سنسورهای میکروالکترومکانیکی (MEMS) دستگاه‌های کوچکی هستند که با ادغام اجزای مکانیکی و الکترونیکی در مقیاس میکرومتری، امکان اندازه‌گیری پارامترهای فیزیکی مانند فشار، دما، شتاب و میدان مغناطیسی را فراهم می‌کنند. این سنسورها به دلیل اندازه کوچک، مصرف انرژی پایین و دقت بالا، در صنایع مختلف از جمله پزشکی، خودروسازی، الکترونیک مصرفی و رباتیک کاربرد گسترده‌ای دارند. فناوری MEMS با استفاده از تکنیک‌های میکروساخت مشابه تولید مدارهای مجتمع، امکان تولید انبوه این سنسورها را با هزینه نسبتاً پایین فراهم کرده است.
سنسور MEMS چیست؟
سنسورهای MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) دستگاه‌هایی هستند که از اجزای مکانیکی و الکترونیکی در مقیاس میکرومتری تشکیل شده‌اند و برای حسگری یا تحریک طراحی شده‌اند. این سنسورها معمولاً تغییرات فیزیکی مانند فشار، شتاب یا دما را به سیگنال‌های الکتریکی تبدیل می‌کنند. فناوری MEMS از تکنیک‌های میکروساخت نیمه‌هادی مانند لیتوگرافی و اچینگ استفاده می‌کند تا ساختارهای مکانیکی و الکتریکی را روی یک بستر سیلیکونی ایجاد کند. این سنسورها به دلیل اندازه کوچک، قابلیت اطمینان بالا و هزینه تولید پایین، در دستگاه‌های روزمره مانند گوشی‌های هوشمند، خودروها و تجهیزات پزشکی نقش کلیدی دارند.
کاربرد سنسورهای MEMS در سیستم‌های رباتیک
سنسورهای MEMS در سیستم‌های رباتیک برای حسگری، ناوبری و کنترل دقیق استفاده می‌شوند. شتاب‌سنج‌ها و ژیروسکوپ‌های MEMS امکان تشخیص حرکت و جهت‌گیری ربات‌ها را فراهم می‌کنند، که در ربات‌های خودکار و پهپادها حیاتی است. به عنوان مثال، در ربات صنعتی ABB، سنسورهای فشار MEMS برای نظارت بر عملکرد سیستم‌های هیدرولیک و پنوماتیک استفاده می‌شوند. سنسورهای گازی MEMS نیز در ربات‌های محیطی برای تشخیص گازهای خطرناک کاربرد دارند. علاوه بر این، میکروفون‌های MEMS در ربات‌های تعاملی برای پردازش صوتی و تشخیص صدا استفاده می‌شوند، که تعامل انسان-ربات را بهبود می‌بخشد. این سنسورها با ارائه داده‌های دقیق و بلادرنگ، نقش مهمی در هوشمندسازی ربات‌ها ایفا می‌کنند.
کاربردهای دیگر سنسورهای MEMS
خارج از رباتیک، سنسورهای MEMS در صنایع متعددی استفاده می‌شوند. در خودروسازی، شتاب‌سنج‌های MEMS در سیستم‌های کیسه هوا و کنترل پایداری خودرو به کار می‌روند. در پزشکی، سنسورهای فشار MEMS در دستگاه‌های مانیتورینگ فشار خون و کاتترها استفاده می‌شوند. در الکترونیک مصرفی، سنسورهای دما و میکروفون‌های MEMS در گوشی‌های هوشمند و دستگاه‌های پوشیدنی یافت می‌شوند. سنسورهای جریان و گاز MEMS نیز در نظارت محیطی و کنترل کیفیت هوا کاربرد دارند. این تنوع کاربرد به دلیل اندازه کوچک و دقت بالای این سنسورها امکان‌پذیر شده است.
