Sensory w systemach wbudowanych

Transkrypt

1 Sensory w systemach wbudowanych Przegląd nowoczesnych przetworników: mikroaktuatory dr inż. Wojciech Maziarz Wydział IET, Katedra Elektroniki C-1, p.301, tel Kontakt: Wojciech.Maziarz@agh.edu.pl 1

2 Przegląd czujników Przetworniki MEMS - aktuatory Czujniki przyśpieszenia (akcelerometry) Czujniki ciśnienia Mikrofony półprzewodnikowe Czujniki żyroskopowe 2

3 Sandia Labs: Aktuatory MEMS Przetworniki MEMS - aktuatory Trzycylindrowy silnik parowy wykonany w technologii MEMS Konwerter ruchu obrotowego na liniowy 3

4 Aktuatory Problem smarowania rozwiązany? (argon +opary 1-pentanolu tworzą cienką warstwę poślizgową) Mikrosilnik elektrostatyczny średnica rotora 0.1 mm Helping a micromachine to work, news html 4

5 Aktuatory mikrozawiasy 5

6 Aktuatory soczewka Fresnela M. Wu, University of California, Los Angeles Mikrosoczewka Fresnela zawieszona na sterowanej platformie, 4 zawiasy 6

7 Aktuatory - mikrolustra Mikrolustro unoszone i opuszczane za pomocą mikrosilnika Pionowe lustro wytworzone na obrotowym elemencie umożliwiającym precyzyjny obrót. Utrzymywane w miejscu przez zatrzaski zawiasów i sprężyn. 7

8 Aktuatory przełącznik optyczny bazujący na mikrolustrach We wszystkich przełącznikach optycznych, mikrolustra odbijają sygnał niezależnie od tego, z jaką prędkością zachodzi transmisja i jaki jest protokół. Technologia uważana za dominującą w przyszłości do budowy przełączników fotonicznych. 8

9 Aktuatory przełącznik optyczny bazujący na mikrolustrach Silicon Light Machines of Sunnyvale, California Pojedynczy piksel Grating Light Valve Elektrostatyczne odchylenie naprzemiennych wstążek powoduje zmianę własności optycznych powierzchni piksela z odbijających na rozpraszające. 9

10 Aktuatory przełącznik optyczny bazujący na mikrolustrach Optical Micromachines, Inc. Optyczny przełącznik dwustanowy Przełącznik optyczny Technologia SOI, trawienie DRIE 10

11 Przetworniki MEMS lustra DLP Przetworniki MEMS w systemach projekcji obrazów (np. kino domowe). Projekcja obrazów odbywa się za pomocą systemów ruchomych mikroluster DMD (Digital Micromirror Devices) lub DLP (Digital Light Processor) zintegrowanych w jednym układzie scalonym Texas Instruments DMD 11

12 United States Patent , Yokeless hidden hinge digital micromirror device, System telewizji projekcyjnej (Texas Instruments) Mikrozwierciadło Al ze sterowaniem cyfrowym Układ DMD +DLP -Digital Light Processing -Digital Micromirror Devices Struktura adresująca CMOS SRAM Zasada działania: Lustra pochylane elektrostatycznie Światło wiązki lasera pada na DMD Odbija się w konkretne miejsce na ekranie lub poza nim (obszar czarny) Matryca mikrozwierciadeł Typowe parametry: 768 X 576 pixeli, tj zwierciadeł Szybkość przełączania: 10 us 12

13 Obrazowanie wielowidmowe (hiperspectral imaging) Technika rejestracji obrazu będąca uogólnieniem fotografii barwnej na pełną przestrzeń barw w zakresie światła widzialnego, a także mikrofal, dalekiej i bliskiej podczerwieni oraz ultrafioletu. Układ HIP używany w medycynie jako narzędzie diagnostyczne podgląd uszkodzeń tkanek i gojenia się ran. Dostępne na rynku: 1280x1024. Schemat układu DMD używanego w systemie Hyperspectral Image Projector. Składa się on z matrycy 1024x768 luster, każde z nich ma szerokość 14 um (1/7 grubości włosa). Każde lustro DMD odbija światło w jednym z dwóch kierunków (±20 optycznie) w zależności od stanu komórki pamięci (SRAM). 13

14 Głowice drukarek atramentowych miniaturowe dysze Budowa dyszy Zasada działania Pompy zapewniają odpowiednie ciśnienie atramentu - technologia MEMS 14

