Diepgaande Duik in MEMS Actuatie & Sensor Mechanismen: Uw Gids voor Geavanceerde Sensorontwerp

Samenvatting

De afgelopen decennia is de voortgang in Micro-Electro-Mechanische Systemen (MEMS) apparaten sterk gevraagd voor het integreren van economisch geminiaturiseerde sensoren met fabricagetechnologie. Een sensor is een systeem dat meerdere fysieke invoeren detecteert en reageert daarop en deze omzet in analoge of digitale vormen. De sensor transformeert deze variaties in een vorm die kan worden gebruikt als marker om de apparaatvariabele te monitoren. MEMS vertoont uitstekende haalbaarheid in het miniaturiseren van sensoren vanwege zijn kleine afmetingen, lage energieverbruik, superieure prestaties en batch-fabricage. Dit artikel presenteert de recente ontwikkelingen in standaard actuatie- en sensormechanismen die MEMS-gebaseerde apparaten kunnen dienen, wat verwacht wordt om bijna alle productcategorieën in de huidige tijd te revolutioneren. De uitgelichte principes van actueren, sensormechanismen en real-life toepassingen zijn ook besproken. Een goed begrip van de actuatie- en sensormechanismen voor MEMS-gebaseerde apparaten kan een cruciale rol spelen bij de effectieve selectie voor nieuwe en complexe toepassingsontwerpen.

Inleiding

Sensoren en actuatoren worden gezamenlijk aangeduid als transductoren, die de functie vervullen van het transformeren van signalen of vermogen van het ene energiedomein naar het andere. Een breed scala aan transductie-instrumenten dient om fysieke signalen om te zetten in elektrische signalen (d.w.z. sensoren). Daarnaast worden de uitgangssignalen verder verwerkt door elektronische systemen met geïntegreerde schakelingen (IC's), net als het omzetten van elektrische signalen in fysieke signalen (d.w.z. actuatoren). In het bijzonder zijn sensoren apparaten die fysieke fenomenen (d.w.z. trilling, druk en stroom) of samenstellingsvariaties (elektrische geleidbaarheid en potentiele waterstof (pH)) detecteren en monitoren. Sensoren converteren variaties in een bepaalde vorm die kan worden gebruikt om gemeten variabelen te markeren of te controleren, terwijl actuatoren worden gebruikt om mechanische beweging en kracht/moment te produceren. Met andere woorden, senseren kan breed worden gedefinieerd als energietransductieprocessen die resulteren in perceptie, terwijl actueren energietransductieprocessen zijn die acties produceren. Sensoren bestaan uit drie delen: sensorelement om de fysieke en chemische hoeveelheid te detecteren, transducer om de gedetecteerde parameter om te zetten in een elektrisch signaal, uitleesapparaat zoals een computer dat wordt gebruikt om het geconverteerde signaal te lezen en te interpreteren.

De prestaties van sensoren zijn geëvalueerd door verschillende karakteristieke parameters, zoals gevoeligheid, resolutie en nauwkeurigheid. Waarbij gevoeligheid de minimumwaarde van de doelsubstantieconcentratie bepaalt. Resolutie verwijst naar een verhouding tussen de maximum gemeten grootte tot het kleinste deel dat kan worden bepaald. Tegelijkertijd is nauwkeurigheid gedefinieerd als de hoeveelheid onzekerheid in meting ten opzichte van een absolute standaard, en het kan de kwalitatieve analyse van de sensor direct beïnvloeden. Waarbij de detectielimiet (LOD) de laagste hoeveelheid van een stof is die door de sensor kan worden onderscheiden, waarbij de capaciteit van een sensor om een bepaalde stof te identificeren. Daarnaast is de responstijd de specifieke tijdsperiode wanneer de concentratie een bepaalde limiet bereikt wanneer de sensor een waarschuwingssein produceert en de hersteltijd is de periode na het detectieproces voor het sensormateriaal die het kost om te herstellen en de basisstatus te herwinnen.

In de afgelopen decennia hebben vooruitgang in micro-elektronische apparaatfabricagetechnologieën overtuigende, nauwkeurige en hoogpresterende apparatenystemen opgeleverd. Technologie is ingedrukt tot het punt dat we apparaten zo klein kunnen maken dat ze niet zichtbaar zijn voor het menselijk oog. Micro-Electro-Mechanische Systemen (MEMS) omvatten de innovatie van minuscule apparaten die modellen kunnen vertegenwoordigen als sensoren of actuatoren. Continue ontwikkeling op het gebied van MEMS belooft geoptimaliseerde en kosteneffectieve geminiaturiseerde elektronische apparatuur. Typische afmetingen van MEMS-apparaten worden doorgaans gemeten in tientallen of honderden micrometers. Het gebruik van dezelfde fabricagemethoden wordt als het construeren van microprocessors. Op dit moment kunnen sensoren en actuatoren op een vergelijkbare schaalniveau worden geconstrueerd met microprocessorchips. In recente ontwikkelingen is microschaal batch-fabricatie van druk-, temperatuur-, inertiële etc. sensoren gedemonstreerd voor batchschaal met behulp van vergelijkbare chipafhandelingseenheden. Het nauwkeurig superponeren van een systeem op een chip kan de werking van complexe systemen mogelijk maken.

MEMS is een technologie die geproduceerd wordt met halfgeleidermaterialen en mechanische componenten, sensoren, actuatoren en elektronische elementen op een algemene siliciumsubstraat met kenmerkende afmetingen variërende van een paar millimeters tot micronmaat. Deze systemen kunnen de operaties van senseren, controleren en actueren op microschaal uitvoeren, die kunnen opereren afzonderlijk of in bulk om een effect op de macroschaal te produceren. MEMS-technologie heeft de combinatie van micro-elektronica met micromachining-technologie op een typische Si-wafer in typische metaaloxide halfgeleiderapparaten overwogen. In recentere tijden is MEMS-technologie aanzienlijk gegroeid voor het erkennen van verschillende soorten natuurlijke sensoren en actuatoren. Daarnaast is het gebruikt in geminiaturiseerde sensorproductie in een groot aantal toepassingen vanwege lage vermogenswaarden, snelle respons, array-fabricatie op mechanische maten, gemak, goedkoop en betere gevoeligheid. Significatief is de oppervlakte-tot-volume-verhouding van sensormateriaal aanzienlijk toegenomen, wat uiteindelijk de werktemperatuur van de metaaloxide-gebaseerde sensor heeft verlaagd en de vraag naar expansiematerialen heeft verhoogd.

Recent zijn metaaloxide-gebaseerde sensoren zoals titaniumdioxide (TiO₂), tinndioxide (SnO₂) en zinkoxide (ZnO) de meest aantrekkelijke type sensoren geworden voor gasdetectie. Het werkingsprincipe van de metaaloxide halfgeleider (MOS) techniek hangt af van de verandering in resistiviteit van een metaaloxide halfgeleider gebruikt als acceptormateriaal wanneer blootgesteld aan een analietgas tijdens detectie. De hoge gevoeligheid van deze sensoren zou echter alleen bereikt worden bij verhoogde werktemperaturen, daarnaast zijn er ook selectiviteitsproblemen. Een alternatieve benadering is om het te combineren met andere sensorcomponenten, met name edele metaal nanopartikelen (d.w.z. Au, Ag, Pd en Pt), om de bovenstaande barrières te overwinnen, vanwege de extreme specifieke voordelen van chemische en elektronische sensibilisatie.

MEMS-apparaten kunnen geproduceerd worden in de MEMSCAP US via de MUMPs (Multi-User MEMS) procedures. MUMPs is een commercieel programma dat praktische, bewijs-van-concept MEMS-creatie biedt aan industriële en academische onderzoek. Over het algemeen biedt MEMSCAP drie standaardprocedures als een belangrijk aspect van het MUMPs-pakket: PolyMUMPs, beschreven als een drie-laags polysilicium oppervlakte microfabricatieprocedure, MetalMUMPs, dat een geëlektrodeerd nikkelproces is, en SOIMUMPs, gepresenteerd in een silicium-op-isolator microfabricatieprocedure. MEMS-procedures zijn ontwikkeld uit de unieke technologieën van halfgeleiderapparaatfabricatie: depositie, patronering en etching van materiaallagen. De stappen van MUMPs-fabricagetechnologie worden getoond in het ontwerphandboek. Ondanks fabricagetechnologie, zijn MEMS-sensoren breed gebruikt als instrumentatie of menselijke comfortkwesties in industriële en thuistoepassingen. Vanwege de diverse werkomstandigheden van MEMS-sensoren in verschillende toepassingsvelden (van intern gebruik tot buitengebruik), zijn verschillende soorten MEMS-sensoren gemodelleerd op basis van verschillende werkingsprincipes en verschillende sensormaterialen. MEMS-sensoren zijn essentieel in gassensorsystemen, waaronder vochtigheids- en giftige gassensoren.