انواع سنسور MEMS
سنسورهای MEMS بسته به نوع پارامتر قابل اندازه‌گیری، به گروه‌های مختلفی تقسیم می‌شوند که از جمله می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- شتاب‌سنج‌های MEMS: اندازه‌گیری میزان شتاب یا تغییرات حرکت
- ژیروسکوپ‌های MEMS: تشخیص چرخش و تغییر جهت
- سنسورهای فشار MEMS: اندازه‌گیری فشار هوا، مایعات یا گازها
- سنسورهای دما MEMS: ثبت تغییرات دمایی دقیق
- سنسورهای میدان مغناطیسی MEMS: اندازه‌گیری میدان‌های مغناطیسی محیطی
ساختار داخلی سنسورهای MEMS
ساختار داخلی سنسورهای MEMS شامل اجزای مکانیکی، الکترونیکی و گاهی اوقات نوری است که روی یک بستر سیلیکونی ادغام شده‌اند. به عنوان مثال، یک شتاب‌سنج MEMS معمولاً شامل یک جرم معلق است که بین دو صفحه خازنی قرار دارد. هنگامی که جرم در اثر شتاب جابه‌جا می‌شود، تغییر در ظرفیت خازنی ایجاد می‌شود که به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌شود. سنسورهای فشار MEMS از دیافراگم‌های سیلیکونی استفاده می‌کنند که تحت فشار خم می‌شوند و تغییر مقاومت (پیزورزیستیو) یا ظرفیت را اندازه‌گیری می‌کنند. این ساختارها با استفاده از لایه‌های نازک پلی‌سیلیکون، اکسید سیلیکون و فلزاتی مانند آلومینیوم یا طلا ساخته می‌شوند. ادغام مدارهای پردازش سیگنال روی همان تراشه، نویز را کاهش داده و عملکرد را بهبود می‌بخشد.
فرایندهای ساخت
فرایندهای ساخت MEMS از تکنیک‌های میکروساخت نیمه‌هادی الهام گرفته شده‌اند و شامل دو روش اصلی هستند: میکروساخت سطحی و میکروساخت حجمی. میکروساخت سطحی شامل رسوب و الگوسازی لایه‌های نازک روی بستر (مانند پلی‌سیلیکون) و حذف لایه‌های قربانی برای آزادسازی ساختارهای مکانیکی است. میکروساخت حجمی با اچینگ بستر سیلیکونی، ساختارهای سه‌بعدی مانند دیافراگم‌ها را ایجاد می‌کند. تکنیک‌های کلیدی شامل لیتوگرافی فوتوشیمیایی، اچینگ واکنشی یونی عمیق (DRIE)، و پیوند ویفر (مانند پیوند آنودیک یا فیوژن) است. مواد مورد استفاده شامل سیلیکون، نیترید سیلیکون، فلزات (طلا، نیکل) و مواد پیزوالکتریک مانند نیترید آلومینیوم است. این فرایندها در اتاق‌های تمیز با شرایط کنترل‌شده انجام می‌شوند تا از آلودگی جلوگیری شود.
چالش‌های ساخت MEMS
ساخت MEMS با چالش‌هایی مانند کنترل دقیق ویژگی‌های نانومقیاس، ادغام مواد مختلف و اطمینان از قابلیت اطمینان طولانی‌مدت همراه است. نرخ بازده تولید برای دستگاه‌های پیچیده ممکن است بین 50 تا 70 درصد باشد، در حالی که دستگاه‌های ساده‌تر می‌توانند بیش از 90 درصد بازده داشته باشند. مشکلات استیکشن (چسبندگی در فرایندهای مرطوب) و نیاز به شرایط اتاق تمیز کلاس 100 (ISO 5) از دیگر موانع هستند. تحقیقات اخیر بر بهبود مواد، مانند استفاده از آلیاژهای حافظه‌دار و دی‌الکتریک‌های با k بالا، و تکنیک‌های ساخت افزودنی مانند چاپ سه‌بعدی در مقیاس میکرو متمرکز است.
مزایای سنسورهای MEMS
سنسورهای MEMS مزایای متعددی دارند، از جمله اندازه کوچک، مصرف انرژی پایین و قابلیت تولید انبوه با هزینه کم. این سنسورها به دلیل ادغام با میکروالکترونیک، نویز کمتری دارند و عملکرد بهتری نسبت به همتایان ماکرو خود ارائه می‌دهند. قابلیت اطمینان بالا و توانایی کار در شرایط سخت محیطی، آن‌ها را برای کاربردهای صنعتی و پزشکی ایده‌آل می‌کند. علاوه بر این، سنسورهای MEMS امکان ادغام چندین عملکرد (مانند حسگری و پردازش سیگنال) را روی یک تراشه فراهم می‌کنند، که به ایجاد سیستم‌های هوشمند و فشرده کمک می‌کند.
