Технология MEMS

Что такое технология MEMS

Микроэлектромеханические системы  (MEMS, МЭМС) — это технология создания миниатюрных механических и электромеханических элементов на уровне кремниевой подложки. Такие структуры формируются на кристалле и далее могут встраиваться в электронные схемы как обычные компоненты.

МЭМС‑устройства представляют собой комбинацию чувствительных механических элементов (подвижных и неподвижных) и встроенной микроэлектроники, которая управляет их работой и считывает сигналы.

Функциональные элементы МЭМС и типы датчиков

Функциональные элементы МЭМС включают:

Микросенсоры и микроприводы относятся к классу преобразователей, то есть устройств, которые преобразуют измеряемый механический сигнал (ускорение, угловую скорость, давление и т.д.) в электрический.

На базе МЭМС сегодня реализуются датчики для измерения:

• температуры;
• давления;
• магнитного поля;
• инерциальных параметров (ускорений и угловых скоростей).

Для задач инерциальных измерений Sensset предлагает:

• МЭМС‑акселерометры;
• МЭМС‑гироскопы;
• МЭМС‑инерциальные измерительные блоки (IMU, БЧЭ);
• инерциальные навигационные системы на базе МЭМС‑сенсоров.

Преимущества МЭМС по сравнению с классическими технологиями

Высококачественные МЭМС‑компоненты используются в инерциальных измерительных блоках и навигационных системах, так как дают ряд преимуществ по сравнению с механическими, волоконно‑оптическими гироскопами или акселерометрами.

Ключевые преимущества:

• Компактность и малый вес: миниатюрный форм‑фактор позволяет создавать более легкие устройства и внедрять датчики в новые типы платформ, включая дроны, робототехнику, носимую электронику и компактные промышленные системы.
• Высокая устойчивость к ударам и вибрации: МЭМС‑структуры отличаются высокой механической прочностью и не требуют сложного обслуживания.
• Экономическая эффективность: МЭМС‑датчики обеспечивают выгодное соотношение цена/функциональность по сравнению с более сложными и дорогими технологиями.

Вибрации и их влияние на МЭМС‑датчики

Инерциальные модули для реальных промышленных и транспортных применений работают в жестких условиях по вибрации. При воздействии вибраций на акселерометр или гироскоп может возрастать смещение нуля (bias), что ухудшает точность измерений.

Для акселерометров используется понятие VRE (Vibration Rectification Error) — ошибка смещения вибрации. Низкий VRE является важным критерием выбора сенсора для работы при повышенных уровнях вибрации.

Подход к обработке сигналов и дизайн систем

Чтобы минимизировать влияние вибраций и сохранить точность измерений, применяются:

• корректный выбор МЭМС‑сенсоров с низким VRE;
• продуманный аппаратный дизайн (монтаж, демпфирование, экранирование);
• эффективная цифровая фильтрация и алгоритмы обработки.

Высокочастотная дискретизация (частота выборки свыше 1 кГц) позволяет:

• уменьшить влияние высокочастотных вибраций;
• улучшить разрешающую способность и качество фильтрации в последующей обработке.

В изделиях Sensset подобные принципы реализуются в виде:

• высокочастотной оцифровки первичных сигналов;
• встроенных алгоритмов компенсации дрейфа и вибрационных эффектов;
• интерфейсов для интеграции в системы навигации и стабилизации.

Где использовать МЭМС‑решения Sensset

С учетом описанных свойств МЭМС‑технология особенно актуальна в следующих задачах:

• Навигация и стабилизация БПЛА, наземной и морской техники — с использованием МЭМС‑IMU и инерциальных навигационных систем.
• Робототехника и промышленная автоматизация — применение МЭМС‑акселерометров и гироскопов в системах управления движением.
• Медицинское и лабораторное оборудование, платформы точного позиционирования — использование высокоточных БЧЭ и IMU.