MEMS is een breed domein en dekt bijna elk aspect van ons huidige leven, als sensoren en actuatoren. De opkomende domeinen van elektronische microsystemen, met inbegrip van bijna alle productcategorieën in geminiaturiseerde vormen, hebben bijgedragen aan een snelle ontwikkeling op het gebied van actuatie- en sensortechnieken in hun productie- en integratieprocessen. De effectiviteit van een gerichte toepassing is kritiek afhankelijk van de juiste selectie van een specifieke actuator. Daarnaast hangt de basis-efficiëntie van de actuator af van verschillende factoren zoals vermogens- en controllmethoden, compatibiliteit, de mate van verpakking die nodig is en kosteneffectiviteit. Dit artikel biedt een grondige analyse van de MEMS-actuatie- en sensortechnologieën onderzocht voor hun functionele toepassingen, met nadruk op veel voorkomende vormen van transductie, om de voortgang van dit opkomende gebied te bevorderen terwijl deze hoofdfactoren worden aangesproken. De rest van het papier is als volgt gerangschikt. Sectie II introduceert de Micro-Electro-Mechanische Systemen. Sectie III presenteert een beknopt overzicht van de actuatiemechanismen (verschillende principes en benaderingen om MEMS-apparaten te actueren, waaronder: electrostatische, electrothermale, elektromagnetische en piezo-elektrische actuatie). Sectie IV introduceert een beknopt overzicht van de sensormechanismen, waaronder piezoresistieve, capacitieve en optische sensormechanismen, en sectie V presenteert een verdere discussie over de vooruitzichten van MEMS-gebaseerde apparaten, ten slotte biedt sectie VI de conclusies en toekomstige trends.

Micro-Electro-Mechanische Systemen

De eerste verschijning van wat vandaag als MEMS-technologie bekend is, kan worden herleid tot 1 april 1954, toen Smith (1954) een artikel publiceerde in de Bell Telephone Lab als een Physical Review. Dit is de eerste beschrijving van enkele van de spanningsgevoelige effecten in silicium en germanium, genaamd piezoweerstanden. MEMS is niet de hoofdafkorting die vooral redelijk is vanwege de enorme breedte en variëteit van apparaten en systemen die zijn geminiaturiseerd (d.w.z. het veld is niet alleen micro, elektrisch en mechanische systemen). Toch is de afkorting MEMS het meest gebruikt om het gehele veld aan te duiden (d.w.z. alle apparaten voortkomend uit micromachining behalve IC), ook geschreven als micro-electro-mechanisch, Microelectromechanical of microelektronisch en MEMS in de Verenigde Staten). Verschillende namen voor dit algemene gebied van miniaturisatie omvatten Microsystems Technology (MST) beroemd in Europa, en Micromechanics beroemd in Azië. MEMS-apparaten omvatten een breed bereik van domeinen om informatie uit de omringende omgeving te meten en om te zetten in nuttige elektrische signalen. Er zijn zes grote energiedomeinen van belang:

1. Elektrisch domeen (omvatten elektrisch veld, stroom, spanning, weerstand, lading, capaciteit, inductie, dielectrische constante, polarisatie en frequentie).

2. Chemisch domeen (inclusief samenstelling, reactiesnelheid, concentratie, pH en oxidatie- of reductiepotentiaal).

3. Mechanisch domeen (omvatten lengte, breedte, oppervlakte, alle afgeleiden naar tijd zoals snelheid, versnelling, massastroom, volume, kracht, druk, moment, akoestische golflengte en akoestische intensiteit).

4. Thermisch domeen (inclusief temperatuur, stroom, warmte, specifieke warmte, entropie en toestand van enige materie).

5. Radiatief domeen (omvatten intensiteit, fase, polarisatie, golflengte, reflectie, transmissie en brekingsindex).

6. Magnetisch domeen (inclusief veldintensiteit, permeabiliteit, fluxdichtheid en magnetisch moment).

Deze energiedomeinen en veelvoorkomende parameters erin zijn samengevat in (Tabel 1). De totale energie binnen een systeem kan in verschillende domeinen coëxisteren en kan tussen verschillende domeinen verschuiven onder de juiste omstandigheden.

Afhankelijk van de werking van de ontworpen chip, kan MEMS in verschillende categorieën worden ingedeeld. Het kan worden gebruikt om senseren uit te voeren voor meten, monitoren en detecteren van gevaarlijke gassen. Een andere classificatie is het gebruik van MEMS als actietype apparaat dat op het lichaam of met lichaamsmaterialen werkt, zoals vloeistoffen of buiten het lichaam werkend, zoals apparaten gebruikt in medicijnafgifte systemen. MEMS-apparaten zijn ingedeeld in vier verschillende categorieën op basis van de kerntoepassingsgebieden (Fig. 1), waaronder: fluidische, Radiofrequentie (RF), optische, en bio MEMS.

Categorisatie van MEMS-apparaten

Voor de meeste huidige technologieën zijn MEMS-sensoren een gewenst nieuw veld voor veel praktische toepassingen, variërend van consumentenelektronica tot de luchtvaartindustrie. Het belangrijkste kenmerk van MEMS is de capaciteit om effectief te communiceren met elektrische componenten in halfgeleiderchips, en de sensorindustrie is gerevolutioneerd door MEMS-technologie door elektronische functies en mechanische acties te combineren, ze hebben normaal gesproken laag energieverbruik en hoge gevoeligheid vanwege de kleine afmetingen. MEMS-gebaseerde sensorapparaten hebben veel voordelen die ze een belangrijke rol laten spelen in diverse toepassingen. Deze voordelen omvatten lage kosten door de potentie van array-fabricatie, laag energieverbruik en kleine afmetingen. Ook heeft MEMS veel andere voordelen, zoals lichtgewicht, hoge resolutie, stabiele prestaties en gemakkelijke integratie met andere apparaten en systemen. Micromechanische tot micromechanische apparaatreducties zijn verbeterd in verschillende gebieden, bijvoorbeeld inerziële sensoren, chemische sensoren, inkjetprinters, gyroscopen, satellieten, RF-communicatie, smartphones, druksensoren, versnellingsmeters, biomedische instrumentatie, militaire toepassingen, bewegings- en krachtsensoren. Bovendien spelen de lage kosten en eenvoud van het fabricatieproces een cruciale rol in commerciële productie.

Volgens het werkingsprincipe kunnen sensorapparaten in twee categorieën worden ingedeeld op basis van het werkingsprincipe: statische en dynamische modus van de apparaatwerking. Wanneer MEMS-apparaten gebaseerd zijn op de statische modus, is een frequentiesignaal niet inbegrepen. Ook wordt de balk afgebogen door de oppervlakteadsorptiemassa, wat tijdelijke resultaten van spanning en structurele vervorming zal veroorzaken. Het kan optisch gedetecteerd worden of gevoeld door veranderingen in de piezoweerstand. Bepaalde chemische binding ontstaat op het apparaatoppervlak, en de interne nanomechanica kan de MEMS-balk detectie buigen. In de dynamische modus, om optimale prestaties van het apparaat te krijgen, moet een mechanische resonantiefrequentie gestimuleerd worden. De maximum amplitudo die kan worden bereikt door het trillende systeem en een maximale resonantie in een specifiek systeem opwekken, wordt een resonantiefrequentie genoemd. Waarin de resonantiefrequentie beïnvloed wordt door twee hoofdparameters: de veerconstante van de balk en zijn effectieve massa, en zal veranderen volgens deze parameters. Dit is het werkingsprincipe voor het gebruik van de verandering in resonantiefrequentie als detectiemiddel. De kwaliteitsfactor moet hoog zijn om de gewenste gevoeligheid en resolutie te verkrijgen. Het is noodzakelijk om deze mechanismen te begrijpen en te vergelijken, aangezien ze de basis zijn van de werking en uitgangsignaaldetectie van MEMS-gebaseerde apparaten.

Actuatietechnieken

De actuatietechniek is een term gegeven aan het mechanisme dat de invoerenergie omzet in een microstructuurbeweging. Er zijn verschillende principes en benaderingen om MEMS-apparaten te actueren, de belangrijkste van welke zijn: electrostatische actuatie, electrothermale actuatie, elektromagnetische actuatie, en piezo-elektrische actuatie (Fig. 2). Complementaire metaal-oxide-halfgeleider CMOS-MEMS sensorapparaten zijn ontworpen om te werken met electrostatische actuatie met behulp van parallelle platencondensatoren of electrothermale actuatie door gebruik te maken van microverwarmers. Aan de andere kant zijn PolyMUMPs en MetalMUMPs sensorapparaten ontworpen om electrothermale actuatie te gebruiken door middel van ingebedde microverwarmers.

