Технология МЭМС произвела революцию на мировом рынке датчиков и оказала серьезное влияние на всю полупроводниковую промышленность. Развитие многих областей этого рынка во многом обусловлено системами MEMS. Без разработки такого типа миниатюрных датчиков было бы невозможно создание систем IoT, дронов или автономных транспортных средств, миниатюрных микрофонов и динамиков. Поэтому стоит взглянуть на современные тенденции в индустрии MEMS — изучить доступные типы датчиков и основные области их применения.
Термин МЭМС (микроэлектромеханические системы) используется для определения всех видов электронных систем, содержащих в своей структуре интегрированные механические элементы, выполненные в микромасштабе (со специальными размерами порядка микрометров).
Сочетание механических структур и электронных схем позволяет измерять множество различных неэлектрических величин с помощью небольших по размеру и относительно недорогих устройств. Распространение такого типа решений стало одним из источников успеха мобильных устройств и продуктов IoT (интернет вещей). Появление недорогой и малогабаритной альтернативы традиционным датчикам позволило привнести во многие продукты совершенно новые возможности, способствуя популяризации решений в области, например, дополненной реальности. Сегодня сложно представить смартфон без функционала акселерометра или компаса, или смарт-браслет или смарт-часы без возможности подсчета шагов или обнаружения движения. А ведь все эти решения были бы невозможны без датчиков, изготовленных по технологии MEMS.
Текущая ситуация и прогнозы развития рынка
На рисунке показана история развития рынка МЭМС за последний десяток лет, а далее прогнозы дальнейшего развития в ближайшем будущем. Общая стоимость МЭМС-устройств, проданных по всему миру в 2018 году, достигла 11,6 млрд долларов. Согласно последнему отчету агентства по исследованию рынка электроники, ожидается что глобальные продажи МЭМС в период 2019-2024 гг. вырастут с совокупным годовым темпом роста (CAGR) на уровне 8,3%.
Развитие рынка МЭМС будет в основном обусловлено системами радиосвязи (внедрение и расширение сети 5G), датчиками давления (автомобильными), инерциальными датчиками, такими как акселерометры и гироскопы (автономные транспортные средства, дроны и автомобили) и датчики MEMS нового типа, которые в настоящее время находятся в стадии разработки (например системы PMUT – ультразвуковые преобразователи). Фактически все самые популярные и наиболее интенсивно развивающиеся отрасли электронной промышленности в настоящее время в полной мере используют возможности предлагаемые датчиками MEMS.
Индустрия МЭМС уже давно достигла хороших результатов продаж, продолжая при этом развиваться, о чем также свидетельствует рисунок, на котором показаны исторические данные в 2006–2016 годах. За этот период общая годовая стоимость реализованной продукции увеличилась почти вдвое. Характерным и показательным является то, что рынок МЭМС-датчиков чрезвычайно разнообразен – нет какого-то одного явно доминирующего типа МЭМС-систем, который имел бы долю рынка значительно большую, чем другие типы устройств. В течение многих лет датчики и МЭМС-системы зарекомендовали себя во многих областях, таких как измерение давления, ускорения, качества воздуха, запись звука или измерение интенсивности электромагнитного излучения. Перспективы связанные с возможностями предлагаемыми так называемыми BioMEMS, то есть датчиками предназначенными для работы с веществами органического происхождения, позволяющие проводить анализ состава крови или непосредственно дозировать лекарства в организм пациента, поистине способны произвести революцию в медицине.
Общие характеристики технологии MEMS
Термин МЭМС относится к миниатюрным электромеханическим устройствам. Это системы, сочетающие в себе как механические, так и электронные элементы, выполненные в миниатюрном масштабе. Примеры механических элементов, изготовленных в микромасштабе, показаны на рисунке. История этой технологии восходит к 1960-м годам, но она не была коммерциализирована до 1980-х. Одной из первых МЭМС-систем, концептуально схожих с современными датчиками, был акселерометр, разработанный в Стэнфордском университете в 1979 году. Но значительную популярность эти модули получили лишь десятилетие спустя, в 1990-х годах.
Каждая МЭМС-система состоит как минимум из двух групп элементов: электронной схемы и механической конструкции. Элементы из обеих групп изготавливаются путем соответствующего формования кремния или другого полупроводникового материала — схемы с использованием классической техники изготовления интегральных микросхем, а механические конструкции — с помощью передовых методов формования полупроводникового материала. Все это обычно размещают на отдельных основаниях, объединяя все вместе в одном корпусе.
