Gambaran umum tentang berbagai perangkat mems dan aplikasinya

MEMS adalah singkatan dari Micro-Electro-Mechanical Systems dan mengacu pada perangkat berukuran mikrometer yang memiliki komponen elektronik dan bagian yang bergerak mekanis. Perangkat MEMS dapat didefinisikan sebagai perangkat yang memiliki:

• Ukuran dalam mikrometer (1 mikrometer hingga 100 mikrometer)
• Aliran arus dalam sistem (Listrik)
• Dan memiliki bagian yang bergerak di dalamnya (Mekanis)

Di bawah ini adalah gambar bagian Mekanik dari perangkat MEMS di bawah mikroskop. Ini mungkin tidak terlihat luar biasa tetapi tahukah Anda bahwa ukuran roda gigi adalah 10 mikometer, yang merupakan setengah dari ukuran rambut manusia. Jadi ini cukup menarik untuk mengetahui bagaimana struktur kompleks seperti itu ditanamkan ke dalam keping yang hanya berukuran beberapa milimeter.

Perangkat dan Aplikasi MEMS

Teknologi ini pertama kali diperkenalkan pada tahun 1965 tetapi produksi massal belum dimulai hingga tahun 1980. Saat ini, terdapat lebih dari 100 miliar perangkat MEMS yang saat ini aktif di berbagai aplikasi dan dapat dilihat di ponsel, laptop, sistem GPS, Mobil, dll.

Teknologi MEMS tergabung dalam banyak komponen elektronik dan jumlahnya terus bertambah dari hari ke hari. Dengan kemajuan dalam mengembangkan perangkat MEMS yang lebih murah, kami dapat melihat perangkat tersebut mengambil alih lebih banyak aplikasi di masa mendatang.

Karena perangkat MEMS berkinerja lebih baik daripada perangkat normal kecuali jika teknologi berperforma lebih baik ikut bermain, MEMS akan tetap berada di atas takhta. Dalam teknologi MEMS, elemen yang paling menonjol adalah sensor mikro dan aktuator mikro yang secara tepat dikategorikan sebagai transduser. Transduser ini mengubah energi dari satu bentuk ke bentuk lainnya. Dalam kasus mikrosensor, perangkat biasanya mengubah sinyal mekanis terukur menjadi sinyal listrik dan mikroaktuator mengubah sinyal listrik menjadi keluaran mekanis.

Beberapa sensor tipikal berdasarkan teknologi MEMS dijelaskan di bawah ini.

• Akselerometer
• Sensor tekanan
• Mikropon
• Magnetometer
• Giroskop

Akselerometer MEMS

Sebelum masuk ke desain mari kita bahas prinsip kerja yang digunakan dalam merancang akselerometer MEMS dan untuk itu pertimbangkan pengaturan pegas massal yang ditunjukkan di bawah ini.

Di sini massa digantung dengan dua pegas di ruang tertutup dan pengaturan dianggap diam. Sekarang jika benda tiba-tiba mulai bergerak maju maka massa yang tertahan di dalam benda mengalami gaya mundur yang menyebabkan perpindahan posisinya. Dan karena perpindahan ini, pegas menjadi berubah bentuk seperti yang ditunjukkan di bawah ini.

Fenomena ini juga harus kita alami ketika duduk di kendaraan yang bergerak seperti mobil, bus, dan kereta api, dll. Jadi fenomena yang sama digunakan dalam mendesain akselerometer.

tetapi alih-alih massa, kami akan menggunakan pelat konduktif sebagai bagian bergerak yang menempel pada pegas. Seluruh pengaturan akan seperti yang ditunjukkan di bawah ini.

Dalam diagram, kami akan mempertimbangkan kapasitansi antara pelat bergerak atas dan pelat tetap:

C1 = e ₀ A / d1

dimana d ₁ adalah jarak diantara keduanya.

Di sini kita dapat melihat bahwa nilai kapasitansi C1 berbanding terbalik dengan jarak antara puncak bergerak pelat dan pelat tetap.

Kapasitansi antara pelat bergerak bawah dan pelat tetap

C2 = e ₀ A / d2

dimana d ₂ adalah jarak diantara keduanya

Di sini kita dapat melihat bahwa nilai kapasitansi C2 berbanding terbalik dengan jarak antara pelat bergerak bawah dan pelat tetap.