Actuatietechnieken van MEMS-gebaseerde sensorapparaat

MEMS-gebaseerde apparaten kunnen geactueerd worden door een sinusoidale kracht F(t) toe te passen, door een van de bovenstaande actuatiemethoden. Vergelijking (1) wordt gebruikt om de algemene bewegingsvergelijking te vinden aangezien M de totale massa van de bovenste plaat is, b de dempingscoëfficiënt, k veerconstante van de flexibele balk,

$$M\ddot{\gamma } + b\dot{\gamma } + k\gamma = F(t)$$ (1)

waarbij F de amplitude van de externe dryfkracht in de z-richting vertegenwoordigt, \(\ddot{\gamma }\)\(\ddot{\upgamma }\), \(\dot{\upgamma }\) \(\dot{\gamma }\) en γ de versnelling, snelheid en verplaatsing van de massa respectievelijk zijn.

Elektrostatische actuatoren zijn vrij wijdverspreid; ze hebben een snelle responstijd en laag energieverbruik. Aan de andere kant zijn actuatoren die het electrothermale principe gebruiken populair; ze hebben een grote dryfkracht en verplaatsing onder lage dryfspanning. Elektromagnetische actuatoren hebben enkele meriten als snelle respons, grote verplaatsing. Actuatoren die het piezo-elektrische principe gebruiken, hebben hoge gevoeligheid hoewel kleine dryfkracht en verplaatsing per eenheidsspanning. Daarom is een goed begrip van het principe dat plaatsvindt essentieel om een hoogpresterend apparaat te verkrijgen met een van deze actuatiebenaderingen.

Elektrostatische Actuatie

De hoofdvan de electrostatische actuatie is het elektrische veld van de condensator, en het berust op de aantrekkende kracht tussen twee parallelle platen met tegenovergestelde ladingen. Elektrostatische actuatie is gebaseerd op de wet van Coulomb die de wederzijdse kracht tussen twee ladingen op een bepaalde afstand beschrijft die gegenereerd wordt tussen vaste en bewegende platen. Elektrostatische actuatie wordt beschouwd als een van de meest populaire mechanismen voor het actueren van MEMS-apparaten. Ze hebben een eenvoudig ontwerp, snelle responstijd, gemakkelijke fabricage en laag energieverbruik. Echter, de non-lineariteit en de verhoogde waarde van de dryfspanning is het grootste probleem van dit type actuator. Sommige typen electrostatische actuatie moeten zorgvuldig overwogen worden bij het bestuderen van MEMS onder electrostatische actuatie. De meest voorkomende vormen zijn gebaseerd op een condensator bestaande uit twee eenvoudige parallelle platen of een kam-structuur bestaande uit meerdere geïnterdigitale of niet-geïnterdigitale vingers. Een conventionele methode is de parallelle platenactuatie waarin de bovenste bewegende plaat een bepaalde polariteit heeft, en de onderste vaste plaat een tegenovergestelde polariteit (Fig. 3). De verplaatsing en trilling van de bewegende plaat hangen af van het spanningsverschil tussen de twee platen. Wanneer de polariteit van de ladingen gelijk is, zal er een afstotende verplaatsing zijn tussen de vaste en bewegende platen, maar wanneer de twee platen verschillende ladingen hebben, zal de bewegende plaat naar de vaste plaat worden aangespoord. Actuatie vindt plaats wanneer het type ladingen op de bewegende plaat periodiek worden gewijzigd.

Parallelle platencondensator voor de electrostatische actuatie

Pull-in instabiliteit is een van de hoofdproblemen wanneer de parallelle plaat electrostatisch wordt gedreven omdat de vaste plaat net onder de microbalk ligt en de statische wrijving het apparaat doet instorten. Kam-actuatoren bestaan uit twee kamsets van geïnterdigitaal vingersstructuren (Fig. 4). Ze worden gemeenschappelijk in dezelfde parallelle plaat aan het substraat geplaatst waar een kamvinger vastzit, en de andere is verbonden met flexibele structuren (bijv. veren) om te bewegen naar en weg van de vaste plaat. Wanneer een andere spanning wordt toegepast tussen de bewegende kam en vaste kamvingers, trekt de electrostatische kracht van de randvelden de twee kammen samen door een vaste externe sinusoidale kracht. Algemeen zijn parallelle platencondensatoren sterker kam-actuatoren per eenheid oppervlakte omdat ze een grotere overlappende capaciteit hebben tussen de vaste en bewegende plaat van de actuator. Echter, ontwerpers geven de voorkeur aan kam-actuatoren vanwege deze twee hoofdredenen: het produceert een grotere verplaatsing (enige tientallen micrometers zijn beschikbaar), en de kracht is relatief niet gerelateerd aan de verplaatsing. Over het algemeen heeft electrostatische actuatie brede toepassingen gevonden in micromechanische actuator, biosensor toepassing, vochtigheidsdetectie, deeltjes- en massa-sensing toepassingen, MEMS nanopositioneringssysteem, RF MEMS schakeltoepassingen, gesloten-lus ruis van MEMS oscillatoren, navigatie (automobiel Global Positioning System GPS), gyroscopen, biomarker detectie in uitgeademde adem en massa-gevoelige gassensoren. Daarnaast werd het theoretische model van electrostatisch geactueerde en capacitieve CMOS-MEMS gebaseerde sensorapparaat voor niet-invasieve screening van diabetes ook gerapporteerd. Waarbij diabetesscreening werd uitgevoerd door detectie van aceton damp in uitgeademde adem (EB), waar chitosaan polymer werd gebruikt als sensormateriaal. Specifiek werd een geoptimaliseerde gevoeligheid gerapporteerd van ongeveer 0,042, 0,066, 0,13, 0,18 en 0,26 pm/ppm.

Schematisch van de electrostatische kam-drijfconfiguraties, a longitudinale geïnterdigitaal kam actuator; b transversale actuator

Om een MEMS-apparaat in resonantieconditie of trillingsmodus op te wekken, moet een alternerende dryf worden uitgevoerd door een wisselspanning toe te passen tussen de twee platen van stator en rotor. De standaard dryfmodi worden als volgt getoond: eenvoudige alternerende spanning (V₁sinωt), wisselspanning met een dc bias (V₀ + V₁sinωt) en push-pull dryf (Fig. 5). Push-pull dryf wordt over het algemeen beschouwd als de beste oplossing omdat structurele krachten kunnen worden toegepast aan beide kanten van de rotor. Push-pull is een ideale dryf geschikt voor kam-drijfschema.

Kam dryf resonator a Eenvoudige alternerende spanning dryf, b wisselspanning met een dc bias, en c push-pull dryfschema

Electrothermale Actuatie

Electrothermale technieken worden meestal gebruikt in MEMS-drijven, maar zelden in sensingtoepassingen. De electrothermale techniek is essentieel geschikt voor flexibele configuratie om beweging te genereren met de gewenste verplaatsing. Dryf wordt uitgevoerd door een wisselstroom toegepast door de terminalen van de ingebedde microverwarmer als gevolg van de thermische kracht die ontstaat als reactie op het temperatuurverschil van de verschillende lagen. De microverwarmer is gemaakt van componenten van verschillende lagen materiaal en werkt bij verhoogde temperaturen. Wanneer de wisselstroom wordt toegepast, stijgt de temperatuur van het apparaat; vanwege de mismatch in de coëfficiënt van thermische uitdijning (CTE) van de verschillende materialen, zet het materiaal uit, wat thermische spanning veroorzaakt die het apparaat doet buigen. Aan de andere kant kan de afkoelbenadering toegankelijk zijn door geleiding naar het substraat en convectie naar de omringende lucht (of vloeistof).

Deze temperatuurveranderingen beïnvloeden het apparaat op twee manieren, zoals gerapporteerd: (1) dimensionele veranderingen in het apparaat of spanningen gegenereerd binnen het apparaat, en (2) materiaaleigenschappen van het apparaat variëren met temperatuur. De stroomtechniek moet gecompact worden tot de microverwarmer. Microverwarmer genereert de gewenste warmte door een specifieke stroom toe te passen op de weerstand kan resulteren in laag vermogensverlies en snelle responstijd. De electrothermale kracht kan worden beschreven door (2).

$$F_{th} = \alpha_{T} AE(T - T_{0} )$$ (2)

waarbij α_T de CTE is, E de Young's modulus van de balk, A de dwarsdoorsnede van de balk, T de uiteindelijke temperatuur, en T₀ de initiële temperatuur voor verwarming. Verschillende materialen zijn gebruikt in microverwarmerontwerpen. Bijvoorbeeld, om de beste prestaties, nauwkeurigheid, brede temperatuurbereik en stabiliteit te bereiken, zullen platina en goud de beste keuzes zijn voor de microverwarmer. Echter, ze zijn duur. Het gebruik van microverwarmers in MEMS-sensoren vereist een ingebouwde temperatuursensor om de geproduceerde warmte om te zetten in nuttige uitvoer. Voor temperatuursensoren is platina beschikbaar in het bereik van -200 °C tot 800 °C en nikkel in het bereik van -100 tot 260 °C. Volgens rapporten is aluminium ook een goed materiaal voor temperatuursensing. Figuur 6 toont de veelvoorkomende mechanismen van electrothermale actuatie die U-Balk Actuator (heet/koud arm), bimorf actuator (bi-materiaal actuator), en knikactuatoren (V-Balk Actuator of shuttle balken) omvatten.