К типичным и наиболее популярным типам механических структур реализованных в МЭМС-системах, относятся мембраны, пружины или рычаги. Механический элемент вовсе не обязательно должен быть подвижным и обычно является только макроэквивалентом аналогичного элемента. Миниатюрные датчики часто характеризуются гораздо лучшими параметрами чем их макро аналоги, и почти всегда значительно дешевле — интеграция процесса изготовления механических систем с технологией изготовления интегральных микросхем резко снижает себестоимость всего устройства.
Основные типы МЭМС-датчиков
Практически в каждой отрасли связанной с измерением различных видов физических величин и контролем окружающей среды, можно встретить системы содержащие элементы, выполненные по технологии МЭМС.
Все эти типы датчиков можно условно разделить на 4 категории:
- инерциальные датчики и датчики относящиеся ко всем видам движения,
- датчики контролирующие состояние окружающей среды,
- датчики содержащие оптические элементы,
- системы BioMEMS связанные с переработкой органических веществ.
В каждой из этих групп можно разместить десяток других различных типов датчиков. Возможности технологии МЭМС применительно к каждой из упомянутых областей измерения будут рассмотрены ниже.
Инерциальные датчики
Обнаружение движения и связанных с ним параметров — одно из первых применений в котором МЭМС-датчики добились выдающихся успехов, успешно конкурируя с большинством альтернативных решений. Одними из первых типов МЭМС-датчиков были акселерометры, позволяющие измерять ускорение вдоль выбранной оси. Позже к ним присоединились и гироскопы, что позволяли измерять угловую скорость вращающегося объекта.
В настоящее время на рынке представлено множество моделей этого типа изделий, от одноосных до трехосных систем, позволяющих измерять значения по отношению ко всем трем референтным осям. Даже так называемые комплексные МЭМС-системы, содержащие в одном корпусе трехосный акселерометр, гироскоп и магнитометр (позволяющий измерять напряженность магнитного поля и, как следствие, магнитное склонение – ориентацию по отношению к магнитному полюсу Земли).
Идея создания МЭМС-акселерометров чаще всего основывается на использовании инерционной массы в качестве элемента, реагирующего на изменение ускорения. Под действием ускорения создается сила, смещающая массу, которая является одним из концов системы с функцией конденсатора. Изменение ускорения изменяет емкость, что регистрируется электронной схемой прибора.
Инерциальные МЭМС-системы также включают датчики давления, чрезвычайно популярные в автомобильной промышленности и микрофонах. В них в качестве мембран используются тонкие слои кремния. Под действием давления (или звуковой волны) эта диафрагма деформируется, вызывая изменение электрической емкости измерительного элемента.
Электронная схема отвечает за усиление и обработку измерительного сигнала. В зависимости от модели системы информация об измеренном значении может быть передана во внешнюю схему (обычно микропроцессор) в виде аналогового или цифрового сигнала, используя один из популярных интерфейсов, например SPI или I2C. Многие более совершенные МЭМС-системы имеют собственный внутренний процессор и расширенные пути обработки сигналов для его фильтрации и извлечения конкретных параметров. Большинство датчиков питаются стандартным напряжением в диапазоне 3,3 В.
Датчики окружающей среды
Технология MEMS также позволяет создавать датчики способные контролировать широкий спектр параметров окружающей среды. Рыночное предложение включает датчики влажности и температуры, а также для измерения концентрации твердых частиц в атмосфере и обнаружения отдельных газов.
Датчик температуры часто интегрируют с другими датчиками, создавая более сложные модули мониторинга. Одним из самых распространенных соединений является датчик температуры и влажности.
Детекторы выбранных типов газов позволяют обнаруживать их присутствие в воздухе, в том числе летучие органические соединения, двуокись углерода и окись углерода. В группу летучих органических соединений входят ацетон, терпены или соединения хлора (например, растворители). Эти соединения обычно встречаются как побочные продукты во многих промышленных процессах и являются источником загрязнения окружающей среды. Они также оказывают негативное влияние на здоровье человека, поэтому во многих странах приняты допустимые нормы присутствия этих веществ в продуктах и производственных процессах. Величина концентрации углекислого газа является одним из лучших показателей качества воздуха в помещении – такое измерение можно использовать, например, для контроля качества вентиляции в здании.