Ketika benda diam, kedua pelat atas dan bawah akan berada pada jarak yang sama dari pelat tetap sehingga kapasitansi C1 akan sama dengan kapasitansi C2. Tetapi jika benda tiba-tiba bergerak ke depan maka lempengan akan bergeser seperti yang ditunjukkan di bawah ini.

Pada saat ini kapasitansi C1 bertambah seiring dengan berkurangnya jarak antara pelat atas dan pelat tetap. Di sisi lain, kapasitansi C2 semakin berkurang seiring bertambahnya jarak antara pelat bawah dan pelat tetap. Peningkatan dan penurunan kapasitansi ini berbanding lurus dengan percepatan pada badan utama sehingga semakin tinggi percepatan semakin tinggi perubahan dan semakin rendah percepatan semakin kecil perubahannya.

Kapasitansi yang bervariasi ini dapat dihubungkan ke osilator RC atau rangkaian lain untuk mendapatkan pembacaan arus atau tegangan yang sesuai. Setelah mendapatkan tegangan atau nilai arus yang diinginkan kita dapat menggunakan data tersebut untuk analisis lebih lanjut dengan mudah.

Meskipun pengaturan ini dapat digunakan untuk mengukur akselerasi dengan sukses, ini terlalu besar dan tidak praktis. Tetapi jika kita menggunakan teknologi MEMS, kita dapat mengecilkan seluruh pengaturan ke ukuran beberapa mikrometer sehingga perangkat lebih dapat diterapkan.

Pada gambar di atas, Anda dapat melihat pengaturan sebenarnya yang digunakan dalam akselerometer MEMS. Di sini beberapa pelat kapasitor disusun dalam arah horizontal dan vertikal untuk mengukur percepatan di kedua arah. Pelat kapasitor berukuran beberapa mikrometer dan seluruh pengaturan akan berukuran hingga beberapa milimeter, jadi kita dapat menggunakan akselerometer MEMS ini di perangkat portabel yang dioperasikan dengan baterai seperti smartphone dengan mudah.

Sensor tekanan MEMS

Kita semua tahu bahwa ketika tekanan diterapkan pada suatu benda, benda itu akan meregang hingga mencapai titik putus. Regangan ini berbanding lurus dengan tekanan yang diterapkan sampai batas tertentu dan properti ini digunakan untuk merancang sensor tekanan MEMS. Pada gambar di bawah ini Anda dapat melihat desain struktural dari sensor tekanan MEMS.

Di sini dua pelat konduktor dipasang pada badan kaca dan akan ada ruang hampa di antara keduanya. Satu pelat konduktor dipasang dan pelat lainnya fleksibel untuk bergerak di bawah tekanan. Sekarang jika Anda mengambil pengukur kapasitansi dan membaca antara dua terminal keluaran maka Anda dapat mengamati nilai kapasitansi antara dua pelat paralel, ini karena seluruh pengaturan bertindak sebagai kapasitor pelat paralel. Karena ia bertindak sebagai kapasitor pelat paralel, seperti biasa, semua properti kapasitor tipikal berlaku untuk itu sekarang. Dalam kondisi istirahat, sebut kapasitansi antara dua pelat menjadi C1.

itu akan berubah bentuk dan bergerak lebih dekat ke lapisan bawah seperti yang ditunjukkan pada gambar. Karena lapisan semakin dekat, kapasitansi antara dua lapisan akan meningkat. Jadi semakin tinggi jarak menurunkan kapasitansi dan semakin rendah jarak semakin tinggi kapasitansi. Jika kita menghubungkan kapasitansi ini ke resonator RC maka kita bisa mendapatkan sinyal frekuensi yang mewakili tekanan. Sinyal ini dapat diberikan ke mikrokontroler untuk diproses lebih lanjut dan diolah data.

Mikrofon MEMS

Desain mikrofon MEMS mirip dengan sensor tekanan dan gambar di bawah ini menunjukkan struktur internal mikrofon.

Mari kita pertimbangkan penyiapannya diam dan dalam kondisi tersebut kapasitansi antara pelat tetap dan diafragma adalah C1.

Jika ada kebisingan di lingkungan maka suara masuk ke perangkat melalui saluran masuk. Suara ini menyebabkan diafragma bergetar sehingga jarak antara diafragma dan pelat tetap berubah terus menerus. Ini, pada gilirannya, menyebabkan kapasitansi C1 berubah terus menerus. Jika kita menghubungkan kapasitansi yang berubah ini ke chip pemrosesan yang sesuai, kita bisa mendapatkan output listrik untuk kapasitansi yang berubah. Karena perubahan kapasitansi secara langsung berkaitan dengan noise, sinyal listrik ini dapat digunakan sebagai bentuk konversi dari suara input.