Schematisch van de electrothermale actuatie a U-Balk Actuator (heet/koud arm), b bimorf actuator (bi-materiaal actuator), c en d knikactuatoren (V-Balk Actuator en shuttle balken)

U-balk actuatoren zijn ook bekend als hete/koude armen, waar de actuator bestaat uit een smalle arm (heet), een brede arm (koud) anker en contactpads. Het wordt primair gebruikt voor in-plane of horizontale incitatie ten opzichte van het substraat. Het werkingsprincipe in deze techniek hangt af van het toepassen van een differentiële spanning over de contactpads, stroom stroomt door de armen, en de hete armen (hogere weerstand) verwarmen meer stroomdichtheid dan de koude arm (lagere weerstand). Een smalle hete arm is dus heter en zal meer uitzetten dan een dikke arm. De hete arm produceert grote thermische spanningen. Deze differentiële rek tussen beide armen laat het hele apparaat afbuigen.

Een bimorf actuator, ook aangeduid als bi-materiaal, bestaat uit twee verschillende thermisch uitzettende materialen die samen gebonden zijn. In tegenstelling tot de eerste twee actuatoren, wordt de bimorf actuator typisch gebruikt voor out-of-plane actuatie. Als de stroom door de balk gaat, stijgt de temperatuur van het materiaal. Deze temperatuur zal een grotere uitzetting in het ene materiaal produceren dan in het andere omdat het een andere thermische uitzettingscoëfficiënt heeft, wat resulteert in thermische spanning en buiging van het apparaat.

Thermische knikactuatoren bestaan uit een V-balk of shuttle balk, ankers en contactpads, die ook primair gebruikt worden voor in-plane of laterale actuatie. Als stroom tussen de balk vloeit, veroorzaakt de temperatuurstijging van de balk thermische uitzetting door Joule-verhitting die optreedt, wat neigt om uit te rekken en de shuttle te verplaatsen of de middelste balk van het apparaat vooruit te duwen in de eenvoudigste en minst weerstandbiedende richting.

In de praktische implementatie worden de meeste MEMS-apparaten met thermische actuatie getrild bij frequenties dicht bij de natuurlijke frequentie, dus is het essentieel om de natuurlijke frequentie van de apparaten te berekenen. De electrothermale technologie wordt meer voorkomend vanwege zijn grote dryfkracht en verplaatsingen gebaseerd op thermische uitzetting van de twee laag materialen onder een heel lage opwekkingsspanning, wat niet kan worden bereikt door welke andere strategieën ook wanneer vergelijkbare maten worden gebruikt. Electrothermale actuatie vertoont meerdere voordelen zoals grote verplaatsing, gemakkelijke fabricage, grote kracht en relatief lage toegepaste spanning. Aan de andere kant vereisen ze een grote hoeveelheid stroom en een lage spanning versterker. Daarnaast verbruikt het veel vermogen door Joule-verhitting. Een meer beperking is gevoeligheid voor de omgevingstemperatuur. Ten slotte kan de opwekkingstemperatuur en warmteverhoging door electrothermale actuatie verschillende nadelen induceren voor de burende elektronica samen met de verpakkingsfase van het systeem.

Verschillende typen electrothermale actuatie zijn ontwikkeld en bestudeerd; Heet/koud arm, bi-materiaal of bimorf en thermische knikactuator. Referentie heeft de microkraagtrillingen onder thermische actuatie onderzocht met behulp van de bimorf actuator. Referentie heeft een gestructureerde procedure voorgesteld voor polysilicium micro ring thermische actuatie (RTA) geproduceerd met behulp van de MUMPs processen. Een microkraag gebaseerd op thermische actuatie is ontworpen. Ze veronderstelden dat het systeem in vacuüm of vloeistof (gas) vloeistof is en stelden een analytische oplossing voor. Dennis et al. produceerden een (CMOS-MEMS) systeem met ingebouwde microverwarmers die werkten bij relatief hoge temperaturen (40–80 °C) om vochtigheidsniveaus te meten met titaniumdioxide (TiO₂) nanopartikelen als sensormateriaal. De sensor werkte in dynamische modus met electrothermale actuatie en een uitgangssignaal beoordeeld met een piezoresistieve (PZR) sensor verbonden met de Wheatstone-brugschakeling. De uitgangsspanning van de vochtigheidssensor steeg van 0,585 tot 30,580 mV naarmate de vochtigheid steeg van 35% RH tot 95% RH. De gevoeligheid van de vochtigheidssensor steeg lineair van 0,102 mV/% RH tot 0,501 mV/% RH met een toename van de temperatuur van 40 tot 80 °C en een maximale hystereses van 0,87% RH werd gevonden bij een relatieve vochtigheid van 80%. In een verdere opmerkelijke bijdrage, modelleerden Almur et al. een MetalMUMPs acetondamp sensoringssysteem gebaseerd op electrothermale actuatie en capacitieve sensing. De uitgangsspanningsverandering werd gevonden lineair toenemend met toenemende acetondampconcentratie van 100 tot 500 ppm met een concentratiegevoeligheid van 0,65 mV/ppm. Vanwege de dikke nikkellaag van de MetalMUMPs technologie die gebruikt werd, heeft het apparaat een zeer hoge massa (4,7 × 10⁻⁸ kg) en lage massa-gevoeligheid (0,118 MHz/pg).

Elektromagnetische Actuatie

De elektromagnetische werking is lang gebruikt in het senseren en drijven van grootschalige toepassingen (zoals luidsprekers). Deze techniek vereist elektriciteit om het magnetische effect te stimuleren. Het gebruikt de elektromagnetische kracht (ook Lorentz-kracht genoemd na de Nederlandse natuurkundige Hendrik A. Lorentz 1895) om een magnetisch veld te produceren aan de resonator door een wisselstroom toe te passen op de spoel of induktor geïntegreerd in de resonator (Fig. 7). Lorentz-kracht is gedefinieerd als de kracht gegenereerd op een puntlading als gevolg van de gecombineerde elektrische en magnetische krachten op de lading. Elektromagnetische actuatie is ook gebruikt als leidraad voor andere actuatietechnieken, bijvoorbeeld electrostatische en electrothermale. In deze techniek, wanneer een geleider die een elektrische stroom I voert, kan worden toegepast op een extern magnetisch veld B, zal dit een Lorentz-kracht F_L induceren zoals aangegeven door (3).

$$\vec{F}_{L} = L\vec{I} \times \vec{B}$$ (3)

waarbij L duidt op de geleiderlengte en × verwijst naar het kruisproduct. De stroom in het geleidende element gelegen binnen het magnetische veld genereert een elektromagnetische kracht in een richting loodrecht op de stroom en het magnetische veld. Deze kracht is recht evenredig met de stroom, magnetische fluxdichtheid en lengte van de microbalk. Vanwege de interactie gegenereerd door de stroom tussen de magneet en het magnetische veld, zal een mechanische verplaatsing op de microbalk worden gegenereerd als gevolg van de toegepaste stroom op de microspoel. Bijvoorbeeld, elektromagnetische actuatie is gebruikt om microbalk te stimuleren wanneer blootgesteld aan een extern magnetisch veld door stroom door de microbalk te laten vloeien, zoals gezien in Fig. 7a. Op dezelfde manier, als wisselstroom door het apparaat op de microbalk vloeit, kan deze benadering worden gebruikt om de out-of-plane resonator op te wekken (Fig. 7b). Lorentz-krachten van gelijke waarde en tegengestelde richtingen worden geproduceerd als de spoel gedeponeerd is op een structuur van de microbalk. De tegengestelde richtingen van de stroom die door de verschillende delen van de spoel vloeien, corresponderen met deze krachten. Zulke krachten compenseren elkaar. Figuur 7c kan echter een netto beweging induceren die wordt gebruikt om de microbalk te actueren.