Детекторы газа характеризуются достаточно большим значением мощности, по сравнению с другими типами МЭМС-датчиков. Это связано с принципом работы этих систем – в процессе измерения необходимо подогреть испытуемый газ (воздух) до температуры в несколько сотен градусов, что требует значительных затрат электроэнергии.
Эти типы датчиков, позволяющие измерять температуру, влажность и качество воздуха, являются одним из основ развития интеллектуальных строительных технологий, позволяющих создавать системы мониторинга и управления вентиляцией и кондиционированием воздуха.
Датчики концентрации твердых частиц в воздухе также становятся все более популярными, особенно по мере роста интереса к теме качества воздуха со стороны частных и государственных потребителей. Растет спрос не только на выносные измерительные станции, но и на системы контроля работы бытовых очистителей воздуха.
В группу датчиков окружающей среды также входят датчики расхода газа. Принцип их действия основан, как и в случае с датчиками концентрации газа, на использовании элемента нагревающего воздух до высокой температуры. В зависимости от интенсивности и направления газового потока изменяется распределение температуры в районе нагревателя, измеряемое двумя термостатами (разновидность термопары), расположенными по его противоположным сторонам.
Оптические датчики
Оптические приборы являются одним из самых динамично развивающихся и самых многочисленных семейств изделий, использующих MEMS технологию. Эти системы объединяют в своей структуре механические и оптические элементы и часто называются МОЭМС (микро-опто-электромеханические системы). Оптические элементы изготавливаются по той же технологии производства, что и механические, что значительно упрощает и удешевляет производство данного типа устройств.
Интеграция электронных чипов, механических и оптических элементов в одну микросистему, дает много преимуществ. Механические конструкции, такие как подвижные опоры или балки, в основном используются для управления оптической системой, например для изменения ее геометрии. К основным оптическим элементам используемым в системах МОЭМС относятся зеркала, линзы и фильтры. Правильное размещение и использование свойств этих элементов позволяет проектировать и изготавливать весьма сложные конструкции.
Наиболее популярные типы датчиков включают спектрометры FITR (инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье), считыватели отпечатков пальцев, датчики PIR (пассивный инфракрасный свет) и детекторы цвета. Системы MOEMS используются в лабораторной диагностике, системах безопасности, контроле качества или 3D-сканерах (технология FaceID в новых моделях iPhone). Системы МОЭМС используются и в мультиспектральной фотографии, заключающейся в регистрации одного и того же изображения во множестве разных каналов с разными спектральными диапазонами — например в видимом, инфракрасном, ультрафиолетовом и микроволновом диапазонах одновременно.
Системы биоМЭМС
Устройства BioMEMS являются одними из самых сложных систем выполненных по технологии MEMS. Это системы MEMS для биомедицины. Они охватывают широкий спектр различных типов продуктов – основные типы систем включают решения Lab-On-A-Chip (LOC), биосенсоры, миниатюрные диагностические устройства и системы дозирования лекарств.
Технология LOC позволяет создавать миниатюрные системы, способные проводить лабораторные исследования с биологическими материалами. Даже несколько различных лабораторных функций могут быть интегрированы в единую систему площадью в несколько квадратных миллиметров. Эти системы требуют использования небольших объемов проб по сравнению с традиционными аналитическими методами, что позволяет ускорить течение реакции, сократить время обследования и уменьшить количество медицинских отходов.
Технология LOC все еще находится на стадии интенсивных исследований, но уже достигнутые результаты указывают на ее высокий потенциал. Текущие реализации сосредоточены на диагностических приложениях в медицинском оборудовании и анализе структур ДНК и РНК. Даже имеется система способная выполнять анализы крови на ВИЧ.
Микросистемы дозирования лекарственных средств могут использовать различные типы насосных механизмов для закачки веществ в организм пациента – механические или немеханические. Эти растворы, как правило, основаны на явлении осмоса – проникновении лекарства через полупроницаемую мембрану в организм пациента. Система оснащена резервуаром с лекарственным средством и блоком управления потоком.
Термин биосенсоры обычно используется для описания систем, предназначенных для преобразования биологических величин в электрические сигналы. В просторечии это название используется в основном для обозначения систем, размещенных на теле пациента или внутри него и предназначенных для текущего краткосрочного или долгосрочного мониторинга его жизненно важных функций. В настоящее время биосенсоры MEMS позволяют выполнить измерение давления, состава крови и pH или концентрации выбранных химических веществ.
