Мэмс гироскопы. МЭМС-технологии в современных датчиках движения: принципы работы, применение и перспективы развития

Обычно MEMS делят на два типа: сенсоры – измерительные устройства, которые переводят те или иные физические воздействия в электрический сигнал, и актуаторы (исполнительные устройства) – системы, которые занимаются обратной задачей, то есть переводом сигналов в те или иные действия. В этой части статьи поговорим о первой категории MEMS.

Пожалуй, самыми «трендовыми» из MEMS-сенсоров являются датчики движения. Они в последнее время постоянно на слуху: телефоны, коммуникаторы, игровые приставки, фотокамеры и ноутбуки все чаще и чаще снабжаются акселерометрами (датчиками ускорения) и гироскопами (датчиками поворота).

В мобильных телефонах и видеоприставках чувствительность к движениям пользователя используется в основном, что называется, «для прикола». А вот в портативных компьютерах акселерометры выполняют очень даже полезную функцию: улавливают момент, когда жесткий диск может подвергнуться повреждению из-за удара и паркуют его, диска, головки. В фототехнике использование датчиков движения не менее актуально – именно на их основе работают честные системы стабилизации изображения.

Классический гироскоп образца XIX века. Засунуть такой в iPhone или джойстик Wii довольно-таки затруднительно

Впрочем, рассуждать о том, что в реальности полезнее – активные игры на Wii, функция автоматического поворота картинки на iPhone, защита винчестера или возможность снимать фотографии без смазывания – дело неблагодарное. Покупателям нравится и то, и другое, и третье, и четвертое. Поэтому производители в последнее время стараются как можно более плотно использовать датчики движения.

Так что соответствующие чипы давно разработаны, выпускаются целым рядом крупных и сравнительно мелких компаний и производятся в таких количествах, что цены давно и надежно сбиты до минимума. Типичный MEMS-акселерометр сегодня обходится в несколько долларов за штуку.

И места занимает – всего ничего. Для примера, размер корпуса пьезогироскопа Epson XV-8000 составляет 6×4,8×3,3 мм, а трехосного акселерометра LIS302DL производства ST Microelectronics – всего лишь 3x5x0,9 мм. Причем речь именно о размерах готового устройства с корпусом и контактами – сам кристалл еще меньше.

Датчик движения Epson XV-8000. И это далеко не самый компактный MEMS-сенсор

На сегодняшний день наиболее популярны датчики движения, основанные на конденсаторном принципе. Подвижная часть системы – классический грузик на подвесах. При наличии ускорения грузик смещается относительно неподвижной части акселерометра. Обкладка конденсатора, прикрепленная к грузику, смещается относительно обкладки на неподвижной части. Емкость меняется, при неизменном заряде меняется напряжение – это изменение можно измерить и рассчитать смещение грузика. Откуда, зная его массу и параметры подвеса, легко найти и искомое ускорение.

Основной принцип работы конденсаторных акселерометров

Это теория. На практике, MEMS-акселерометры устроены таким образом, что отделить друг от друга составные части – грузик, подвес, корпус и обкладки конденсатора – не так-то просто. Собственно, изящество MEMS в том и заключается, что в большинстве случаев в одной детали здесь удается (а вернее, попросту приходится) комбинировать сразу несколько предметов.

Относительно простой, но чрезвычайно миниатюрный и чувствительный MEMS-акселерометр разработки Sandia Labs

Зачастую, современные MEMS-гироскопы устроены идентично акселерометрам. Просто в них значения ускорений по осям пересчитываются в значения углов поворота – конструкция примерно та же, но на выходе другая величина.

Гироскоп L3G4200D производства ST Microelectronics используется в iPhone 4

Тот же STM L3G4200D, фотография с большим увеличением

Однако встречаются и гироскопы, устройство которых «заточено» именно под вращение. Такие MEMS – одни из красивейших.

Еще один гироскоп ST Microelectronics – LYPR540AH

Крупный план STM LYPR540AH. Толщина деталей этой ажурной конструкции – около 3 микрон!

Еще один MEMS-гироскоп

Помимо конденсаторных датчиков, существуют MEMS-акселерометры, использующие иные принципы. Например, датчики, основанные на пьезоэффекте. Вместо смещения обкладок конденсатора, в акселерометрах такого типа происходит давление грузика на пьезокристалл. Основной принцип тот же, что и в пьезозажигалках – под воздействием деформации пьезоэлемент вырабатывает ток. Из значения напряжения, зная параметры системы, можно найти силу, с которой грузик давит на кристалл – и, соответственно, рассчитать искомое ускорение.

