Similar presentations:
Типы и конструкции микроэлектромеханических систем. Микросистемы по цели функционирования
1.
Санкт -Петербургский ГосударственныйПолитехнический Университет
Лаборатория нано- и
микросистемной техники
«Типы и конструкции
микроэлектромеханических систем»
Введение в микросистемную технику
Ю.Д.Акульшин
Вед.инженер НИЛ «НМСТ»
Санкт-Петербург - 2018
2.
1. Введение. Назначение и структура дисциплины.2.Сенсоры. Классификация сенсоров.
3.Актюаторы - микромеханические приводы движения.
4.Миниатюрные электрорадиомеханические
и оптоэлектромеханические компоненты
5.Микромеханизмы, микропривод, микромашины
6.Аналитические микросистемы
7.Технологические микросистемы
8.Миниатюрные робототехнические системы
3.
Назначение и структура дисциплины.
Краткая история развития и применений микронаноэлектромеханических систем.
Основы микроэлектромеханических систем.
Основная терминология.
4.
Микросистемы по цели функционирования:сенсоры – преобразователи внешнего физического воздействия в удобный для измерения (чаще электрический)
сигнал;
актюаторы (активаторы) – преобразователи управляющего (чаще электрического) воздействия в требуемое
физическое;
миниатюрные управляемые компоненты (микрореле, микрозеркала, затворы, фильтры и т. д.);
микромашины и микромеханизмы – микроустройства, предназначенные для передачи и преобразования
механической энергии (зубчатые передачи, рычаги, микродвигатели, микротурбины, транспортеры и т. д.);
аналитические микросистемы – сложные микросистемы, предназначенные для диагностики и анализа
(многосенсорные системы, микроспектрометры, биочипы и т. д.);
технологические микросистемы – сложные микросистемы, предназначенные для производства, переработки и
преобразования веществ (микролаборатории, микроинструменты, микрореакторы и т. д.);
миниатюрные автономные микросистемы, микророботы (миниатюрные транспортные системы, микророботы для
медицинских и других применений).
Микросистемы по иерархической структуре:
прямого преобразования энергии, сигнала
с обратной связью
интегрированные с системой преобразования, накопления,
обработки сигнала и управления (интеллектуальные);
распределенные, адаптивные (умные поверхности,
нейроподобные структуры).
Микросистемы по физической природе
функционирования и преобразования энергии:
микромеханические, электромеханические;
пневмо-, акустомеханические;
термоэлектромеханические;
оптоэлектромеханические;
микрофлюидные;
химико-биологические и т. д.
5.
6.
7.
St.Petersburg State PolytechnicalUniversity
NMST Laboratory
R&D Lab “Nano&MicroSystemsTechnologies”
Inertial sensors
MicroNozzles
Pressure sensors
Mercury Micro Switch
Thermal AC-DC converter
Diffusion leak for helium leakage
Heat Micro Flowmeter
Micro Analyzer
www.mems.ru
8.
АктюаторыДатчики
Исполнительные
устройства
Сенсоры
Решающее
устройство
ЭВМ
Контролер
МикроСистемная
Техника
9.
МикротехнологииПараллельное (“групповое”)
изготовление большего
количества одинаковых
устройств
Усложнение геометрической
конфигурации не является
ограничением и не ведет к
удорожанию устройства
S=
Микроэлектроника
Однотипное и одновременное создание
сложных комплексных структур
10
N
6
Снижение сроков разработки и
стоимости производства
Низкая стоимость
единичного изделия
10.
Закон МураSense
Compute
Store
Transmit
99.999999999 %
Purity of Starting
IC Si Wafer
11.
МикроэлектроникаМикротехнологии
12.
13.
Микросистемная техникаМобильная связь
Компас
(навигация)
(мониторинг состояния)
Датчик температуры
Датчик давления
Датчик влажности
(метео мониторинг)
14.
Микросистемная техникаМобильная связь
15.
Микросистемная техникаМобильная связь
Инерциальные
МЭМС
INS MEMS
ВЧ МЭМС
RF MEMS
МОЭМС
MOEMS
Био -МЭМС
BioMEMS
Энергетические
МЭМС –
Power MEMS
16.