Исполнительные элементы
Технология МЭМС используется не только в производстве датчиков, но и различных типов приводов. Наиболее популярные примеры продуктов этого типа включают динамики MEMS, струйные головки, радиочастотные устройства или оптические системы, такие как микрозеркала. Особенно широкий спектр МЭМС-приводов можно найти в радиочастотной связи — он включает в себя различные типы микропереключателей, фильтров и резонаторов. В связи с поступательным распространением технологии 5G в ближайшее время ожидается значительный рост продаж этого типа элементов.
Основные области применения
Системы MEMS теперь можно найти в любой отрасли: от медицины до систем домашней и промышленной автоматизации, авиации, автомобилей, связи, мобильных устройств и бытовой электроники. На рисунке ниже показано насыщение типичного самолета, автомобиля и смартфона МЭМС-системами и датчиками. Хотя количество датчиков размещенных в устройстве варьируется от нескольких тысяч в самолете до нескольких или десятков в смартфоне, их стоимость во всех случаях составляет не менее нескольких процентов от стоимости всей системы.
МЭМС в автомобильной промышленности
Автомобильная промышленность всегда была одной из областей наиболее часто использующих МЭМС-технологии, и, согласно прогнозам и анализам, это не должно измениться в ближайшем будущем. Предполагается, что в 2023 году общая стоимость МЭМС-систем, используемых в производстве транспортных средств, составит более 20 млрд долларов, что будет двукратным увеличением по сравнению с 2017 годом — прогнозируемый совокупный годовой темп роста этого рынка – 12,7%.
Основным фактором, вызывающим рост спроса на МЭМС-системы в автомобильной промышленности, является развитие автономного транспорта. Автономным транспортным средствам нужен гораздо более широкий спектр датчиков, способных изучать окружающую среду, в том числе с помощью радиосигнала (радар) и оптического (системы распознавания изображений, лидар). Количество датчиков установленных в среднестатистическом классическом (неавтономном) транспортном средстве, также с каждым годом увеличивается, в том числе из-за от растущего числа более совершенных систем безопасности и датчиков окружающей среды.
МЭМС в мобильных устройствах
Сегодня трудно представить себе мобильный телефон полностью лишенный чипов MEMS. Стандартом является наличие инерциальных датчиков, таких как гироскоп и акселерометр. В более продвинутых моделях чаще используются механизмы идентификации (сканирование лица, считыватель отпечатков пальцев) на основе датчиков и оптических систем, также выполненных по технологии MEMS. Непременным элементом оборудования также является MEMS-микрофон. Без таких систем было бы невозможно разработать смарт-часы, смарт-браслеты или различные типы систем для мониторинга повседневной активности пользователя.
Направления развития технологии МЭМС
Подсчитано, что через несколько лет крупнейшими получателями устройств этого типа по-прежнему будут производители автомобильной промышленности (20 миллиардов долларов) и мобильных устройств (50 миллиардов долларов). Другими областями, которые прогнозируются в будущем как важные получатели систем MEMS, являются биомедицинские системы и системы здравоохранения, промышленные приложения (Industry 4.0), решения для искусственного интеллекта и обработки речи, системы дополненной реальности и коммуникационные решения, в первую очередь связанные с реализация протокола 5G.
МЭМС-датчики еще долго будут оставаться неотъемлемым элементом множества различных устройств практически из всех областей электроники. С развитием техники, повышением точности и появлением новых возможностей, их роль в современной электронике будет продолжать расти. В ближайшем будущем наиболее интересным представляется потенциальный каталог приложений биоМЭМС-систем, которые могут существенно изменить вид медицины, в частности, диагностических тестов. Возможности устройств Lab-On-A-Chip все еще исследуются и изучаются, и со временем мы должны наблюдать появление все новых решений такого типа.
Итоги материала
Несомненно, технология МЭМС произвела революцию в индустрии датчиков, позволив их массово использовать практически во всех областях электроники. Небольшой размер, низкая стоимость и достаточная точность являются основными чертами большого успеха этого типа решения.
Появление миниатюрных систем, способных измерять физические величины, такие как ускорение, давление и напряженность магнитного поля, позволило добавить к существующим устройствам совершенно новые функции и разработать новые продукты.
В настоящее время MEMS системы способны измерять огромное количество различных параметров — от величин связанных с движением, через давление, интенсивность звука, величину магнитного поля, до обнаружения конкретных химических и биологических веществ. Кроме того, МЭМС-системы способны обрабатывать оптические и радиосигналы.