Magnetometer MEMS

Magnetometer MEMS digunakan untuk mengukur medan magnet bumi. Perangkat ini dibangun berdasarkan Hall Effect atau Magneto Resistive Effect. Kebanyakan magnetometer MEMS menggunakan Efek Hall, jadi kita akan membahas bagaimana metode ini digunakan untuk mengukur kekuatan medan magnet. Untuk itu mari kita pertimbangkan pelat konduktif dan ujung salah satu sisinya terhubung ke baterai seperti yang ditunjukkan pada gambar.

Di sini Anda dapat melihat arah aliran elektron, yaitu dari terminal negatif ke terminal positif. Sekarang jika magnet didekatkan ke bagian atas konduktor maka elektron dan proton dalam konduktor akan didistribusikan seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah ini.

Di sini proton yang membawa muatan positif berkumpul di satu sisi bidang sementara elektron yang membawa muatan negatif berkumpul di sisi yang berlawanan. Pada saat ini jika kita mengambil voltmeter dan menghubungkan di kedua ujungnya maka kita akan mendapatkan pembacaan. Ini tegangan membaca V1 sebanding dengan kekuatan medan yang dialami oleh konduktor di atas. Fenomena lengkap pembangkitan tegangan dengan menerapkan arus dan medan magnet disebut Efek Hall.

Jika sistem sederhana dirancang dengan menggunakan MEMS, berdasarkan model di atas maka kita akan mendapatkan transduser yang merasakan kekuatan medan dan memberikan keluaran listrik proporsional linier.

Giroskop MEMS

Giroskop MEMS sangat populer dan digunakan di banyak aplikasi. Misalnya, kita dapat menemukan giroskop MEMS di pesawat terbang, sistem GPS, smartphone, dll. Giroskop MEMS dirancang berdasarkan Efek Coriolis. Untuk memahami prinsip dan cara kerja giroskop MEMS, mari kita lihat struktur internalnya.

Di sini S1, S2, S3 & S4 adalah pegas yang digunakan untuk menghubungkan loop luar dan loop kedua. Sedangkan S5, S6, S7 & S8 adalah pegas yang digunakan untuk menghubungkan loop kedua dan massa 'M'. Massa ini akan beresonansi di sepanjang sumbu y seperti yang ditunjukkan oleh arah pada gambar. Selain itu, efek resonansi ini biasanya dicapai dengan menggunakan gaya tarikan elektrostatis dalam perangkat MEMS.

Dalam kondisi istirahat, kapasitansi antara dua pelat di lapisan atas atau bawah akan sama, dan akan tetap sama sampai akan ada perubahan jarak antara pelat ini.

Misalkan jika kita memasang set ini ke disk yang berputar maka akan ada perubahan tertentu pada posisi pelat seperti yang ditunjukkan di bawah ini.

Ketika pengaturan dipasang pada disk yang berputar seperti yang ditunjukkan, maka resonansi massa di dalam pengaturan akan mengalami gaya yang menyebabkan perpindahan di pengaturan dalam. Anda dapat melihat keempat pegas S1 hingga S4 dideformasi karena perpindahan ini. Gaya yang dialami oleh massa beresonansi ketika tiba-tiba ditempatkan pada piringan yang berputar dapat dijelaskan oleh Efek Coriolis.

Jika kita melewatkan detail kompleks, maka dapat disimpulkan bahwa karena perubahan arah yang tiba-tiba ada perpindahan yang ada di lapisan dalam. Perpindahan ini juga menyebabkan jarak antara pelat kapasitor pada lapisan bawah dan atas berubah. Seperti yang dijelaskan pada contoh sebelumnya, perubahan jarak menyebabkan kapasitansi berubah.

Dan kita dapat menggunakan parameter ini untuk mengukur kecepatan rotasi disk tempat perangkat ditempatkan.

Banyak perangkat MEMS lainnya dirancang menggunakan teknologi MEMS dan jumlahnya juga meningkat setiap hari. Tetapi semua perangkat ini membawa kesamaan tertentu dalam cara kerja dan desain, sehingga dengan memahami beberapa contoh yang disebutkan di atas kita dapat dengan mudah memahami cara kerja perangkat MEMS serupa lainnya.