МОЭМСMOEMS
Инерциальные
МЭМС
INS MEMS
Микро –
флюидика
Microfluidics
Энергетические
МЭМС
Power MEMS
Био-МЭМС
Bio-MEMS
ВЧ МЭМС
RF MEMS
17.
Микросистемная техникаМСТ
MST
Микроэлектромеханические
системы
МЭМС
MEMS
Микромашины
Micromachines
Микротехнологии
Нанотехнологии
18.
Микросистемная техникаМасштабы и
Волос
Атом
Вирус
Человек
Бактерия
МЭМС
Нанотехнологии
шкалы
Мезо
Микросистемы
Макросистемы
19.
МикротехнологииПараллельное (“групповое”)
изготовление большего
количества одинаковых
устройств
Возможность одновременного
формирования механических,
электрических, химических и др-др.
элементов датчиков
Микросистемная техника
Однотипное и одновременное создание
сложных комплексных структур
Усложнение геометрической
конфигурации не является ограничением
и не ведет к удорожанию устройства
Низкая стоимость
единичного изделия
20.
Микросистемная техникаEnergy Harvesting
Сбор
«энергетического
мусора»
Sensor
Fusion
ВЧ МЭМС
RF MEMS
Энергетическое
обеспечение
Энергетические
МЭМС –
Power MEMS
21.
Масштабы и шкалыДАТЧИКИ ДАВЛЕНИЯ
ГИРОСКОПЫ
МИКРОФОНЫ
РЕЗОНАТОРЫ
How Can We Roadmap MEMS?
22.
От истоковДАТЧИКИ ДАВЛЕНИЯ ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКОГО ТИПА
• Pressure Sensor - 1965
0.15 x 0.4 x 0.9 mm
23.
Датчики давленияЛПИ
Кремниевые
чипы
ЦАГИ
1978
Низкопрофильные датчики для
установки на поверхности
аэродинамических моделей
Кремниевый чип
толщина 0,4 мм
Площадь 7*2,8 мм
Мембрана
толщина 5..50мкм
Площадь 1,2*0,8
мкм
Диапазоны давлений 0…10 кПа, 0…1
МПа, Частотный диапазон 0…20 кГц;
www.mems.ru
24.
ДАТЧИКИ ДАВЛЕНИЯдля аэродинамических исследований
ENDEVCO
KULITE
CALTECH
25.
ДАТЧИКИ ДАВЛЕНИЯ ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКОГО ТИПАКатетерный датчик
1150 x 725 мкм
1500 шт/пл
GE Sensing & Inspection Technologies
Пластина и
кремниевые чипы
3F Gauge Pressure Sensor Die
26.
МИКРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ ДАВЛЕНИЯАвтомобиль
27.
Микросистемная техникаАвтомобиль
Алкоголь
(водитель)
Линейное
ускорение
Плотность заряда
(аккумулятор)
Температура
(подушка безопасности)
(комфорт)
Давление
Акустика
(MAP, топливо,
EGR )
(столкновения)
Кислород
Угловое ускорение
(воздух/топливо)
Расход воздуха
(воздух / топливо)
ENME 489F / 808K
Гироскопы
(навигация)
NOX
(выхлоп)
Давление
(шины, АВС)
(подвеска)
28.
Микросистемная техникаАвтомобиль
29.
Микросистемная техникаВоенная техника
Узел инерциального
датчика
Детонатор
Воспламенитель
Микротехнологии
обеспечивают
уменьшение объема
в 17 раз
Датчик давления
МЭМС взрыватель
Датчик удара
110 см3
Взрыватель МК 48
1850 см3
при уменьшении
себестоимости в 4 раза
МЭМС предохранительно- исполнительное устройство для торпед
30.
МЭМСМИКРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ИНЕРЦИАЛЬНЫЕ
ДАТЧИКИ
Акселерометры
Гироскопы
ИНС - GPS
2000
2000
Годовой выпуск
более 500 млн
Объем1
6 см3
Снижение СКО в 10 раз
Годовой выпуск
более 5, 00 млн
31. МЕМС в военной технике
• Системы позиционирования• Системы координации
• Сенсорика
• Связь
• Управление подрывом
32.
