect) – souvisí se změnami v důsledku chování objektů nebo vlastností způsobenými změnou rozměrů objektů.
  • Biomimetika (biomimetics) – vytváření funkcí, které napodobují pohyby nebo mechanizmy organizmů.

Pojmy vztahující se k funkčním prvkům MEMS [62047, csWiki, enWiki]

  • Ovladač; akční člen (actuator) – mechanická součástka, která mění různé typy energií, např. elektrickou, chemickou, na pohybovou energii, k provádění mechanické práce.
  • Mikroovladač (microactuator) – ovladač vytvořený technologií MEMS.
  • Ovladač buzený světlem (light driven actuator) – ovladač, který používá světlo jako řídicí signál nebo jako zdroj energie.
  • Piezoelektrický ovladač (piezoelectric actuator) – ovladač, který používá piezoelektrický materiál.
  • Slitinový ovladač s tvarovou pamětí (shape memory alloy actuator) – ovladač, který používá slitinu s tvarovou pamětí.
  • Elektrostatický ovladač (electrostatic actuator) – ovladač, který používá elektrostatickou sílu.
  • Hřebenový budicí ovladač (comb drive actuator) – elektrostatický ovladač, který sestává ze sady rovnoběžných prstů, s pevnou polohou, svázaných a prokládaných druhou sadou pohyblivých prstů.
  • Výkyvný motor (wobble motor) – elektrostatický motor s proměnnou mezerou, který bez klouzání vytváří otáčivý pohyb rotoru na excentrickém statoru.
  • Mikrosenzor (microsensor) – součástka vytvořená mikrozpracováním, která je používána pro měření fyzikálních nebo chemických veličin.
  • Biosenzor (biosensor) – senzor, který používá v součástce organické látky, které jsou určeny pro měření subsystému, vztahujícímu se k subsystému příslušného organizmu nebo k napodobování organizmu.
  • Integrovaná mikrosonda (integrated microprobe) – sonda z jednoho kusu, která kombinuje mikrosondu a obvod pro zpracování signálu.
  • Měřič zrychlení (accelerometer) – převodník, který mění vstupní zrychlení na výstupní veličinu (obvykle elektrickou), která je úměrná vstupnímu zrychlení.
  • Mikrozrcadlo (micromirror) – reflexní zrcadlo s mikrorozměry, které může být ovládáno pro řízení úhlu reflexe.
  • Rastrující zrcadlo; skenovací zrcadlo (scanning mirror) – zrcadlo, které rastruje světelným svazkem.
  • Optický spínač (optical switch) – optický prvek pro spínání optických signálů bez konverze na elektrické signály.
  • Mikrosvěrka (microgripper) – mechanická součástka, která může uchopit mikroskopický předmět, viz obr. 3.
  • Mikročerpadlo (micropump) – mechanická součástka, která stlačuje malé množství kapaliny a provádí její transport.
  • Mikroventil (microvalve) – mechanická součástka, která řídí průtok kapaliny mikroskopickým kanálem.
  • Integrovaná řídicí jednotka průtoku hmoty (integrated mass flow controller) – součástka pro řízení průtoku plynu, která integruje mikroventil s průtokoměrem vyrobeným pomocí mikrozpracování na substrátu.
  • Mikropalivová buňka (micro fuel cell) – součástka zhotovená mikrozpracováním, která přeměňuje chemickou energii paliva přímo na elektřinu pomocí elektrochemického procesu.
  • Filtry SAW/BAW (SAW/BAW filters) – filtry s povrchovou/objemovou akustickou vlnou, které se běžně používají pro radiofrekvenční aplikace. Elektrický signál se konvertuje na povrchovou/objemovou mechanickou vlnu a po jistém zpoždění se konvertuje zpět na elektrický signál; filtry SAW mají mez do 3 GHz; filtry BAW pracují kolem 2 GHz až 16 GHz.

Obr. 3 Dvě mikrosvěrky (Two_microgrippers), [WikiComm]

Pojmy vztahující se k aplikacím technologie MEMS [62047, csWiki, enWiki]

  • Bio-MEMS (bio-MEMS) – aplikace technologie MEMS v oblasti biologie a/nebo v biomedicínských vědách; Bio-MEMS je zkratka pro „biomedicínské MEMS“.
  • Gyroskop (gyroscope) – mechanické zařízení se setrvačníkem sloužící k určení orientace v prostoru; varianta MEMS využívá např. deskové mikrokondenzátory, které reagují na boční výchylky.
  • RF MEMS – aplikace technologie MEMS v oblasti bezdrátové komunikace používající radiofrekvenční (vysokofrekvenční) pásma; RF MEMS je zkratka pro „radiofrekvenční MEMS“.
  • Laboratoř na čipu (lab-on-a-chip) – systém pro chemický, biochemický nebo biotechnologický proces, který je instalován na mikročipu.
  • Mikro TAS (Micro Total Analysys Systems) – miniaturizované integrované systémy pro chemickou, biochemickou nebo biotechnologickou komplexní analýzu.
  • Mikroskopická chirurgie; mikrochirurgie (microscopic surgery; microsurgery) – chirurgická operace prováděná v pohledu mikroskopu.
  • Aktivní katétr; aktivní cévka (active catheter) – katétr, který může dosáhnout místa určení pomocí volného ohybu s namontovaným mikroovladačem podle odezvy na přijaté vnější řídicí signály.
  • Vláknový endoskop (fibre endoscope) – nástroj, který přenáší obraz pomocí svazku optických vláken použitých uvnitř pozorovaného těla; toto pozorování je nemožné provádět přímo z vnějšku.
  • Chytrá pilulka (smart pill) – robot, který provádí měření a dodávání léku dovnitř těla.
  • Bio chip (bio-chip) – součástka, která sestává z miniaturizovaných zkušebních částí uspořádaných na tuhém substrátu, která připouští provedení různých krátkodobých biologických reakcí.
  • Manipulace s buňkou (cell handling) – manipulace s buňkami nebo působení na buňky.
  • Spojení buněk (cell fusion) – spojování dvou sousedních buněk do jedné buňky zmizením přepážky (septum) mezi nimi.

Literatura

[62047] ČSN EN 62047-x Polovodičové součástky – Mikroelektromechanické součástky – Část 1: Termíny a definice; Část 7: MEMS BAW filtr a duplexer pro řízení a výběr rádiových kmitočtů; Část 19: Elektronické kompasy; Část 20: Gyroskopy

[Opensource] Handbook of Nanoscience and Nanotechnology

[WikiComm] Mobile Device Sensors; GyroMEMSschema; Two microgrippers, commons.wikimedia.org

[csWiki] MEMS, csWikipedia.com

[deWiki] Mikrosystem (Technik), deWikipedia.com

[enWiki] Microelectromechanical systems; MEMS magnetic field sensor, enWikipedia.com

[FIT] Drahanský et at, Accelerometer Based Digital Video Stabilization for General Security Surveillance Systems, FIT, VUT Brno

Partneři

eipc
epci
imaps
ryston-logo-RGB-web
mikrozone
mcu
projectik