Основной принцип работы акселерометров на пьезоэлементах

Есть и более экзотический тип MEMS-акселерометров – термальные датчики ускорения. В них в качестве основного объекта используется горячий пузырек воздуха. При движении пузырек отклоняется от центра системы, это отслеживается датчиками температуры. Чем дальше сместился пузырек – тем больше величина ускорения.

Двухосный термальный акслерометр

Менее популярный в статьях и обсуждениях, но гораздо более массовый тип MEMS-устройств – микроскопические микрофоны. Опять-таки, наиболее распространенными системами этого типа являются те, которые основаны на конденсаторном принципе.

Устроены они – проще некуда. Принципиально важных элементов в таком микрофоне всего два: это гибкая обкладка – мембрана, и более толстая, неподвижная обкладка. Под воздействием давления воздуха мембрана смещается, изменяется емкость между обкладками – при постоянном заряде изменяется напряжение. Эти данные пересчитываются в амплитуды и частоты звуковой волны.

Чтобы минимизировать влияние давления воздуха на неподвижную обкладку, эта обкладка перфорируется. Кроме того, под ней делается сравнительно большая ниша с обязательным вентиляционным отверстием. Идея в том, что единственным подвижным элементом в системе в идеале должна быть мембрана – и только она.

микроэлектромеханический микрофон под микроскопом. Диаметр мембраны чуть больше половины миллиметра

Как и в случае с акселерометрами, здесь может быть использован пьезоэффект — в этом случае под мембраной ставится пьезокристалл. Дальше – как и в случае пьезоакселерометров: давление воздуха передается мембраной на пьезоэлемент, под этим воздействием кристалл вырабатывает ток. Напряжение измеряется и переводится в амплитуду и частоту звука.

Самый миниатюрный MEMS-микрофон компании Akustica (площадь кристалла – 1 кв.мм) теряется рядом со своими более крупными родственниками

То, что годится для звука, подходит и для измерения давления в иных областях. Похожие на микрофоны MEMS-системы могут использоваться в качестве датчиков давления. Несложно догадаться, что применение такие сенсоры находят в уйме областей.

Но можно выделить одну область, которая является наиболее интересной и наиболее специфичной для датчиков давления, основанных на MEMS-технологии. Это медицина. Здесь размер действительно имеет значение. Если в какой-нибудь трубопровод вполне можно встроить «обычный», макроскопический датчик, то с кровеносным сосудом такой фокус, очевидно, не получится. Тут нужны очень и очень компактные решения.

Ультракомпактный и высокоточный датчики давления на фоне одноцентовой монеты (по размеру она примерно эквивалентна нынешним русским 50 копейкам)

Разумеется, в медицине востребованы не только датчики давления. Существует множество микроскопических биодатчиков, измеряющих массу разнообразных величин – от температуры до уровня глюкозы. Есть и более неожиданные устройства, вроде микроскопических систем подачи лекарств. И, разумеется, есть куча интереснейших прототипов, многие из которых в принципе не имеют аналогов среди макроустройств.

Прототип щипцов для микрохирургии глаза. Размеры головки щипцов – порядка 1,5х1,5 миллиметра. Толщина губ – несколько десятков микрон. Человеческий волос этими щипцами подцепить не получится – он для них слишком толстый

Что ж, разговор о MEMS-сенсорах мы на этом завершим. Впереди у нас еще более интересная и захватывающая тема: MEMS-актуаторы. Печатающие головки струйных принтеров, микрозеркальные матрицы, элементы оптико-волоконных сетей и многое другое. Обещаем: скучно не будет!

Другие статьи серии:

• MEMS: микроэлектромеханические системы, часть 2
• MEMS: микроэлектромеханические системы, часть 3

МЭМС-датчики движения от STMicroelectronics: акселерометры и гироскопы

Большая популярность МЭМС-акселерометров и гироскопов обусловлена их широким потенциалом для использования как в бытовой, так и в промышленной технике. МЭМС-датчики широко применяются и в автомобильной промышленности для управления подушками безопасности, и в охранной сигнализации, в навигационных системах для исчисления пройденного пути или определения маршрута следования. С 2008 г. компания STMicroelectronics занимает лидирующие позиции в производстве МЭМС-датчиков движения для портативной и бытовой электроники, охранных, автомобильных и навигационных систем.

