Aktuální vydání

celé číslo

08

2024

Automatizace v potravinářství a farmacii

Měření a regulace průtoku, čerpadla

celé číslo

Technika MEMS umožňuje výrobu pokročilých senzorů

Když byla před asi patnácti lety vyvinuta technologie výroby elektromechanických systémů v mikroskopickém měřítku, zvaných MEMS, očekávalo se, že tyto systémy budou mít velkou budoucnost, ale konkrétní představy o jejich využití chyběly. Jak se technika MEMS vyvíjela, byly činěny pokusy používat ji stejně jako makroskopické elektromechanické systémy, včetně pokusů o konstrukci jednoduchých strojů využívajících převody a páky v rozměrech tisícin milimetru. Tyto mechanismy byly konstruovány s využitím technologií převzatých z oboru výroby polovodičových součástek a pomohly ke zdokonalení procesu výroby MEMS. 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. MEMS se uplatnily v oblastech, kde nemohly být použity makroskopické elektromechanické stroje, např. při zpracování kapalin na buněčné úrovni. Následně se medicínský výzkum a diagnostika staly hlavními oblastmi využití MEMS.

Systémy MEMS umožnují, aby specia­lizovaná medicínská technika překročila práh nemocnic a lékařských klinik a mohla být v dalším vývoji přizpůsobena pro použití v zařízeních pro domácí péči, takže pacienti budou moci použít diagnostické přístroje s MEMS ke sledování svého zdravotního stavu v relativním pohodlí domova.

To je také stále hudba budoucnosti, ale neznamená to, že technika MEMS nenašla své místo na trhu. Četnost použití snímačů založených na technice MEMS v současnosti roste exponenciální řadou. Tento růst je poháněn zejména použitím v chytrých mobilních telefonech. Právě tento obrovský nárůst použití v masovém měřítku se stal pobídkou k větším investicím do vývoje snímačů založených na MEMS.

Ve složitých technických systémech jsou vždy důležité snímače. Je tomu tak zejména u zařízení, kde je nutné zajistit jejich bezpečnost. Například ve strojních zařízeních se často používají magnetické snímače, které sledují, zda jsou ochranné kryty otevřeny či zavřeny. S vývojem techniky však tyto snímače nabývají na důležitosti i v jiných oblastech a se zavedením MEMS se stávají stále „chytřejšími“. Schopnost integrovat analogové snímače s digitální elektronikou je silnou stránkou MEMS už od počátku jejich vývoje, ale teprve teď ji lze plně využít.

Dalším příkladem jsou MEMS s membránovým senzorem tlaku. Tato zařízení jsou nyní dostatečně malá na to, aby mohla být použita v lékařských přístrojích implantovaných do těla pacienta.

Ještě dalším příkladem jsou MEMS s hmotným tělískem, které se může pohybovat v jedné, dvou nebo třech osách. Přidá-li se k tomu schopnost tento pohyb měřit, vzniká akcelerometr nebo sklonoměr, tedy snímače, které jsou schopny měřit pohyb nebo polohu zařízení.

Snímače pohybu se v dnešní době začínají běžně používat v masovém měřítku. Akcelerometry, které byly původně zabudovány ve snímačích airbagů, lze nyní nalézt v mobilních telefonech, herních ovladačích a dalších ovládacích zařízeních. Bezdrátové herní ovladače umožňují hráčům videoher pohodlněji ovládat herní konzole, např. Xbox nebo Playstation. Společnost Kionix je významným dodavatelem inerciálních zařízení MEMS, která se nacházejí v mnoha současných ovladačích. Společnost RS Components nabízí tříosé akcelerometry Kionix spolu se sadami pro vývoj a testování zařízení.

Podobným příkladem jsou gyroskopy, které umožňují měřit malé změny orientace ve třech osách pohybu. Používají se např. v řídicích systémech letadel. V mobilních zařízeních lze gyroskopy založené na MEMS po­užít ke zjištění pohybu nebo změny orientace v důsledku náhodné či úmyslné činnosti. Dokážou zjistit např. orientaci monitoru a podle ní natočit obraz či zjistit neoprávněnou manipulaci se zařízením, např. pokus o krádež automobilu. V kombinaci se snímači GPS mohou gyroskopy doplnit navigační přístroje. Příkladem jsou kompasy založené na MEMS, které se montují do mobilních telefonů a zajišťují orientaci mapy ve směru pohybu.

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

Komplexní testovací sada pro zařízení LSM303DLH zahrnuje mikropočítač ST7-USB pro interakci s počítačem, aplikační program eCompass a software pro grafické uživatelské rozhraní.

Společnost STMicroelectronics je však jen jedním z mnoha dodavatelů polovodičových součástek využívajících MEMS. Společnost RS Components nabízí akcelerometry od všech předních výrobců, které se vzájemně odlišují především citlivostí a jsou vhodné pro různé úlohy. Díky použití technologie výroby polovodičových součástek jsou zařízení MEMS kompaktní a ekonomicky výhodná a díky intenzivnímu výzkumu a vývoji vysoce spolehlivá.

Společnost VTI vyvinula sklonoměry využívající MEMS, které umožňují přesně měřit sklon např. pro stabilizaci obrazu nebo při montáži výrobních zařízení. Jednoosý sklonoměr SCA61T společnosti VTI má rozlišení 0,002 5°a rozsah měření až ±90°. Je dodáván včetně testovací sady.

Podle společnosti iSuppli, která se zabývá analýzou trhu, bude trh snímačů MEMS zahrnující akcelerometry, gyroskopy, digitální kompasy a snímače tlaku velmi rychle růst. Čísla za rok 2009 uváděla přibližně 439 milionů 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 %, v roce 2009 již 28 %. Podobně je očekáván strmý nárůst využití digitálních kompasů, které budou podporovat funkce systémů GPS. Nové operační systémy pro mobilní telefony (např. Android a Windows Phone 7) nyní na základě očekávání trhu podporují funkce GPS.

Trh se snímači MEMS překonal skromné začátky a vykazuje nyní neuvěřitelný růst. Se vzrůstající potřebou stále důmyslnějších snímačů bude společnost RS Components i nadále vynakládat velké úsilí na podporu konstruktérů při poskytování zdrojů informací o této technice.

Odo Akaji, Central Product Manager, RS Components

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

Obr. 2. Testovací systém pro digitální inerciální snímače ADI iMEMS® urychluje a usnadňuje konfigurování, testování a analýzu výkonových charakteristik a integrovaných funkcí inerciálních snímačů ADI s digitálním výstupem

Obr. 3. SCA61T od společnosti VTI jsou jedno­osé sklonoměry založené na 3D-MEMS