Schematisch van de elektromagnetische actuatie met Lorentz-krachten a in-plane actuator, b en c out-of-plane actuator

De elektromagnetische techniek omvat veel voordelen ten opzichte van andere typen actuatietechnieken. De belangrijkste voordelen van de elektromagnetische actuatie omvatten de grote verplaatsing zonder de invloed van het non-lineaire effect, lagere spanningen omdat ze gebaseerd zijn op stroom in plaats van spanning-gedreven, bovendien hebben ze een hoge reproduceerbaarheid, ze hebben ook meer kenmerken zoals snelle respons, hoge nauwkeurigheid en het voordeel van gemakkelijke controle. Voor MEMS-toepassingen is de elektromagnetische techniek de beste keuze om de maximale dryfkracht voor apparaatgrootteverhouding te bereiken. Echter, ze lijden nog steeds onder enkele nadelen door het gebruik van de enorme stroom wat resulteert in hoog energieverbruik, ook hun fabricage is gecompliceerd (normaal gesproken behoefte aan inductieve onderdelen om magnetische flux te produceren ook de mogelijkheid van het fabriceren van spoelen, en de depositie van een magnetisch materiaal). Dit feit gecombineerd met constructieve moeilijkheden heeft magnetische actuatietoepassingen beperkt. Echter, er zijn succesvolle toepassingsvoorbeelden in de literatuur zoals het kan bestaan in MEMS-schakelapparaten, optische schakelaars, en microscanners, gyroscopen, of relais. Veel onderzoeken zijn ook gebaseerd op magnetische actuatie. De magnetische microsensoren die de commerciële 0,35 µm CMOS-proces gebruiken zijn onderzocht. In een verdere bijdrage, ontwierpen Barba et al. elektromagnetisch geactueerde MEMS-kragers voorgesteld om parasitair fenomene te minimaliseren met gebruik van boor-gedopeerd silicium. In een ander bemoeieniswerk, is een elektromagnetische en piezo-elektrische geactueerde en piezoresistieve gesensde CMOS-MEMS-apparaat gemodelleerd voor vochtigheidsdetectie met ZnO NRs (6 µm/chitosan SAMs) als sensormateriaal. De gevoeligheid werd gevonden te zijn 83,3 ppm.

Piezo-elektrische Actuatie

Piezo-elektrisch effect duidt op de capaciteit van een bepaald materiaal om een elektrische spanning te produceren als reactie op toegepaste mechanische spanning. Piezo-elektriciteit werd ontdekt door de gebroeders Curie in 1880, en 'Piezo' betekenis komt van het Griekse woord dat 'drukken' of 'duwen' betekent. Een piezo-elektrische actuator gedefinieerd als transductoren die een toegepaste potentieel omzetten in een mechanische beweging of rek gebaseerd op de piezo-elektrische invloed. Piezo-elektrische materialen zoals kwarts, zinkoxide, loodzirconaattiaanaat (piezo-elektrisch keramisch materiaal PZT), en polyvinylideendifluoride (PVDF) worden gemeenschappelijk gebruikt in sensor- en actuatortoepassingen op een macro-schaal alsook in MEMS-toepassingen in recentere jaren, maar de sensing is beperkt vanwege hun gebrek aan een DC-respons. Piezo-elektrische materialen fungeren elektrisch als isolatoren en moeten worden geplaatst tussen twee geleidende elektroden om lading te verzamelen of om een elektrisch veld toe te passen (met behulp van een geïnterdigitaal elektrode of sandwichstructuur).

In MEMS-apparaten is het basisprincipe van de piezo-elektrische actuatiemethode gebaseerd op het gebruik van een dunne piezo-elektrische laag die wordt gedeponeerd als onderdeel van de MEMS-balk tussen flexibele (Fig. 8). Wanneer een spanning wordt toegepast op de piezo-elektrische laag, zet het piezo-elektrische materiaal uit volgens de polarisatie van de toegepaste spanning, wat een axiale buiging over de lengte van de flexibele balk veroorzaakt.

Schematisch van de piezo-elektrische actuator

In het algemeen vertonen piezo-elektrische actuatoren veel voordelen zoals hoge uitvoerkracht, goede werkende bandbreedte, zeer compacte afmetingen, lichtgewicht, laag energieverbruik en snelle respons. Hun kenmerken zijn goed bekend en zijn al decennia in gebruik. De meeste eerste sensoren gebruiken piezo-elektrische actuatie en zijn nog steeds in gebruik. Echter, kleine verplaatsingen van actuatoren zijn een groot nadeel, en hun hoge temperatuurgevoeligheid, non-lineair werkgebied en hystereses beperken hun brede toepassingsbereik. Piezo-elektrische materialen zijn zeer broos. Ze kunnen zelden alleen worden gebruikt maar worden vaak verbonden met een flexibele structuur voor actuatie- en sensingtoepassingen. Er zijn verschillende werken gebaseerd op piezo-elektrische actuatie bestudeerd het potentieel om een piezoresistieve microkraag te gebruiken voor omgevingsapplicaties, met name voor vochtigheidsdetectie. Mahdavi et al. hebben een nieuwe klasse van nauwkeurige dauwpuntmetingen voorgesteld die profiteren van dunne-film Piezoelectric-on-Silicon (TPoS) resonators met ZnO NRs (6 µm/chitosan SAMs). De gevoeligheid werd gevonden te zijn 16,9–83,3 ppm bij het bereik van responstijd van 46 s/167 s. gevoeligheid voor massa-belasting gebaseerd op piezo-elektrische opwekking is onderzocht voor chemische sensing gerapporteerde piezo-elektrische transductie van flexurale-modus silicium resonators om efficiënte temperatuurcompensatie te bereiken. De resonantie gassensor met piezo-elektrische MEMS voor defensietoepassingen werd gerapporteerd.

Actuatietechnieken Discussie

Verschillende typen MEMS-actuatoren vereisen verschillende dryvelektronica. Zoals genoemd in dit artikel, zijn er verschillende principes en benaderingen om MEMS-apparaten te actueren. De belangrijkste van welke omvatten: electrostatische actuatie, electrothermale actuatie, elektromagnetische actuatie, en piezo-elektrische actuatie. Elektrostatische actuatoren zijn een traditioneel veld en worden beschouwd als een van de meest populaire mechanismen voor het actueren van MEMS-apparaten. Ze hebben een eenvoudig ontwerp, snelle responstijd, gemakkelijke fabricage en laag energieverbruik. Echter, de non-lineariteit en de verhoogde waarde van de dryfspanning is het grootste probleem van dit type actuator. Electrothermale actuatoren bieden zeer lage weerstand aan hun dryfbronnen en vereisen hoge stromen in plaats van hoge spanningen om ze te bewegen. Hoge spanning versterkers zijn niet bijzonder geschikt voor gebruik in electrothermale MEMS-actuatoren. In plaats daarvan zijn een lage spanning en hoge stroom signaalbron vereist. Natuurlijk kan dit ook werken als de uitgangsstroom van de hoge spanning versterker groot genoeg is om de electrothermale actuator te dryven, maar het is geen bijzonder energie-efficiënte of kosteneffectieve oplossing. Voor MEMS-toepassingen is elektromagnetische technologie de beste keuze om maximale dryfkracht per apparaatgrootteverhouding te bereiken. Echter, ze lijden nog steeds onder enkele nadelen door het gebruik van de enorme stroom die resulteert in hoog energieverbruik, ook hun fabricage is gecompliceerd (normaal gesproken behoefte aan inductieve onderdelen om magnetische flux te produceren ook de mogelijkheid van het fabriceren van spoelen, en de depositie van een magnetisch materiaal). Piezo-elektrische actuatoren vereisen ook hoge spanning versterkers, maar aangezien ze typisch gebruikt worden voor resonantie, zijn de dryfvereisten in termen van dryfspanning typisch lager dan die vereist voor andere actuatoren. Het recente onderzoek van MEMS-gebaseerde sensorapparaten die kunnen worden geactueerd met de vier basale actuatietechnieken die de afgelopen jaren voor veel toepassingen zijn gebruikt, zoals getoond in Tabel 2. Het kan duidelijk waargenomen worden dat er een stijgend ontwikkelingspatroon is op het gebied van micro-montage en micromanipulatie voor MEMS-gebaseerde sensorapparaten die gecategoriseerd zijn op basis van actuatietechnieken. Tegenwoordig is een breed scala aan toepassingen geïdentificeerd voor MEMS-gebaseerde sensorapparaten die hoge gevoeligheid en resolutie bieden. De sensoringssystemen worden robuuster en betrouwbaarder door de integratieconfiguratie.

Sensormechanismen voor het Uitgangssignaal

Het sensormechanisme wordt gebruikt om de uitgang van de MEMS-apparaten te voelen. De basis van de sensortechniek is gebaseerd op het gebruik van een polymer gedeponeerd op de sensoraag van het apparaat om een bepaalde chemische stof te absorberen die een variatie creëert in de spanning, massa, elektrische of mechanische kenmerken van de balk. Om de verandering in de massa te schatten, kan de resonantiefrequentie van het apparaat worden gemeten op basis van de gedetecteerde massa-toename die een van zijn parameters is. Dan weer, wanneer het polymer de massa absorbeert, kan de piezoweerstand die op het oppervlak van het sensorelement is gelegen, worden gebruikt om de massa van de balk te schatten. Een andere methode om verdachte chemicaliën te detecteren is om thermokoppels te gebruiken om temperatuurveranderingen te meten veroorzaakt door de warmte gegenereerd door het polymer dat het analiet absorbeert.

