MEMSはMicro-Electro-MechanicalSystemsの略で、電子部品と機械的可動部品の両方を備えたマイクロメートルサイズのデバイスを指します。MEMSデバイスは、次のようなデバイスとして定義できます。
- マイクロメートル単位のサイズ（1マイクロメートルから100マイクロメートル）
- システム内の電流の流れ（電気）
- そしてその中に可動部品があります（機械的）
以下は、顕微鏡下でのMEMSデバイスの機械部分の画像です。これは驚くべきことではないかもしれませんが、歯車のサイズが人間の髪の毛の半分のサイズである10マイクロメートルであることを知っていますか。したがって、このような複雑な構造がわずか数ミリメートルのチップサイズにどのように埋め込まれているかを知ることは非常に興味深いことです。
MEMSデバイスとアプリケーション
この技術は1965年代に初めて導入されましたが、1980年まで量産は開始されていません。現在、さまざまな用途で1,000億を超えるMEMSデバイスが稼働しており、携帯電話、ラップトップ、GPSシステム、自動車などで使用されています。
MEMS技術は多くの電子部品に組み込まれており、その数は日々増加しています。より安価なMEMSデバイスの開発が進むにつれ、将来的にはさらに多くのアプリケーションを引き継ぐことがわかります。
MEMSデバイスは、より優れた性能の技術が登場しない限り、通常のデバイスよりも優れた性能を発揮するため、MEMSは王位を維持します。MEMS技術で最も注目すべき要素は、トランスデューサーとして適切に分類されるマイクロセンサーとマイクロアクチュエーターです。これらのトランスデューサーは、エネルギーをある形式から別の形式に変換します。マイクロセンサーの場合、デバイスは通常、測定された機械的信号を電気信号に変換し、マイクロアクチュエーターは電気信号を機械的出力に変換します。
以下に、MEMS技術に基づくいくつかの典型的なセンサーについて説明します。
- 加速度計
- 圧力センサー
- マイクロフォン
- 磁力計
- ジャイロスコープ
MEMS加速度計
設計に入る前に、MEMS加速度計の設計に使用される動作原理について説明します。そのために、以下に示す質量ばねのセットアップについて検討します。
ここでは、質量が閉じた空間に2つのばねで吊り下げられており、セットアップは静止していると見なされます。ここで、体が突然前方に動き始めた場合、体に吊るされた塊は後方の力を受け、その位置に変位が生じます。そして、この変位のために、スプリングは以下に示すように変形します。
この現象は、車、バス、電車などの移動車両に座っているときにも経験する必要があるため、同じ現象を加速度計の設計に使用します。
ただし、質量の代わりに、ばねに取り付けられた可動部品として導電性プレートを使用します。全体のセットアップは以下のようになります。
この図では、上部の可動プレートと固定プレートの間の静電容量を考慮します。
C1 = e 0 A / d1
ここで、d 1は、それらの間の距離です。
ここで、静電容量C1値は、プレートを移動する上部と固定プレートの間の距離に反比例することがわかります。
下部可動プレートと固定プレート間の静電容量
C2 = e 0 A / d2
D場所2は、それらの間の距離であります
ここで、静電容量C2値は、下部の移動プレートと固定プレートの間の距離に反比例することがわかります。
本体が静止しているときは、上部プレートと下部プレートの両方が固定プレートから等距離にあるため、静電容量C1は静電容量C2に等しくなります。しかし、体が突然前方に移動すると、プレートは以下に示すように変位します。
このとき、トッププレートと固定プレートの間の距離が小さくなると、静電容量C1が大きくなります。一方、静電容量は、底板と固定板の間の距離が大きくなるにつれて減少します。この静電容量の増減は本体の加速度に比例するため、加速度が大きいほど変化が大きくなり、加速度が小さいほど変化が小さくなります。
この変化する静電容量をRC発振器または別の回路に接続して、適切な電流または電圧の読み取り値を取得できます。必要な電圧または電流値を取得したら、そのデータを使用してさらに分析することが簡単にできます。
けれども、このセットアップは加速度を測定するために使用することができます成功し、それはかさばるし、実用的ではありません。しかし、MEMSテクノロジーを使用すると、セットアップ全体を数マイクロメートルのサイズに縮小して、デバイスの適用性を高めることができます。
上の図では、MEMS加速度計で使用されている実際のセットアップを見ることができます。ここでは、複数のコンデンサプレートが水平方向と垂直方向の両方に編成されており、両方向の加速度を測定します。コンデンサープレートのサイズは数マイクロメートルで、セットアップ全体のサイズは最大数ミリメートルになるため、このMEMS加速度計をスマートフォンなどのバッテリー駆動のポータブルデバイスで簡単に使用できます。
MEMS圧力センサー
物体に圧力がかかると、破壊点に達するまでひずみが発生することは誰もが知っています。このひずみは、特定の限界まで加えられた圧力に正比例し、この特性は、MEMS圧力センサーの設計に使用されます。下の図では、MEMS圧力センサーの構造設計を見ることができます。
