MEMS- سیستم‌های الکترومکانیکی میکرو

با پیشرفت چشمگیر صنعت میکرو الکترونیک در ۳دهه گذشته، پیاده‌سازی مدارهای پیچیده الکترونیکی بر سطوح کوچک و تفکر ساخت حسگرهایی در مقیاس میکرونی نیز در دهه گذشته رشدی قابل ملاحظه داشته است. تکنولوژی MEMS در ۱۹۶۴ با ساخت اولین “قطعه تجمیعی MEMS” پا به عرصه وجود نهاد.

گفتنی است که در دهه ۱۹۸۰، تحقیقات آزمایشگاهی در ارتباط با MEMS قوت گرفته و سرانجام در اواسط دهه ۱۹۹۰ ساخت این سیستم‌ها به‌صورت قطعات تجاری و انبوه محقق شد. بهره‌مندی از تکنولوژی مدارهای مجتمع (IC) و استفاده از قطعاتی نظیر Bipolar ،CMOS در صنعت الکترونیک از یک سو و سوار شدن قطعات میکرو مکانیکی و فرایندهای میکروماشینکاری بر روی لایه‌های مختلف “نیمه‌هادی‌های سیلیکونی” از سوی دیگر منجر به ترکیب این دو صنعت با یکدیگر شده و تکنولوژی “MEMS” متولد شد. این تکنولوژی باعث پیاده‌سازی یک سیستم کامل بر روی تراشه‌ها شده است.

سیستم میکرو الکترومکانیکی چیست؟

سیستم‌های میکرو الکترومکانیکی (به انگلیسی: MEMS:Micro electro mechanical systems) فناوری سیستم‌های بسیار کوچک در ابعاد میکرومتر (یعنی یک میلیونم متر و یا یک هزارم میلی‌متر) است.

MEMS فناوری واقعا توانایی است که با درک و کنترل قابلیت‌های میکروسنسورها و میکرو محرک‌ها و به وسیله توانایی محاسبات دستگاه‌های میکرو الکترونیکی موجب پیشرفت در تولیدات هوشمند می‌شود. MEMS همچنین فناوری بسیار گسترده و مستعدی است، چه در کاربرد و چه در نحوه ساخت و طراحی ابزارها.

MEMS با تلفیق میکرو الکترونیک سیلیکونی و فناوری ماشین کاری میکرونی نوید تحول را تقریبا در هر نوع محصولی می‌دهد تا به این ترتیب به «نظام روی یک تراشه» جامه عمل بپوشاند.

در حالی که قطعات الکترونیکی با استفاده از روال ساخت مدار مجتمع (IC) ساخته می‌شوند، عناصر میکروماشین‌ها از طریق فرایندهای ماشین‌کاری میکرونی (Micro machining) تولید می‌شوند. به این ترتیب که بر حسب مورد  قسمتهایی از ویفر (Wafer) برداشته‌شده یا لایه‌های جدیدی به آن اضافه می‌شود. در ادامه در ویدیویی به طور مختصر  با میکرو الکترومکانیکال سیستم‌ها (MEMS) آشنا می‌شوید.

مدارهای پیوسته میکروالکترونیکی (IC) می‌توانند بعنوان مغز متفکر سیستم‌ها باشند و MEMS با اضافه‌کردن چشم و بازو این قدرت تفکر را توسعه می‌دهد تا این میکروسیستم‌ها بتوانند محیط اطرافشان را حس کرده و کنترل نمایند.

این حسگرها در ساده‌ترین حالت خود با کمک اندازه‌گیری پدیده‌های مکانیکی، گرمایی، زیستی، شیمیایی، نوری و مغناطیسی، اطلاعات را از محیط جمع‌آوری می‌کنند. پس از اخذ اطلاعات از حسگر‌ها، دستگاه‌های الکترومکانیکی به کمک قدرت تصمیم‌گیری خود، محرک‌ها را به پاسخ‌هایی چون حرکت، جابجایی، تنظیم‌کردن، پمپ‌کردن و فیلترکردن وادار کرده، محیط را به سمت نتایج موردنظر هدایت می‌کنند.

از آنجا که دستگاههای MEMS همانند ICها با تکنیکهای ساخت ناپیوسته ساخته می‌شوند، می‌توان سطح بسیار بالایی از کارکرد، اطمینان و پیچیدگی را با هزینه اندک بر روی تراشه کوچک سیلیکونی شکل داد.

امروز در کشور های پیشرفته جهان ، توسعه سیستم‌ های مکانیکی و الکترونیکی در ابعاد بسیار کوچک مورد توجه است، زیرا این بخش مهم علمی، موجب افزایش سرعت و کم حجم شدن ابعاد صنایع در کاربرد‌های مختلف صنعتی و عمومی خواهد شد.