Om de uitgang van deze MEMS-apparaten te voelen, worden methoden zoals piezoresistieve, capacitieve of optische mechanismen gebruikt (Fig. 9). Verschillende sensormechanismen hebben tegelijkertijd verschillende voordelen en nadelen.

Sensormechanismen van MEMS-gebaseerde sensorapparaten

Bijvoorbeeld, optische sensing heeft goede haalbaarheid; het is echter erg duur om te implementeren vergeleken met capacitieve en piezoresistieve technieken. Capacitieve en piezoresistieve technieken zijn de gangbare methoden gebruikt om het uitgangssignaal te voelen. CMOS-MEMS apparaat was ontworpen om zowel piezoresistieve als capacitieve sensortechnieken te omvatten vanwege de kenmerken van 0,35 µm CMOS technologie gebruikt om het te ontwerpen. In tegenstelling, waren PolyMUMPs en MetalMUMPs apparaten ontworpen om alleen capacitieve sensortechnieken te gebruiken.

Piezoresistieve Sensing

Piezoresistief is een algemeen sensoprincipe gebruikt in MEMS-apparaten. In wezen is het principe van piezoresistieve materialen gebaseerd op de weerstandsverandering wanneer hun rek verandert als reactie op toegepaste spanning. Deze verandering kan worden waargenomen in de elektrische weerstand van het materiaal van het apparaat als gevolg van een oppervlactespanningsverandering door buiging. De weerstandswaarde van de piezoweerstand met de resistiviteit ρ van een weerstand, lengte l en dwarsdoorsnede A wordt gegeven door (4).

$$R = \frac{\rho l}{A}$$ (4)

De verandering ΔR in weerstand is evenredig met de toegepaste rek kan worden gedefinieerd in (5).

$$\Delta R = G\varepsilon R$$ (5)

waarbij G de gauge factor werkt als een proportionaliteitsconstante van de piezoweerstand, ε de rek in het materiaal is, en R de piezoweerstandsweerstand. Een piezoresistief element gedraagt zich anders tegenover longitudinale en transversale rekcomponenten gepresenteerd. Volgens (5), kan de weerstand van een piezoweerstand variëren door veranderingen in de geometrie (lengte en dwarsdoorsnede) of in de eigenschap van het materiaal (resistiviteit). Piezoresistieve detectie hangt af van het verschil in resistiviteit van materiaal wanneer spanning wordt toegepast. In een piezoresistief materiaal heeft de verandering van resistiviteit door de toepassing van spanning een veel groter effect op de weerstand dan de verandering in resistiviteit door een verandering in de geometrie (sensoren die vertrouwen op de verandering van weerstand door geometrie worden zogenaamde rekjauges). (Fig. 10) toont verschillende weerstandsoriëntaties en externe krachtladingsrichtingen.

a Longitudinale piezoweerstand domineert, b en c transversale piezoweerstand domineert gepresenteerd

Het hoofdnadeel van dit sensormechanisme is de vaste temperatuurafhankelijkheid van resistiviteit. Om deze impact te beperken, wordt normalerweise een verzameling van vier piezoresistieve ontworpen gebruikt om een Wheatstone-brug te vormen. Dit beperkt de temperatuurafhankelijkheid. Verder worden de kleine veranderingen in het elektrisch signaal gegenereerd van jauges vertaald en gemeten als spanningen met behulp van deze Wheatstone-brug. Wheatstone-brug gebruikt vier weerstanden gerangschikt in de brug van de vier armen. Op basis van de hoeveelheid van deze actieve weerstanden (optredend als transducer), enkele actieve brug (enkele transducer), halve actieve brug (dubbele transducers), en de volle actieve brug (viervoudige transducers) van de Wheatstone-brug kunnen worden gebruikt zoals gerapporteerd. De enkele actieve brug heet ook Kwartbrug die slechts een enkele actieve component gebruikt die verandert vanwege een fysieke omgeving, bijvoorbeeld druk, kracht, temperatuur, terwijl de rest van die weerstanden passief zal zijn enz. MEMS-systemen zijn gebruikt als temperatuur, calorimeter, en in combinatie met de Wheatstone-brug, sensoren staan basisschommelingen toe. Thermische brugsysteem is een van de bekendste senseringsplatformen onder MEMS. In de AC-gedreven Wheatstone-brugconfiguratie (Fig. 11b), hebben onderzoekers de weerstandsgebaseerde thermometrie gebruikt om temperatuurveranderingen te analyseren met micro-Kelvin resolutie. In een overzicht, de rechterhelft van de brug omvat een sensoweerstand op de lagere tak met geassocieerde weerstand op de bovenste, terwijl de linkerkant gedefinieerd is als de matchende. Vaste weerstanden met een relatief lage temperatuurcoëfficiënt van weerstand worden gebruikt met weerstandswaarden, die gekozen zijn om stabiliteit en resolutie te verbeteren op basis van eerdere studie.

Schematische typen van een Wheatstone-brug, a kwartbrug, b halfbrug, en c vollebrug configuraties

Silicium piezoweerstand en polysilicium plakken worden algemeen gebruikt in MEMS-sensoren. De resistiviteit van silicium hangt af van zijn strategie voor doping. N-type gedopt met silicium is minder gevoelig dan p-type. Dit brengt beperking tot de fabricages. In deze situatie zal een in-plane transversale en in-plane longitudinale de meest significante elementen zijn. Voor halfgeleidermaterialen zoals silicium, zijn de longitudinale en transversale gauge factoren als gevolg van geometrieverandering vrij klein vergeleken met hun waarden als gevolg van resistiviteitsverandering, hierna kan de verandering in geometrie worden genegeerd, en de longitudinale en transversale gauge factoren als gevolg van alleen de resistiviteitsverandering worden gevonden met (6) en (7), respectievelijk.

$$G_{L} = \pi_{L} E$$ (6) $$G_{T} = \pi_{T} E$$ (7)

waarbij E de Young's modulus van het piezoresistieve materiaal is. π_L en π_T zijn de longitudinale en transversale piezoweerstandscoëfficiënten, respectievelijk, willekeurig georiënteerde polysiliciumkorrels, en hun waarden zijn gegeven in Tabel 3.

Op dit moment is het piezoresistieve effect gebruikt als bio- of chemische detectie, vochtigheidsdetectiedoeleinde, schakeltoepassingen, biomarker detectie in uitgeademde adem, microscanners, drukdetectie, en massa-gevoelige gassensoren. Zope et al. hebben een weerstandsgevoelde thermisch-gedreven piezo-resonator ontwikkeld, voornamelijk samengesteld uit CMOS-materiaal voor massa-sensing toepassingen. Waarbij een massa-gevoeligheid van 24,96 kHz/ng werd gerapporteerd. De geëxtraheerde massa-resolutie van 16,3 fg is ook waargenomen, wat een groot potentieel toont om te dienen als aerosol-sensor.

Capacitieve Sensing

Het capacitieve sensormechanisme is gebaseerd op het meten van de veranderingen in de capaciteit tussen de stator en rotor vingers of tussen de vaste plaat en bewegbare plaat. Capacitieve sensing is de hoofd-dominante methode voor micromachined toepassingen vanwege de compatibiliteit met alle fabricagebenaderingen en stijfheid. Capacitieve sensing heeft veel aantrekkelijke kenmerken, waaronder hoge gevoeligheid, laag energieverbruik, eenvoud in ontwerp, lage drift en lage temperatuurafhankelijkheid. Bovendien kan de meting van het uitgangssignaal gemakkelijk op de PolyMUMPs die geproduceerd worden met capacitieve sensing. Alleen een enkele parallelle plaat kan gebruikt worden om capacitief de variaties in de natuurlijke frequentie of amplitude van de MEMS-apparaten te voelen (zoals een CMOS-MEMS apparaat en een PolyMUMPs apparaat) of door een kamvinger toe te passen (zoals een MetalMUMPs apparaat).