В настоящее время STMicroelectronics — мировой лидер в производстве МЭМС-акселерометров (см. табл. 1). Компания выпускает датчики на базе 200-мм кремниевых пластин, что обеспечивает более низкую себестоимость, по сравнению с конкурентами.

Таблица 1. Динамика доходов основных производителей МЭМС продукции для сектора бытовой электроники и мобильных устройств

Основные достоинства технологии МЭМС-датчиков компании ST

Малый разброс параметров в пределах изделия. Изготовление компонентов в едином технологическом цикле позволяет получать практически неотличимые параметры у одинаковых компонентов.
Высокая технологичность и повторяемость. При изготовлении МЭМС-устройств в основном применяются хорошо отработанные и управляемые технологические процессы, что позволяет получать изделия с желаемыми характеристиками.
Микроминиатюрность. Применение технологии микросхем позволяет получить микромеханические и оптические узлы значительно меньших размеров, чем это возможно по традиционным технологиям.
Высокая функциональность. Миниатюрность изделия и возможность изготовления датчиков, обрабатывающих схем и исполнительных механизмов в одном устройстве позволяет создавать законченные системы достаточно большой сложности в миниатюрном корпусе.
Улучшенные характеристики функционирования. Электронная часть, а также электрические каналы связи с датчиками и механизмами, выполненные по интегральной технологии и имеющие малые размеры, позволяют улучшить такие характеристики как рабочие частоты, ЭМС, соотношение сигнал/шум и т. д. Высокая точность и повторяемость чувствительных элементов и их интегральное исполнение совместно с обрабатывающей схемой позволяют значительно повысить точность измерений. Кроме того, повторяемость и точность исполнения механических компонентов улучшает их характеристики.
Высокая надежность и стойкость к внешним воздействиям. Факторов, приводящих к повышению надежности и стойкости к внешним воздействиям изделий при применении МЭМС, достаточно много, и они зависят от конкретного типа изделия и его применения. Механические узлы МЭМС в условиях вибраций и ударов, как правило, работают лучше благодаря малым размерам и массе, а также тому факту, что механические узлы расположены в корпусе МЭМС, амортизированном выводами и конструкцией ПП.
Низкая стоимость. Применение МЭМС уменьшает стоимость как механической, так и электронной частей устройства, поскольку обрабатывающая электроника интегрирована в МЭМС-компонент, что позволяет избежать дополнительных соединений и, в некоторых случаях, согласующих схем.

Основные секторы применения акселерометров и гироскопов

– Игровые консоли.
– Стабилизация изображения в фото- и видеокамерах.
– Курсорные указатели для интеллектуальных интерфейсов пользователя.
– Расширение GPS-решений (системы счисления пройденного пути).
– Системы управления движением в робототехнике.
– Стабилизация платформ промышленного оборудования.

Технология и конструкция МЭМС-датчиков движения ST

Датчики, выполненные по технологии МЭМС, изготавливаются с помощью тех же технологических приемов, что и интегральные микросхемы. Акселерометр и гироскоп ST состоит из двух ключевых элементов:
– МЭМС-кремниевого микромеханического емкостного сенсора, чувствительного к ускорению или повороту;
– схемы обработки сигнала, преобразующей выходные сигналы этого сенсора в аналоговые или цифровые сигналы.
Для снижения стоимости, повышения надежности, помехозащищенности и плотности монтажа компания ST совмещает оба этих устройства в едином корпусе (см. рис. 1).

Принцип работы МЭМС-сенсора движения

Принцип работы сенсоров движения (акселерометров и гироскопов) основан на измерении смещения инерционной массы относительно корпуса и преобразовании его в пропорциональный электрический сигнал. Емкостной метод преобразования измеренного перемещения является наиболее точным и надежным, поэтому емкостные акселерометры получили широкое распространение. Структура емкостного акселерометра состоит из различных пластин, одни из которых являются стационарными, а другие свободно перемещаются внутри корпуса. Емкости включены в контур резонансного генератора. Под действием приложенных управляющих электрических сигналов подвешенная масса совершает колебания. Между пластинами образуется конденсатор, величина емкости которого зависит от расстояния между ними. Под влиянием силы ускорения емкость конденсатора меняется. На рисунке 2 показана топология МЭМС-сенсора ST.