энергетическиеMIT Microengine Project
МЭМС –
Power MEMS
Микроурбина
D4мм
Расчетные параметры
2.2 млн об/мин 60 Вт
33.
Micro-Turbo-GeneratorMIT Microengine Project
Групповое изготовление элементов
Демоверсия: 1,2 млн об/мин 17 Вт
Топливный клапан
2*2мм, D1мм h3мкм
5000 шт с 1 пластины
Лопатки h250мкм
Компрессор D8мм
U2 - 500 м\с
Турбина D4мм
Воздушные подшипники
D700мкм
Гидродинамические:
спиральные канавки h1,5мкм
Гидростатические:
отверстия n12 d12мкм
Электроиндукционный мотор – генератор
статор D4 мм , 131-полюс, 6-фаз
Расчетные параметры
Датчик оборотов и температуры
PolySi 50*50 мкм h,менее 1мкм
2.2 млн об/мин 60 Вт
34.
MIT Microengine ProjectТопливный клапан
2*2мм, D1мм h3мкм
5000 шт с 1 пластины
35.
МикроЖРДMIT Microengine Project
Масса 1,2 г, габариты 18*13,5*3 мм
Расчетные параметры
Тяга 15Н, давление в камере 125 атм
тяга/вес 1000:1
тяговая мощность 20 кВт , удельный импульс
300 с
Турбонасос
Производительность 2,5 г/с
Огневые испытания:
тяга 1Н давление в камере до 12 атм,
тяга/вес 85:1
тяговая мощность 750 Вт
Кислород –метан
36.
МОЭМСMOEMS
1024х1024 микрозеркал
Цифровое микрозеркальное
устройство фирмы TI
37.
МОЭМСMOEMS
Цифровое микрозеркальное
устройство фирмы TI
Микро Оптическая скамья
Wu 1996
38.
Fully integrated mems|cam module250M phones shipped with DOC technology
МОЭМС
MOEMS
39.
Voice coil autofocusVersus
Mems cam autofocus
250M phones shipped
with DOC technology
40.
41.
МЭМСМИКРОМЕХАНИКА
Элементы зубчатых
зацеплений
Микроредукторы
42.
ВЧ МЭМССВЧ переключатели
RF MEMS
СВЧ МЭМС в ФАР
столбец массива
СВЧ конденсаторы
усилитель
СВЧ индуктивности
СВЧ сетевые фильтры
СВЧ волноводы
СВЧ перестраиваемые схемы
Возможности создания
ФАР новой архитектуры и
компоновки.
43.
Био-МЭМСBio-MEMS
Микро – флюидика
Microfluidics
Биофильтр с
иммуносенсором
Микроклапан
Магнитный гомогенизатор
с дендромером
Система управления
Встроенный
Био - чип
Датчик расхода жидкости
Интегральная микрофлюидная система для
биохимического анализа
44.
Микросистемная техникаEnergy Harvesting
Сбор
«энергетического
мусора»
Sensor
Fusion
ВЧ МЭМС
RF MEMS
Энергетическое
обеспечение
Энергетические
МЭМС –
Power MEMS
45.
46.
РАЗВИТИЕ МИКРОСИСТЕМНОЙ ТЕХНИКИИнтернет вещей
What the Internet of Things (IoT) Needs to Become a
Reality
47.
РАЗВИТИЕ МИКРОСИСТЕМНОЙ ТЕХНИКИУровень и прогноз
109
М=104… 106
Число транзисторов, Т
Т=107… 108
Рост числа
элементов –
новое
качество
109
Число механических компонентов, М
Распределенные
системы
48. Направления работ
Петербургский ГосударственныйПолитехнический Университет
нано- и
Лаборатория
микросистемной техники
Направления работ
• Гироскопы и акселерометры
• Микромеханические устройства
• Бетавольтаика
• Метрологические приборы
• Микроустроства управления
• Микроактуаторы
• Микрофлюидика
• СВЧ коммутаторы
49.
Санкт -Петербургский ГосударственныйПолитехнический Университет
Лаборатория нано- и
микросистемной техники
СПЕЦИФИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ МСТ
Глубокое реактивное травление
Сварка кремния со стеклом
Технология гофрированных мембран
Технология пористого кремния
Технология фоточувствительного стекла
www.mems.ru
50.
