MEMS-sensorer är bra, men revolutionen har bara precis startat

Nu tar vi tillgängligheten till billiga, högpresterande mikroelektromekaniska systemsensorer (MEMS) för givet, men det har inte alltid varit så. Historien om masstillverkade MEMS började 1991 när Analog Devices lanserade sin (nu föråldrade) ADXL50 enkelaxliga accelerometer efter ett årtionde av tugga tekniska strider i många områden, inklusive simulering, solid-state-fysik, processtekniker, förpackning och provning, med produktion i volym 1993 (figur 1).

Figur 1: Den helanaloga ADXL50 var den första masstillverkade MEMS-accelerometern. Den inriktade sig på fordonsairbagar och gav en helt konditionerad analog utgång som kunde digitaliseras eller användas direkt av en komparatorkrets. (Bildkälla: Analog Devices)

Den här enheten på 5 × 5 mm, utformades för att vara en banbrytande teknik för en enda, mycket specifik tillämpning: att utlösa fordonsairbagar i bilar, vilket precis höll på att introduceras och inte var obligatoriska. Innan MEMS-sensorn var tillgänglig utlöstes de flesta airbagar med en sensor som utvecklades av Allen K. Breed 1967. Den använder en kula som rörde sig i ett rör som använd massa. Hastighetsminskningen vid krocken får kulan att skiljas från en fästmagnet och utlöser en liten elektrisk brytare som i sin tur sluter en krets som antänder airbagkemikalierna.

Den första MEMS-sensorn var mindre, billigare och enklare att förpacka, men det var bara den första delen av dess fördelar. Viktigare var att den förändrade accelerationsavkänningen från ett ja/nej-scenario till ett där sensorn kunde tillhandahålla en analog ström av avkända värden. Det innebar att den faktiska accelerationsvågformen blev en del av utlösningsalgoritmen.

ADLX50 var föråldrad 1999 och ersattes av mer avancerade MEMS-enheter, men vid det laget var dess bredare inverkan uppenbar. Efterkommande enheter hade hög tillförlitlighet för sensorsjälvkalibrering (kritiskt för de flesta sensorer) och la till intern signalbehandling, en analog-till-digitalomvandlare (ADC), en mikrostyrenhet samt andra lättanvända funktioner. Under en kort period blev parametrar som hade varit svåra och dyra att mäta (storlek, vikt, effekt) nästa en trivial fråga.

Varför stanna där? Snart började återförsäljarna erbjuda två- och till och med treaxlade accelerometrar, först som små moduler och snart som monolitiska enheter. Plötsligt var tillämpningar som verklig rörelseavkänning och till och med navigation möjliga (grundläggande fysik: integrera acceleration för att avgöra hastighet; integrera hastighet för att avgöra förskjutning).

Snart la dessa små enheter till vibrerande MEMS-stämgafflar och blev gyroskop och fullständiga tröghetsmätarenheter (IMU:er) och kunde i många fall ersätta de basketbollstora IMU:er (>100 lb, >200 watt) som guidade astronauterna till månen för bara 50 år sen förra månaden (juli 2019) och till och med ringlasergyron (RLG) och optiska fibergyron (FOG) som växte fram under 1980-talet.

Plötsligt har du små IMU:er som kan användas i tidigare omöjliga accelerations-/positioneringstillämpningar samt guidningskärnor i drönare. Till exempel är LSM6DSOXTR från STMicroelectronics en treaxlad IMU (fullskaliga områden på ±2/±4/±8/±16 g) i ett paket med 14 ledare på bara 2,5 mm × 3 mm × 0,83 mm, vilket bara kräver 0,55 milliampere (mA). Den levereras med SPI- och I²C-gränssnitt.

Det blir inte mycket bättre! Andra accelerometrar användes snart för elektronisk bildstabilisering, att lösa problem som tidigare krävde en kardanupphängd plattform som stabiliserades med ett mekaniskt gyroskop. Vissa idéer anpassades för MEMS-mikrofoner som liknar accelerometrar i princip, även om de har en annan implementering.

MEMS-innovationerna och deras tillämpningar är bara i startfasen

De här exemplen verkar tyda på att MEMS-tekniken är begränsad till acceleration i olika former – men det är inte alls fallet. MEMS-enheter används nu för många tillämpningar utan koppling till acceleration.

Till exempel var Texas Instruments först med ljusstyrning via mikrospeglar i kretsar för digital ljusbehandling (DLP) och riktar till en början in sig på displayer med stora skärmar och miniprojektorer. Deras DLP6500 har en 1080p (1920 × 1080) matris med över två miljoner mikrospeglar och kan användas som en rumsljusmodulator (SLM) för att reglera amplitud, riktning och/eller fas hos inkommande ljus (figur 2).

Figur 2: Texas Instruments DLP6500 DLP-krets ger helt adresserbar, precisionsstyrd ljusstrålereglering och styr över två miljoner pixlar i en matris. (Bildkälla: Texas Instruments)

Utöver grundläggande projektion har TI meddelat ett nytt förverkligande av en gammal idé: att rikta bilens strålkaster i samma riktning som ratten (först föreslaget på Tucker 48-bilen i slutet av 1940-talet!). Deras DLP5531 är en MEMS-baserad elektronisk styrenhet som eliminerar behovet av drev, motorer och lager och erbjuder programmerbarhet tillsammans med hög upplösning med över en miljon adresserbara pixlar per strålkastare.