فناوری MEMS یا فناوری سیستم‌‌های میکرو الکترو‌مکانیکی، در صنایع مختلف و اثرگذار جهان از جمله صنایع خودرو سازی، تراشه‌‌ها و نظامی کاربرد بسیار زیادی دارند. امروزه لزوم توسعه این فناوری باعث شده است تا بسیاری از کشورهای جهان برای توسعه این فناوری و تولید محصول اقداماتی انجام داده و در این راستا سرمایه‌ گذاری‌‌ کنند.

مزایای میکرو الکترومکانیکال سیستم (MEMS)

میکرو الکترومکانیکال سیستم ( MEMS) تکنولوژی ساخت قطعات و سیستم‎های متشکل از اجزای الکتریکی و مکانیکی ‌می‌باشد که از روش‌های تولید‌ گروهی استفاده ‌می‌کند.

MEMS به عنوان یک تکنولوژی ساخت مزایای زیادی دارد. در MEMS تکنولوژی ساخت گروهی، به افزایش بازده و قابلیت اطمینان، کاهش اندازه، وزن و قیمت می‌انجامد. همچنین MEMS پایه تولید محصولاتی است که به روش‌های دیگر قابل تولید نیستند. در کنار مزایای MEMS، موانع و مشکلات تکنولوژیکی زیادی بر سر راه کوچک‌سازی وجود دارد که می‌بایست بر آن‌ها غلبه کرد.

مدار‌های مجتمع (IC) از خواص الکتریکی سیلیکون استفاده می‌کنند، در حالیکه MEMS از خواص مکانیکی و مزایای دیگر سیلیکون نیز استفاده می‌کند.

از دیگر مزایای آن می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

•  نوع فناوری MEMS و تنوع آن در کاربردهای مفید، آن را به‌طور بالقوه به فناوری فراگیرتری حتی از میکروچیپ‌های IC تبدیل کرده است.
•  MEMS وجه تمایز بین سیستم‌های مکانیکی پیچیده و مدارهای الکتریکی IC را از بین می‌برد.
• حسگرها و محرک‌ها گرانترین و غیرقابل اطمینان‌ترین قسمت یک سیستم الکترونیکی در مقیاس بزرگ هستند. فناوری MEMS اجازه می‌دهد که این سیستم‌های الکترونیکی پیچیده، به‌منظور استفاده در تکنیک‌های ساخت مجتمع تولید شوند. این عمل، قابلیت اطمینان حسگرها و محرک‌ها را تا حد برابری با دقت IC‌ها پذیرفتنی کرده است.

کارکرد میکرو الکترومکانیکال سیستم

MEMS به عنوان یکی از آینده‌دارترین تکنولوژی‌ها در قرن ۲۱ شناخته شده‌ که قادر است با یک‌پارچه سازی میکرو‌ الکترونیک و تکنولوژی میکرو‌ ماشین‌کاری، تحولی شگرف در صنعت و محصولات مصرفی ایجاد کند.

با توجه به تحقیقات آی بی ام(IBM)، هوش مصنوعی، MEMS و سنسورها، بخش های کلیدی خواهد بود که در طی پنج سال آینده بر زندگی ما اثر خواهد گذاشت.

سیستم‌های الکترومکانیکی در مقیاس میکرو یا به اصطلاح MEMS در واقع یک تکنولوژی برای ساخت قطعات و سیستم‌های کوچک مجتمع ‌می‌باشد که از ترکیب تجهیزات و قطعات الکترونیکی و مکانیکی بوجود‌ می‌آیند. این سیستم‌ها و قطعات با استفاده از روش‌های ساخت مدار مجتمع ساخته ‌می‌شوند و اندازه‌ آن‌ها از میکرومتر تا میلی‌متر تغییر‌ می‌کند.

در این سیستم‌ها میکرو حسگر تغییرات محیط اطراف سیستم را از طریق اندازه‌گیری پدیده‌ها و اطلاعات مکانیکی، حرارتی، مغناطیسی، شیمیایی و یا الکترومغناطیسی شناسایی می‌کند. بخش میکروالکترونیک این اطلاعات را پردازش می‌کند و سیگنال کنترلی را به عملگر می‌فرستد تا تغییرات لازم انجام شود.

کاربرد میکرو سیستم‌های الکترومکانیکی

MEMS از سال ۱۹۵۰ به بعد به صورت محصولات امروزی و خارج از آزمایشگاه درآمد. وسایل مختلفی چون میکرو‌ حسگرها مثلا در شتاب سنج کیسه هوای وسایل نقلیه، فشار سنج و هد چاپگر جوهر افشان از نمونه‌های MEMS می‌باشند. به هر حال پتانسیل اصلی برای قطعات MEMS کاربرد در زمینه‌های مخابرات نوری و بی‌سیم، مهندسی پزشکی و  ربات‌های پیشرفته می‌باشد. در ادامه ویدیویی از کاربرد میکرو‌الکترومکانیکال سیستم‌های ساخته شده در شرکت بوش را مشاهده می‌کنید.