Voor CMOS-MEMS apparaat en PolyMUMPs apparaten, wanneer er geen actuatie is (Fig. 12a), wordt de initiële statische gesensde capaciteit (C_s0) tussen de lagere vaste plaat en de bewegbare bovenste plaat berekend met (8).

$$C_{s0} = \frac{{\varepsilon A_{s} }}{{z_{0} }}$$ (8)

waarbij ε de relatieve permittiviteit van de dielectrica is, A_s de oppervlakte van de gesensde platen en z_0 de opening tussen de vaste en bewegbare platen. Wanneer de bewegbare plaat verplaatst wordt door z (Fig. 12b), verandert de initiële opening, en dus verandert de capaciteit ook, en wordt gevonden door (9).

$$C_{s} (z) = \frac{{\varepsilon A_{s} }}{{z_{0} - z}} = C_{s0} \frac{{z_{0} }}{{z_{0} - z}}$$ (9)

Parallelle platencondensator tonend a initiële conditie en b na verplaatsen van de bewegbare plaat

Tegelijkertijd, voor de MetalMUMPs apparaten, kan de uitgang capacitief gedetecteerd worden door het differentiële kamvingersontwerp te gebruiken. Zoals getoond in Fig. 13, zijn er twee rangschikkingen van vaste kamvingers om de differentiële capaciteit te hebben.

Kamvingers configuratie voor MetalMUMPs apparaat tonend a de initiële conditie en b de verplaatsing van de trillende kamvinger

Voor de initiële conditie, wanneer het apparaat niet geactueerd is (Fig. 13a), kan de statische gedetecteerde capaciteit C_0 voor elke set trillende-vaste vingers worden berekend door (10).

$$C_{0} = n\frac{{\varepsilon l_{f} w_{f} }}{d}$$ (10)

waarbij l_f en w_f de lengte en breedte van het overlappende gebied van de trillende en vaste kamvingers respectievelijk zijn. d is de opening tussen de vaste en trillende kamvingers en n is het aantal trillende kamvingers. Wanneer het apparaat verplaatst wordt door y naar de vaste kamvinger één zoals getoond in (Fig. 13b), zullen de capaciteiten C_1 en C_2 veranderen en afhankelijk van die verschuiving, en hun waarden kunnen worden berekend met (11) en (12), respectievelijk.

$$C_{1} (x) = n\frac{{\varepsilon l_{f} w}}{d - y}$$ (11) $$C_{2} (x) = n\frac{{\varepsilon l_{f} w}}{d + y}$$ (12)

Het uitgangssignaal van het apparaat zal worden gemeten als een spanning door de verandering in de sensocapaciteit bij actuatie met behulp van MS3110 capacitieve uitleesschakeling die de verandering in capaciteit vertaalt naar de uitgangsspanningsverandering als reactie op de temperatuur van de microverwarmers. Tegenwoordig worden capacitieve effecten gebruikt in MEMS resonators, biosensor toepassing, vochtigheidssensor, diabetes screening, Navigatie (automobiel Global Positioning System (GPS)), een lage ruis versnellingsmeter, en RF MEMS capacitieve schakelaars.

Optische Detectie

Optisch sensormechanisme hangt af van het detecteren van de veranderingen in het doorgelaten licht ten opzichte van het ontvangen licht. De detectie van stofsoorten door spectrale transmissiestrategie is breed erkend. Optische sensoren zijn opvallend vanwege hun selectiviteit aangezien het niet afhangt van enige chemische reactie of enige chemische katalysatoractiviteiten. Luchtverontreinigende stoffen identificatie wordt herkend door het gebruik van de kenmerken van de optische soorten (bijvoorbeeld absorptie, brekingsindex, Raman-verstrooiing, fluorescentie, en reflectie). Optische sensoren gebruiken emissie- en absorptiemetingen voornamelijk door verschillende technologieën zoals Fourier-transformatie infraroodspectroscopie (FTIR), oppervlakte plasma resonantie (SPR), differentiële optische absorptiespectroscopie (DOAS), laser diodes absorptiespectroscopie (LDAS), kaviteitsring-down spectroscopie (CRDS), niet-dispersieve infrarood (NDIR) spectroscopie, lichtdetectie en afstanden (LIDAR), UV fluorescentie en chemiluminescentie voor de sensing van luchtverontreinigende stoffen in luchtmonsters. Normaal zal het licht kruisen, gewijzigd of gereflecteerd worden door enige ruimte met het relevante medium (Fig. 14). De wet van Beer-Lambert kan worden gebruikt om de optische detectie van luchtverontreinigende stoffen te regeren als volgt:

$$I = I_{0} *e^{ - \alpha l}$$ (13)

waarbij het doorgelaten licht door het monster I is, I_0 het ontvangen licht is, α de absorptiviteit vertegenwoordigt, l de lengte van het pad vertegenwoordigt.

Schematische voorstelling van een optische MEMS-sensor

Echter, de meerderheid van de toepassingen voor optische MEMS is in communicatie; er zijn verschillende toepassingen in verschillende velden. De literatuur dekte talloze pogingen om de optische detectie van luchtverontreinigende stoffen te introduceren. Een paar van deze sensoren worden gebruikt om chemicaliën te herkennen. Dit toont het multifunctionele deel van deze sensoren. Infraroodspectrometrie is een geval van een techniek die kan worden gebruikt voor optische sensing. In een verdere opmerkelijke bijdrage, hebben Huang en medewerkers ook gedemonstreerd de simulatie van een geïntegreerde optische MEMS-versnellingsmeter. De effectieve simulateresultaten hebben als volgt gedemonstreerd: een resonantiefrequentie van 562,85 Hz, een mechanische gevoeligheid van 781,64 nm/g, een optische systeemgevoeligheid van 1,23, een resolutie van 1,037 µg, en lage kruisgevoeligheid. De voorgestelde versnellingsmeter kan worden gebruikt voor verbeteringen in MEMS-inertiële navigatieapparaten. Een ander model is de Fabry-Perot optische sensor. In wezen gesteld, de principes van deze sensor zijn gebaseerd op het brengen van gas in een kamer en een korte tijd later licht door de kamer te laten gaan. Vanwege veranderingen in de stofsamenstelling, zal het licht dat erdoorheen gaat niet precies equivalent zijn aan zonder het gas. Dit licht wordt ontleed, en van de resultaten kan bevestiging worden gemaakt over het type gas dat getest wordt. Het succesvolle testen van een optische MEMS-sensor voor de detectie van catechin werd gerapporteerd. De absorptiemeting van catechine oxidatie werd uitgevoerd door blauw licht (472 nm) bevestigd door een MEMS-apparaat. Het licht werd getransmitteerd van een vrij-ruimte blauwe laser werkend in continue golfmodus en is gefocust op een multimode vezel met handmatig gerangschikte organisatie. Ontvangen licht werd gekoppeld via de optische vezel aan een USB-verbonden spectrophotometer die geautomatiseerde gegevensverzameling assisteerde met de software.

Sensormechanismen Discussie

In het oogpunt van verschillende werkingsprincipes, kunnen de bovenstaande sensormechanismen in drie typen worden ingedeeld, namelijk piezoresistieve, capacitieve en optische mechanismen. Er zijn voordelen en nadelen voor verschillende sensormechanismen tegelijkertijd. Bijvoorbeeld, optische sensing heeft goede haalbaarheid; het is echter erg duur om te implementeren vergeleken met capacitieve en piezoresistieve technieken. Als resultaat zijn piezoresistieve en capacitieve technieken de gangbare methoden gebruikt om het uitgangssignaal te voelen. Elke kleine verandering in de spanning kan worden gedetecteerd met een piezoresistieve techniek. Een hoofdnadeel van de piezoresistieve sensotechniek is de hoge temperatuurafhankelijkheid van resistiviteit. In Tabel 3, presenteert het recente werk en vooruitgang (laatste 5 jaar), inclusief actuatie- en sensormechanismen, sensormaterialen, fabricagetechnologie en toepassing. De geminiaturiseerde microchip gepresenteerd (in Tabel 4) kan worden gebruikt voor gas- en vochtigheidsdetectie, menselijke gezondheidsscreening, inertiële navigatie met goede herhaalbaarheid, hoge resolutie, hoge gevoeligheid en snelle respons. Daarnaast zijn MEMS-sensoren bewijzen een effectief medium voor sensoren gecombineerd met on-chip elektronische schakelingen. Het kan daarom niet alleen functioneren als een draagbare sensorchip, maar kan ook worden gekoppeld als onderdeel van het Internet of Things (IoT) netwerk om real-time en remote hoge-gevoeligheids vochtvolging te bereiken.

Discussie

Recente ontwikkelingen gaan over nieuwe technologieën die energie kunnen oogsten uit de omgeving, omdat duurzame zelfvoorzienende micro/nano-energiebronnen een opkomend veld van nano-energie zijn, wat nanomaterialen en nanotechnologie omvat bij het oogsten van energie voor het stroomvoorzien van micro/nano-systemen. De triboelektrische lading wordt alleen geproduceerd op het oppervlak afhankelijk van de fysieke wrijving tussen twee afzonderlijke materialen. De triboelektrische nanogenerator (TENG) is een apparaat dat mechanische energie omzet in contactscheiding of relatieve glijding tussen twee materialen met tegenovergestelde polariteiten. TENG gebaseerd op het koppelende effect tussen tribo-elektriciteit en electrostatische inductie waarin de bijgewerkte voortgang en potentiële toepassingen als nieuwe energietechnologie en als zelf-aangedreven actieve sensoren. De voorgestelde benadering gebruikt biomechanische energieoverdracht naar elektriciteit van menselijke activiteit.