15 Mikrozawory Redwood Microsystems of Menlo Park, California Zawór normalnie otwarty: podgrzanie cieczy kontrolnej zamkniętej wewnątrz komory powoduje ugięcie membrany Si i zablokowanie przepływu cieczy. 15

16 Mikrozawory TiNi Alloy Company of San Leandro, California Zawór normalnie zamknięty: sprężyny TiNi są normalnie ugięte i przepływ cieczy jest zamknięty, podgrzanie powoduje odkształcenie membrany do pozycji płaskiej i odblokowanie przepływu cieczy. Szafirowa kulka + sprężyna zapewniają docisk. 16

17 Mikropompy Instytut Fraunhofera, Monachium, Niemcy Wymiary: mm 3 Pobudzenie elektrostatyczne membrany moduluje objętość cieczy w komorze. Membrana sekwencyjnie zasysa i wyrzuca płyn z mikropompy. 17

18 Mikropompy Zastosowania : autonomiczne dozowniki leków przenośne analizatory krwi (glukometry) analizatory biologiczne i chemiczne, urządzenia diagnostyki Działanie mikropompy - film: Nikkiso 18

19 Akcelerometr dwuosiowy MEMS Firma MEMSIC, Inc. Zasada działania wykorzystuje bąbelek gazu (!). Obszar w środku to rezystor podgrzewający ów bąbelek. Naokoło niego mieszczą się termopary wykrywające położenie bąbla, gdy urządzenie jest przechylane lub działa na nie przyśpieszenie. 19

20 Aktuatory mikrosilnik magnetyczny H. Guckel, T. R. Christenson, K. J. Skrobis, T. S. Jung, J. Klein, K. V. Hartojo, and I. Widjaja, "A first functional current excited planar rotational magnetic micromotor". Proc. IEEE Micro Electro Mech. Systems, p. 7 (1993). 20

21 Mikrosystemy 21

22 Mikrosystemy Wibracyjny żyroskop MEMS wykonany w Sandia umożliwiający integrację MEMS i elektroniki w tym samym podłożu krzemowym 22

23 Mikrosystemy Nippondenso Co., Ltd, Japan The Micro-Car has a total of 24 parts which include the body, tires, spare tire, wheels, axle, bearings, headlights, rear lights, front bumper, rear bumper, step, number plate and emblem. Pojazd w pełni funkcjonalny. Silnik elektromagnetyczny, szybkość 2 cm/s szybkość 5-6 mm/s Model pierwszej Toyoty (1936 r, AA sedan) w skali 1:1000 (dł. 4.8mm). Wykonanie: 1995 r.,w 1996 model nr 2 (zasilanie magnetyczne) Więcej: 23

24 Mikromaszyny w zastosowaniach medycznych Minimalnie inwazyjna terapia (MIT) Minimalnie inwazyjna chirurgia (MIS) Miniaturowa łódź podwodna (4 x 0.8 mm) w naczyniu krwionośnym (Micro TECH Duisburg) 24

25 Mikromaszyny w zastosowaniach medycznych W niedalekiej przyszłości: Bezprzewodowa endoskopia Pobieranie próbek i wycinków bez konieczności wprowadzania do organizmu człowieka narzędzi). Obrazowanie w czasie rzeczywistym Manipulator endoskopowy do chirurgii guza KEITH J. REBELLO, Applications of MEMS in Surgery, 25

26 Przetworniki MEMS - mikrofony Miniaturowe mikrofony MEMS - analogowe (ze zintegrowanym wzmacniaczem audio) - cyfrowe (z wbudowanym filtrem antyaliasingowym i przetwornikiem A/C). Pobór mocy ~70 µa S/N : 59dB(A) Czułość: 10mV/Pa (jak mikrofony elektretowe) Mikrofon z iphone 4 (MEMS, model Knowles S4.10). Infineon Ciekawostka: Dla 10 khz dł. fali to 34 mm, wymiar membrany to ok. 0.5 mm 26 St.J. Dixon-Warren, Overview of MEMS microphone technologies for consumer applications,

27 Konstrukcja - przykład Przetworniki MEMS - mikrofony Przekrój mikrofonu Knowles S2.14 Widok na membranę Knowles S % rynku Knowles. Reszta: Infineon, Analog Devices i inne (np. Bosh) 27 St.J. Dixon-Warren, Overview of MEMS microphone technologies for consumer applications,