با خط مهندسی همراه باشید تا به معرفی برخی از کاربرد‌های سیستم‌های الکترومکانیکی بسیار کوچک بپردازیم:

• صنعت خودروسازی

• فشارسنج

برای اندازه‌گیری فشار روغن موتور، فشار خلا، فشار تزریق سوخت، فشار خط ترمز ABS، فشار هوای ذخیره شده برای کیسه هوا از MEMS استفاده می‌شود.

•  شتاب‌سنج

شتاب‌سنج‌های ساخته شده با فناوری MEMS  به سرعت با شتاب‌سنج‌های رایج جهان که در آرایش سیستم‌های کیسه هوا در موقعیت‌های ناگهانی به‌کار می‌رفتند، جایگزین شدند. شتاب‌سنج‌های MEMS  کوچکتر، وظیفه‌مندتر، سبک‌تر و قابل اطمینان‌تر بوده و با کسری از هزینه عناصر شتاب‌سنج‌های مقیاس بزرگ ساخته شده‌اند.برای مثال در سیستم تعلیق و کیسه‌هوا ماشین.

• ژیروسکوپ

ژیروسکوپ‌ها، سیگنالی متناسب با حرکت دورانی خودرو برای سیستم کنترل نیروی گریز از مرکز یا کشش جاده تولید می‌کنند. در واقع اگر شرایط غیرایمن تشخیص داده شود، سیستم کنترل سیگنالی را به سیستم ترمز ضدقفل می‌فرستد تا از واژگون شدن آن جلوگیری کند.در تصویر زیر خودرو‌های دو چرخ را مشاهده می‌کنید که برای حفظ تعادل خود از ژیروسکوپ استفاده می‌کنند.

• صنایع زیست محیطی

در سال ۲۰۰۰ واژه‌ای‌دیگر به گروه سیستم‌های ریز الکترومکانیکی اضافه شد که پیوند میان عناصر زیستی و MEMS بود که آن را سیستم ریز – زیستی الکترومکانیکی نامیدند.

کاربردهای فراوان سیستم‌های ریز بیوالکترومکانیک در رشته‌های مرتبط با عوامل زیستی بسیار زیاد است، که برای نمونه می‌توان به ابزارهایی برای پزشکی و دستگاه‌های پزشکی ( عناصر مصنوعی در بخش اعصاب یا لنزهایی با کارایی بالا) و  ابزارهایی برای تحلیل و بررسی داده‌های سیستم (ژنومیک، پرتومیک و  آنالیزهای کلینیکی) اشاره کرد.

• پزشکی

می‌توان از کاربردهای ابتدایی MEMS در این زمینه به اندازه‌گیری فشار خون، جریان مایعات داخلی بدن، ماسک گاز، دیالیز، ظرفیت تنفسی و دستگاه‌های تنظیم‌کننده ضربان قلب اشاره. به‌عنوان مثال، می‌توان از Medical Pressure نام برد که ساختاری بر اساس خواص پیزو دارد و به‌صورت یک بار مصرف در بیمارستان‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد.

• صنایع هوا‌فضا

در نشانگرهای کابین خلبان، ابزار پرش اضطراری، اندازه‌گیر‌های تونل هوا و میکروماهواره‌ها کاربرد دارند.

• صنایع ارتباطات

از دو نوع MEMS در این صنعت به‌طور متداول استفاده می‌شود:

• سیستم میکرو الکترومکانیکی فرکانس رادیویی(RFMEMS)

سیستم میکرو الکترومکانیکی فرکانس رادیویی (radio frequency microelectromechanical system) امروزه کاربردهای بسیار وسیعی در صنعت ساخت موبایل دارند به‌طوریکه با پیشرفت آن‌ها، موبایل‌ها ارزان‌تر شده و اندازه‌ای کوچکتر پیدا کرده‌اند.

• میکرو اپتو الکترو‌مکانیک سیستم (MOEMS)

MOEMSها (Micro Opto Electro Mechanical Systems) به‌دلیل وجود فوتون بدون جرم، نیاز به نیروی کمی دارند، مکان کوچکی را اشغال می‌کنند، دقت بالایی دارند و با سرعت نور کار می‌کنند و تکنولوژی ساخت آن‌ها مانند نیمه‌هادی‌هاست.  کاربرد MOEMS در فیلترها، مدولاتورها، آنتن‌ها است.

در حالی که بر اساس آمارهای ارایه شده نیاز به  MEMS  روز به روز در حال گسترش است، بازار این فناوری در سال ۲۰۱۱ از مرز ۱۱ میلیارد دلار گذشت، نکته قابل توجه این است که انحصار تکنولوژی و صادرات MEMS در دست چند کشور خاص است.از دیگر موارد برجسته در این موضوع نیاز روز افزون به این فناوری با توجه به این مسأله که بشر دریافته است باید نیاز های خود را بدون ایجاد آلودگی و اشغال فضای بیهوده توأم با سرعت بیشتر برطرف کند.