ここでは、2枚の導体プレートがガラスボディに取り付けられており、それらの間に真空があります。一方の導体プレートは固定されており、もう一方のプレートは圧力下で移動できる柔軟性があります。ここで、静電容量計を使用して2つの出力端子間の読み取り値を取得すると、2つの平行プレート間の静電容量値を観察できます。これは、セットアップ全体が平行プレートコンデンサとして機能するためです。平行平板コンデンサとして機能するため、通常どおり、一般的なコンデンサのすべての特性が適用されます。静止状態で、2つのプレート間の静電容量をC1と呼びましょう。
図に示すように、変形して最下層に近づきます。層間が接近するため、2つの層間の静電容量が増加します。したがって、距離が長くなると静電容量が小さくなり、距離が短くなると静電容量が大きくなります。この静電容量をRC共振器に接続すると、圧力を表す周波数信号を取得できます。この信号は、さらなる処理とデータ処理のためにマイクロコントローラーに与えることができます。
MEMSマイク
MEMSマイクの設計は圧力センサーに似ており、下の図はマイクの内部構造を示しています。
セットアップが静止していて、それらの条件で固定プレートとダイヤフラムの間の静電容量がC1であると考えてみましょう。
環境にノイズがある場合、音はインレットからデバイスに入ります。この音によりダイヤフラムが振動し、ダイヤフラムと固定板の距離が連続的に変化します。これにより、静電容量C1が連続的に変化します。この変化する静電容量を対応する処理チップに接続すると、変化する静電容量の電気出力を得ることができます。変化する静電容量はそもそもノイズに直接関係しているため、この電気信号は入力音の変換された形式として使用できます。
MEMS磁力計
MEMS磁力計は、地球の磁場を測定するために使用されます。このデバイスは、ホール効果または磁気抵抗効果に基づいて構築されています。ほとんどのMEMS磁力計はホール効果を使用するため、この方法を使用して磁場強度を測定する方法について説明します。そのために、図に示すように、導電性プレートを考えて、片側の端をバッテリーに接続します。
ここでは、負の端子から正の端子への電子の流れの方向を確認できます。ここで、磁石を導体の上部に近づけると、下の図に示すように、導体内の電子と陽子が分布します。
ここでは、正電荷を帯びた陽子が平面の片側に集まり、負電荷を帯びた電子が正反対の側に集まります。このとき、電圧計を使って両端を接続すると、測定値が得られます。この電圧測定値V1は、上部の導体が受ける電界強度に比例します。電流と磁場を印加することによる電圧生成の完全な現象は、ホール効果と呼ばれます。
上記のモデルに基づいて、MEMSを使用して単純なシステムを設計すると、電界強度を感知し、線形に比例した電気出力を提供するトランスデューサーが得られます。
MEMSジャイロスコープ
MEMSジャイロスコープは非常に人気があり、多くのアプリケーションで使用されています。たとえば、飛行機、GPSシステム、スマートフォンなどでMEMSジャイロスコープを見つけることができます。MEMSジャイロスコープはコリオリ効果に基づいて設計されています。MEMSジャイロスコープの原理と動作を理解するために、その内部構造を調べてみましょう。
ここで、S1、S2、S3&S4は、外側のループと2番目のループを接続するために使用されるスプリングです。S5、S6、S7&S8は、2番目のループと質量「M」を接続するために使用されるばねです。この質量は、図の方向に示されているように、y軸に沿って共振します。また、この共振効果は通常、MEMSデバイスの静電引力を使用して実現されます。
静止状態では、最上層または最下部の任意の2つのプレート間の静電容量は同じになり、これらのプレート間の距離が変化するまで同じままになります。
このセットアップを回転ディスクに取り付けると、以下に示すようにプレートの位置に一定の変化があると仮定します。
図のようにセットアップが回転ディスクに取り付けられている場合、セットアップ内で質量が共振すると、内側のセットアップで変位を引き起こす力が発生します。この変位により、4つのばねS1からS4すべてが変形していることがわかります。回転する円盤上に突然置かれたときに質量を共振させることによって経験されるこの力は、コリオリ効果によって説明することができます。
複雑な詳細をスキップすると、方向の突然の変化のために、内層に変位が存在すると結論付けることができます。この変位により、最下層と最上層の両方のコンデンサプレート間の距離も変化します。前の例で説明したように、距離が変化すると静電容量が変化します。
また、このパラメーターを使用して、デバイスが配置されているディスクの回転速度を測定できます。
他の多くのMEMSデバイスはMEMS技術を使用して設計されており、その数も日々増加しています。しかし、これらのデバイスはすべて、動作と設計に一定の類似性があるため、上記のいくつかの例を理解することで、他の同様のMEMSデバイスの動作を簡単に理解できます。