محدودیت‌ها
با وجود مزایا، سنسورهای MEMS محدودیت‌هایی دارند. هزینه اولیه طراحی و راه‌اندازی خط تولید بالا است، که تولید برای کاربردهای کم‌حجم را غیراقتصادی می‌کند. فقدان بازخورد لمسی در برخی سنسورها می‌تواند دقت را در کاربردهای حساس کاهش دهد. علاوه بر این، حساسیت به شرایط محیطی مانند دما و رطوبت می‌تواند عملکرد را تحت تأثیر قرار دهد. چالش‌های بسته‌بندی، به‌ویژه برای سنسورهای فشار مطلق که نیاز به حفره‌های خلأ دارند، نیز می‌تواند پیچیدگی و هزینه را افزایش دهد.
قیمت‌گذاری در آمریکا و جهان
قیمت سنسورهای MEMS به نوع، پیچیدگی و حجم تولید بستگی دارد. در آمریکا، سنسورهای ساده مانند شتاب‌سنج‌ها و میکروفون‌های MEMS ممکن است بین 0.5 تا 5 دلار قیمت داشته باشند، در حالی که سنسورهای پیشرفته‌تر مانند ژیروسکوپ‌های سه‌محوره یا سنسورهای فشار پزشکی می‌توانند بین 10 تا 50 دلار یا بیشتر هزینه داشته باشند. در بازار جهانی، قیمت‌ها به دلیل رقابت و تولید انبوه در آسیا (به‌ویژه چین و ژاپن) معمولاً پایین‌تر است. طبق گزارش‌ها، بازار جهانی MEMS در سال 2021 حدود 76.52 میلیارد دلار ارزش داشت و پیش‌بینی می‌شود تا سال 2031 به 181 میلیارد دلار برسد. کاهش قیمت‌های متوسط فروش (ASP) به دلیل اقتصاد مقیاس، تقاضا را افزایش داده است. با این حال، هزینه‌های توسعه و بسته‌بندی همچنان چالش‌هایی برای تولیدکنندگان هستند.
تأثیر سنسورهای MEMS بر صنایع
سنسورهای MEMS تأثیر عمیقی بر صنایع مختلف داشته‌اند. در خودروسازی، آن‌ها ایمنی و کارایی را از طریق سیستم‌هایی مانند کیسه هوا و نظارت بر فشار تایر بهبود بخشیده‌اند. در پزشکی، مینیاتوری‌سازی سنسورهای MEMS امکان استفاده در دستگاه‌های کاشتنی و مانیتورینگ غیرتهاجمی را فراهم کرده است. در الکترونیک مصرفی، این سنسورها قابلیت‌هایی مانند تشخیص حرکت و پردازش صوتی را به گوشی‌های هوشمند و دستگاه‌های پوشیدنی اضافه کرده‌اند. در رباتیک، سنسورهای MEMS به توسعه ربات‌های خودکار و هوشمند کمک کرده‌اند که می‌توانند در محیط‌های پیچیده عمل کنند.
نقش هوش مصنوعی در سنسورهای MEMS
ادغام هوش مصنوعی (AI) با سنسورهای MEMS امکانات جدیدی را ایجاد کرده است. AI می‌تواند داده‌های حسگری را تحلیل کرده و پیش‌بینی‌های دقیقی ارائه دهد، مانند تشخیص خرابی در سیستم‌های صنعتی یا بهبود ناوبری ربات‌ها. برای پرسیدن سوالات صنعتی در خصوص این سنسور به این بخش از ابرار صنعتی مراجعه نمایید. سنسورهای MEMS با قابلیت پردازش روی تراشه، امکان اجرای الگوریتم‌های یادگیری ماشین را در لبه (edge) فراهم می‌کنند، که تأخیر را کاهش داده و کارایی را افزایش می‌دهد. این ادغام به‌ویژه در اینترنت اشیا (IoT) و کارخانه‌های هوشمند کاربرد دارد.
منبع: ابرار صنعتی