• Om het energieverbruik tijdens de werking te verminderen, moeten sensoren van wakker worden of bijna nul-energie supplement voorgesteld en onderzocht worden, wat betekent dat deze sensoren geen enkel energieverbruik hebben. Met deze componenten van MEMS, kunnen MEMS-sensoren langdurig werken of in een zelf-aangedreven modus opereren.

• Naar toekomstgerichte sensoren te kijken, sensoren met flexibiliteit zijn hot topics van het recente onderzoek in de laatste jaren vanwege hun veelzijdigheid en grote potentiële toepassingen in gezondheid/menselijke toepassingen. Flexibele sensoren worden vaak in combinatie met draagbare sensoren gebruikt om hun unieke voordelen te hebben. Meer dan alleen het gebruik van de flexibele sensor zoals een draagbaar elektronisch voor observatiedoeleinden, kunnen ze zelfs worden gebruikt als een mens-machine interface voor het bereiken van hogere eisen. Met de verbetering van de kwaliteit van het menselijk leven, zijn draagbare apparaten en mens-machine interfaces erkend als belangrijke richtingen voor het ontwikkelen van sensoren van de toekomst met voldoende flexibiliteit en veelzijdige sensormogelijkheden. Draagbare elektronische apparaten kunnen eenvoudig geïntegreerd worden met het menselijk lichaam om onze waarnemingscapaciteiten uit te breiden. Sensorfuncties van draagbare elektronische apparaten omvatten, maar zijn niet beperkt tot, kracht, rek, electrofysiologie, hartslagmonitors, temperatuur, fitness trackers, enz. Met de dienst van verschillende apparaten onder verschillende anatomische posities, kan de ontwikkeling van veel toepassingen van het lichaamssensor worden vergemakkelijkt van ziekenhuiszorg tot fitness en wellness tracking, mens-machine interfaces en herkenning en beoordeling van cognitieve toestanden.

• Terwijl, door MEMS-sensor te combineren met kunstmatige intelligentie (AI), zal de volgende generatie sensoren duidelijke evolutionaire impact bieden en mensen helpen om met andere dingen in diverse toepassingsomstandigheden te interacteren. Bovendien heeft de snelle verbetering van de moderne samenleving de uitbreidende associatie tussen mensen met machines waargenomen, wat enorme intelligente mens-machine apparaten vereist. Rondom grote data en hypersensitiviteit detectie, stimuleert MEMS-sensor die een machine learning strategie gebruikt, de uitbreiding van de komende generatie slimme sensoringssysteem. Dit interactieve systeem met next-generation sensor biedt consumenten een meer uitgebreide ervaring. Het kan worden gebruikt voor veel praktische toepassingen, zoals simulatie van sporttraining, entertainment, medische revalidatie en zo voort.

Conclusies en Toekomstige Trends

Het is goed erkend dat MEMS-gebaseerde sensoren een sleutelrol spelen op het gebied van miniaturisatie en elektronische microcircuits. Het is noodzakelijk om deze mechanismen te begrijpen en te vergelijken, aangezien ze de basis zijn van de werking en uitgangsignaaldetectie van MEMS-gebaseerde apparaten. Dit artikel bespreekt verschillende populaire actuatie- en sensormechanismen gerelateerd aan MEMS-apparaten die de afgelopen decennia zijn ontstaan. Dit artikel introduceert een beschrijvend overzicht van de vooruitgang van de actuatie- en sensormechanismen van MEMS-gebaseerde sensorapparaten. De up-to-date trends en de beperkingen terwijl het een waardevolle perceptie geeft in het veld van opkomende actuatie- en sensortechnologieën. Een uitgebreide discussie werd gepresenteerd, waarbij het belang van de actuatie- en sensormechanismen, zijn structuur, werkingsprincipes, classificatie, fabricage en toepassingen benadrukt werd. Een goed begrip van de actuatie- en sensormechanismen voor MEMS-gebaseerde sensorapparaten speelt een vitale rol in hun selectie en effectieve toepassing in diverse innovatieve technologieën. Daarnaast zal de juiste selectie van actuatie- en sensortechnieken in MEMS-sensoren gebaseerd op de gewenste toepassing zoals gevoeligheid, resonantiefrequentie, in-/uitgangsspanning, temperatuur enz., leiden tot snellere commercialisatie en betere productstabiliteit.

Om verschillende taken uit te voeren voor verschillende toepassingen zoals industrie en elektronische apparatuur, zullen verschillende MEMS-apparaten met verschillende structuren gecollaboreerd met diverse actuatie- en sensormechanismen in het echte leven ontstaan. Bovendien zullen MEMS-apparaten niet alleen gebruikt worden voor eenvoudige taken, maar ook voor complexere taken. Tegelijkertijd zullen MEMS-apparaten meer vrijheid hebben en kunnen voldoen aan de behoeften van diverse toepassingen. Echter, om hogere nauwkeurigheid en miniaturisatie na te streven, zal de complexiteit van MEMS-apparaatontwerp blijven toenemen. Daarnaast hebben MEMS-producten een nauwe relatie met de markt. Het kan worden voorspeld dat MEMS-apparaten meer functies, miniaturisatie en lage kosten zullen realiseren, wat een enorme uitdaging is voor andere producten. Daarom zullen MEMS-fabricagebenaderingen in de komende jaren ontwikkelen naar een hoger niveau om aan de marktvraag te voldoen. Met de vooruitgang van MEMS-apparaatfabricatieprocessen, zullen unieke hardwarefabrikanten kortere fabricatiecycli en snelere fabricatiesnelheden nastreven.

Een van de centrale gebieden van de toekomstige trend in dit gebied is betrouwbaarheidsonderzoek en verbeteringsmethoden. Bovendien zullen nieuwe materialen en kosteneffectieve fabricagetechnieken belangrijke kansen voor ontwikkeling bieden. Het is aangetoond dat de ontwerpcapaciteit niet beperkt is tot standaardprincipes en de kwalitatieve prestaties kan verbeteren. Ondanks MEMS-voordelen, bestaan er nog enkele uitdagingen in de volgende aspecten.

• De traditionele MOS dunne films door MEMS-technieken vertonen vaak slechte gevoeligheid voor doelgassen door de compacte oppervlaktestructuur en lage kristalliniteit.

• In recente studies is geprobeerd om hoogpresterende MOS-nanomaterialen op microverwarmers te integreren. Toch is het moeilijk om de slurry-gebaseerde MOS-nanomaterialen op het opschortende verwarmingsgebied van microverwarmers te controleren en te gieten. Echter, de lage opbrengst en grote apparaat-tot-apparaat afwijking belemmeren de sensorfabricage op grote schaal.

• Het is ook gecompliceerd om de hechting tussen microverwarmers en sensormaterialen te verbeteren om stabiele parameters te krijgen, vooral bij hoge temperaturen > 350 °C wat resulteert in verminderde senseringsprestaties en lage stabiliteit.

• Het fabriceren van sensorfilms met hoge gevoeligheid met MEMS-compatibele methoden is een urgente doelstelling.

• Naar een nieuwe era toe, kunnen verschillende uitdagingen MEMS-gebaseerde sensoren verwachten in termen van energievoorziening en intelligentie tijdens de werking, zoals de uitdagingen van de flexibiliteit van draagbare toepassingen, de vriendelijke interactieve mogelijkheden van mens-machine interface toepassingen, en analyse van de grote data.

Beschikbaarheid van data en materialen

Niet van toepassing.

Afkortingen

MEMS:

Micro-electro-mechanisch systeem

pH:

Potentiële waterstof

ICs:

Geïntegreerde schakelingen

LOD:

Detectielimiet

MUMPs:

Multi-user MEMS

MST:

Microsystems technologie

RF:

Radiofrequentie

CMOS:

Complementaire metaal-oxide-halfgeleider

CTE:

De coëfficiënt van thermische uitdijning

AC:

Wisselstroom

DC:

Gelijkstroom

RTA:

Ring thermische actuatie

PVDF:

Polyvinylideendifluoride

GPS:

Globale positioneringssysteem

FTIR:

Fourier-transformatie infraroodspectroscopie

SPR:

Oppervlakte plasma resonantie

DOAS:

Differentiele optische absorptiespectroscopie

LDAS:

Laser diode absorptiespectroscopie

CRDS:

Kaviteitsring-down spectroscopie

NDIR:

Niet-dispersieve infrarood

LIDAR:

Lichtdetectie en afstandsmeting

IDE:

Geïnterdigitaal elektroden

PZR:

Piezoresistief

EFS:

Elektrostatisch veldsensor

AI:

Kunstmatige intelligentie