微小電気機械システム (MEMS コンポーネント) およびそれに基づくセンサー

MEMS コンポーネント (ロシア語 MEMS) — 微小電気機械システムを意味します。それらの主な特徴は、可動 3D 構造が含まれていることです。外部からの影響で動きます。そのため、MEMS部品内だけでなく、構成部品内でも電子が移動します。

MEMS コンポーネントはマイクロエレクトロニクスおよびマイクロメカニクスの要素の 1 つであり、多くの場合シリコン基板上に製造されます。構造的には、シングルチップ集積回路に似ています。通常、これらの MEMS 機械部品のサイズは単位から数百マイクロメートルの範囲であり、結晶自体は 20 μm ～ 1 mm です。

図1はMEMS構造の一例です

使用例：

1. さまざまなマイクロ回路の製造。

2. MEMS振動子は交換される場合があります 水晶振動子.

3. 以下を含むセンサーの製造:

• 加速度計。

• ジャイロスコープ

• 角速度センサー。

• 磁気測定センサー;

• バロメーター。

• 環境アナリスト。

• 無線信号測定トランスデューサー。

MEMS構造に使用される材料

MEMS コンポーネントの主な材料には次のものがあります。

1.シリコン。 現在、電子部品の大部分はこの材料で作られています。これには、広がり、強度、変形中にその特性が実質的に変化しないなど、多くの利点があります。フォトリソグラフィーとそれに続くエッチングは、シリコン MEMS の主な製造方法です。

2. ポリマー。 シリコンは一般的な材料ですが比較的高価であるため、場合によってはポリマーを代わりに使用できることがあります。これらは工業的に大量に生産されており、さまざまな特性を持っています。高分子MEMSの主な製造方法は、射出成形、スタンピング、光リソグラフィーです。

大手メーカーの例による生産量

これらのコンポーネントの需要の例として、ST マイクロエレクトロニクスを取り上げてみましょう。同社は MEMS テクノロジーに多額の投資を行っており、その工場と工場では 1 日あたり最大 300 万個の要素を生産しています。

図2｜MEMS部品開発会社の生産設備

生産サイクルは 5 つの主な段階に分かれています。

1. チップの製造。

2. テスト。

3. ケースに梱包します。

4. 最終テスト。

5. 販売店への納品。

図3 — 生産サイクル

各種MEMSセンサーの例

人気のある MEMS センサーをいくつか見てみましょう。

加速度計 直線加速度を測定する装置です。オブジェクトの位置や動きを決定するために使用されます。モバイルテクノロジーや自動車などに使用されています。

図 4 — 加速度センサーが認識する 3 軸

図5｜MEMS加速度センサーの内部構造

図6 — 加速度センサーの構造の説明

LIS3DH コンポーネントを使用した加速度センサー機能の例:

1.3軸加速度計。

2. SPI および I2C インターフェイスで動作します。

3. 4 つのスケールで測定: ± 2、4、8、16g。

4. 高解像度 (最大 12 ビット)。

5. 低消費電力: 低電力モード (1Hz) で 2 µA、通常モード (50Hz) で 11 µA、シャットダウン モードで 5 µA。

6. 働き方の柔軟性:

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

• 最大2.5 kHzの帯域幅。

• 32 レベル FIFO (16 ビット)。

• 3つのADC入力。

• 温度センサー;

• 1.71 ～ 3.6 V の電源。

• 自己診断機能;

• ケース3×3×1mm。 2.

ジャイロスコープ 角変位を測定する装置です。軸を中心とした回転角度を測定するために使用できます。このようなデバイスは、飛行機やさまざまな UAV などの航空機のナビゲーションおよび飛行制御システムとして、またはモバイル デバイスの位置を決定するために使用できます。

図7｜ジャイロスコープで測定したデータ

図8｜内部構造

たとえば、L3G3250A MEMS ジャイロスコープの特性を考えてみましょう。

• 3軸アナログジャイロスコープ。

• アナログノイズや振動に対する耐性。

• 2 つの測定スケール: ± 625 °/s および ± 2500 °/s;

• シャットダウンおよびスリープモード。

• 自己診断機能;

• 工場出荷時の校正。

• 高感度: 625°/sで2mV/°/s

• 内蔵ローパスフィルター

• 高温安定性（0.08°/s/°C）

• 高衝撃状態: 0.1msで10000g

• 温度範囲 -40 ～ 85 °C

• 電源電圧: 2.4 - 3.6V

• 消費電力: 通常モードで 6.3 mA、スリープ モードで 2 mA、シャットダウン モードで 5 μA

• ケース 3.5 x 3 x 1 LGA

結論

MEMS センサー市場には、レポートで説明した例に加えて、次のような要素があります。

• 多軸 (9 軸など) センサー

• コンパス;

• 環境（圧力と温度）を測定するためのセンサー。

• デジタルマイクなど。

車両やポータブル ウェアラブル コンピューターで積極的に使用されている最新の産業用高精度マイクロ電気機械システム。