För den icke optiska RF-världen erbjuder Analog Devices ADGM1004, en fyrpolig, MEMS-hävarmsomkopplare med en kopplingsmöjlighet (4PST) som hanterar RF-signaler med bandbredd från 0 Hertz (Hz) (DC) till 13 gigahertz (GHz) (figur 3). Med dess dubbelriktade kontaktbrytare med metallspetsar möjliggör den ledning av en RF-signal i en krets till en av fyra utgångsportar eller val av en av fyra ingångssignaler till utgången. Dessa brytare har många användningsområden på flera punkter i RF-signalkedjan eller i testmatriser.

Figur 3: Analog Devices utökade MEMS-teknikens grunder för att skapa en hävarmsstruktur som ger kontaktbrytare med metall till metallkontakt för en 4PST RF-brytare med bandbredd DC till 13 GHz. (Bildkälla: Analog Devices)

Universitetsforskningsgrupper använder också MEMS-teknik som en unik grund för att bygga enheter som annars inte kan tillverkas. Accelerator on a Chip International Program (AChIP), är ett globalt projekt (som finansieras av Gordon and Betty Moore Foundation i USA) som försöker ta fram en liten, silikonbaserad elektronaccelerator som kan producera femtosekund- till attosekundpulser (10^-15 till 10^-18 sekunder) av elektroner med upp till en megaelektronvolt (MeV) energi – och göra det från ett kiselchip – i stark kontrast till de kilometerlånga strukturer som krävs idag.

Det finns en bred diskussion om projektet på "Photonics-based laser-driven particle acceleration: from proof-of-concept structures to the accelerometer on a chip" och en aspekt av projektet beskrivs i detalj i artikeln "Alternating-Phase Focusing for Dielectric-Laser Acceleration" som publicerats i Physical Review Letters. Där beskriver ingenjörer i projektets acceleratorfysik på TU Darmstadt hur de har skapat en minimal MEMS-kanal och nya fokuseringsmetoder för elektronstrålen för att ersätta den traditionella magnetiska fokusmetoden som skulle vara för svag här (figur 4).

Figur 4: den dubbla stolpstrukturen av kisel använder laserbaserad optisk faskontroll för att fokusera zonerna för acceleration och retardation av elektroner. (Bildkälla: TU Darmstadt)

Ett annat innovativt MEMS-projekt är inriktat på den mer vardagliga världen av sakernas internet (IoT). En grupp på Northeastern University har utvecklat en MEMS-baserad omkopplare som inte förbrukar någon effekt när den är i standbyläge, men väcks när den utlöses av infrarött (IR) ljus (figur 5). Gruppens plasmoniskt förstärkta mikromekaniska fotoomkopplare (PMP) gör detta genom att transformera den låga mängden fotonenergi i definierade spektrumband för att aktivera en MEMS-mekanism. När den aktiverande IR-energin avlägsnas stänger omkopplaren av sig själv.

Figur 5: Varje hävarm i PMP består av ett huvud, ett inre par av termiskt känsliga ben av bimaterial för aktivering, ett yttre par av identiska bimaterialben för temperatur- och belastningskompensation samt ett par termiska isoleringslänkar som förbinder de inre och yttre benen (a). Konceptillustration på en infallande ljusstråle som träffar fyra PMP:er, var och en inställd på olika band av infraröd strålning (b). Pseudofärgade svepelektronmikroskopbilder på en faktisk PMP-omkopplarmekanism med markerade förstorade bilder på den plasmoniska absorbatorn, den skålformade kontaktspetsen och änden på ett bimaterialben med självinriktade Al- och SiO2-lager (c). (Bildkälla: Northeastern University/Nature Nanotechnology)

Deras artikel "Zero-power infrared digitizers based on plasmonically enhanced micromechanical photoswitches" i Nature Nanotechnology innehåller fullständiga tekniska uppgifter. Fysiken bakom transformering av IR-absorptionen bygger på plasmoner, som är vågorna av elektroner som rör sig längs ytan på en metall när den har träffats av fotoner. Plasmonabsorbatorn tillverkas som tre staplade material med ett dielektrisk lager på 100 nanometer (nm) mellan en matris med 50 nm guldnanoytor ovanpå och en 100 nm platinaplatta i botten (se figur 5). Omkopplarna hämtar energi från IR-elektromagnetstrålningen på specifika, målinriktade våglängder och använder den för at mekaniskt stänga omkopplarnas kontakter.

Slutsatser

MEMS-baserad teknik har kommit långt från starten som accelerometersensor för utlösning av airbag. Den har utökats och förändrats för att stödja olika tillämpningar inklusive ljusstrålestyrning via mikrospeglar och kontaktbaserade RF-brytare. Samtidigt tar ledande universitetsforskning MEMS ännu längre till både vardagliga och esoteriska vetenskapliga situationer. Möjligheterna begränsas verkligen bara av uppfinningsrikedomen och ansträngningarna hos dem som utvecklar MEMS-tekniken och verktygen.

Referenser:

1 – Analog Devices, ADXL50 Datablad (föråldrat)

2 – Patrick L. Walter, "The History of the Accelerometer: 1920s-1996 – Prologue and Epilogue, 2006", Sound and Vibration, januari 2007.

3 – Tekla S. Perry, "Kurt Petersen, 2019 IEEE Medal of Honor Recipient, Is Mr. MEMS", IEEE Spectrum, maj 2019.