Санкт -Петербургский ГосударственныйПолитехнический Университет
Лаборатория нано- и
микросистемной техники
ФИЗИЧЕСКОЕ И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
COMSOL Multiphysics
ANSYS
COVENTOR
SolidWorks
51.
More Moore: МиниатюризацияMore than Moore: Расширение сфер применения
ITRS 2011 Edition
52.
Дорожная карта эволюции МЭМССтратегический план развития
полупроводниковых технологий
(ITRS)
53.
РазработкаПолный цикл
Производитель
Всего в мире около 30 фирм c
полным циклом
Внешнее
моделирование
Внешнее
производство
на сегодня в РФ создается1..3
линии с ~ полным циклом
Внешнее
тестирование
Внешнее
корпусирование
В мире более 300 фирм c
неполным циклом
54.
В России существует научно исследовательскаябаза для разработки МЭМС-устройств.
Массовое производство МЭМС устройств в России
находится на ранней стадии становления.
Все
существующие
производители
МЭМСустройств
выпускают
узкоспециализированную
продукцию для конкретных потребителей.
На сегодняшний день в России отсутствуют
производственные мощности, способные покрыть
потребности
промышленности
в
МЭМСустройствах.
55. МЕМС в системах управления
• Системы позиционирования• Системы координации
• Сенсорика
• Связь
56. Ячейка атомных часов
приложениеЯчейка атомных часов
Ячейка атомных часов
заполнена инертным газом
и парами активного
металла.
Отработана технология
заполнения Неоном и
парами Цезия или Рубидия.
57.
Санкт -Петербургский ГосударственныйПолитехнический Университет
нано- и
Лаборатория
микросистемной техники
МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ТЕПЛОВЫЕ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
Modif - Flat -16
TO-8
3101.8
Non standard
Modif
155.36-2
58.
Турбореактивныедвигатели
Active Stall & Surge Control
Dynamic Pressure Measurements
Stall & Surge Pressures
Диапазоны измеряемых
давлений
Диапазон частот
1….. 100 атм
0….. 100 кГц
XTHL-312
Диапазон температур
-50 ….. 540oC
WCT-312
Диапазон температур
-50 …….. 640oC
G-sensitivity: < .000001% FS/g
59.
FLOW ANGLE PROBEMINIATURE IS® PRESSURE
TRANSDUCER
FAP-250 SERIES
60.
Санкт -Петербургский ГосударственныйПолитехнический Университет
нано- и
Лаборатория
микросистемной техники
ДАТЧИКИ ДАВЛЕНИЯ ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКОГО ТИПА
Кремниевые
чипы
ЛПИ 1978
Низкопрофильные датчики для
установки на поверхности
аэродинамических моделей
Кремниевые чипы
Многоцелевой датчик болтового типа
толщиной 0,4 мм
Мембрана
толщина 5..50мкм
площадь1,2*0,8 мкм
Ударная труба для динамической градуировки датчиков
Диапазоны давлений 0…10 кПа, 0…1 МПа,
Частотный диапазон 0…20 кГц;
www.mems.ru
61.
Санкт -Петербургский ГосударственныйПолитехнический Университет
нано- и
Лаборатория
микросистемной техники
ДАТЧИКИ ДАВЛЕНИЯ ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКОГО ТИПА
для исследования турбомашин
Датчики для установки
на рабочие колеса турбомашин
РАБОЧЕЕ КОЛЕСО
ЦЕНТРОБЕЖНОГО
КОМПРЕССОРА
Работоспособность при уровне
центробежных ускорений до 30000 g
www.mems.ru
62.
Санкт -Петербургский ГосударственныйПолитехнический Университет
Лаборатория нано- и
микросистемной техники
ДАТЧИКИ ДАВЛЕНИЯ ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКОГО ТИПА
для мониторинга турбомашин
Испытания система
антипомпажной защиты
www.mems.ru
63.
Петербургский ГосударственныйПолитехнический Университет
нано- и
Лаборатория
микросистемной техники
Испытания система
антипомпажной защиты