В конструкции МЭМС-сенсоров для акселерометров и гироскопов используется камертонная система электродов. Две подвешенные массы совершают колебания по противоположным осям.
С появлением угловой скорости сила Кориолиса прикладывается в противоположных направлениях. Измеряемая дифференциальная емкостная составляющая пропорциональна углу перемещения. При линейном ускорении векторы приложения сил для обеих масс действуют в одном направлении. При этом дифференциальная разность равна нулю. В МЭМС-сенсорах физическое перемещение массы подвижных электродов преобразуется в электрический сигнал за счет емкостного преобразования.

Семейство МЭМС-акселерометров ST

Акселерометры ST, в зависимости от модели, способны измерять ускорение или вибрацию в одном или одновременно двух и трех направлениях. Значение смещения измеряется и в зависимости от типа выходного интерфейса преобразуется в аналоговый или цифровой выходной сигнал. На рисунках 3 и 4 приведены функциональные схемы и ключевые характеристики двух групп датчиков с аналоговым и цифровым выходом.

В сводной таблице 2 приведены основные характеристики датчиков акселерометров

Таблица 2. Семейство МЭМС-акселерометров STMicroelectronics

Первая цифра в наименовании указывает число осей датчика (2 или 3). Далее следуют две цифры номера разработки. Первая буква в суффиксе означает тип выходного интерфейса (D — digital или A — analog).
STAIS226DS, AIS326DQ — двух- и трехосевые акселерометры, предназначенные для автомобильной промышленности и имеющие рабочий диапазон температур –40…105°C. Полоса пропускания: 640 Гц. Имеется функция самотестирования.
LIS202DL — ультракомпактный двухосевой акселерометр с низким потреблением энергии. У него имеются встроенные интеллектуальные функции, в т.ч. распознавание одинарного и двойного щелчка. Акселерометр можно запрограммировать на обнаружение простых пользовательских действий, например, связать функцию двойного щелчка с аппаратным прерыванием, благодаря чему звонок мобильного телефона приглушается в кармане одним движением. Пользователь может выбрать один из двух стандартных цифровых интерфейсов: SPI или I²C. Встроенные функции самотестирования позволяют проверять функционирование датчика после подачи напряжения на плату.
LIS244AL, LIS344AL — очень компактные двух- и трехосевые акселерометры для измерения небольших величин ускорения. Они объединяют в одном корпусе двухосевой МЭМС-датчик и интерфейсную микросхему, которая вырабатывает в реальном времени два независимых выходных аналоговых напряжения: одно для поперечного, другое — для продольного направлений. Акселерометры обладают очень низким уровнем шумов при минимальном потреблении энергии, что особенно важно для систем с батарейным питанием. Встроенные элементы самотестирования позволяют контролировать механическую и электрическую части устройства. Сенсоры предназначены для широкого спектра аппаратуры, критичной к размерам корпуса и потреблению энергии: пользовательские интерфейсы; охранные системы; дистанционное управление объектами; управление потреблением энергии с учетом движения, спортивные и медицинские приборы. Акселерометры LIS244ALH, LIS344ALH аналогичны сериям LIS244AL и LIS344AL, но имеют два диапазона измерений: ±2 или ±6g.
LIS302DL — многофункциональный датчик ускорения для систем защиты жестких дисков, создания бесконтактных интерфейсов в современных мобильных телефонах и ноутбуках. Акселерометры выпускаются в пластмассовом корпусе с габаритами 3×5×0,9 мм, что значительно экономит место и минимизирует вес мобильных аппаратов. Отличительные черты этих приборов — низкое потребление энергии (1 мВт) и высокая устойчивость к вибрации и ударам с ускорением до 10000g. Для считывания данных выбирается один из двух доступных стандартных интерфейсов — SPI или I²C. Кроме того, имеются два независимых порта для вывода программируемых сигналов прерывания. Два отдельных сигнала прерывания могут формироваться при превышении величины свободного падения или порога, устанавливаемого пользователем. Оба сигнала используются для контроля превышения установленных пользователем порогов для любых значений в диапазоне измеряемых ускорений.
На сегодняшний день трехосный цифровой МЭМС-акселерометр LIS302DLH, обеспечивающий высокую точность и стабильность с 16-разрядным преобразованием, является самым тонким в мире среди подобных устройств — толщина его корпуса составляет всего 0,75 мм, а площадь основания — 3×5 мм.
Низкое напряжение питания и малое потребление делают его идеальным для использования в приборах с батарейным питанием. Микросхема в состоянии покоя и отсутствия изменений сигнала находится в режиме пониженного энергопотребления с автоматической активацией при обнаружении движения. Диапазон измерения входных сигналов: ±8 г. Измеряемый сигнал передается через последовательные интерфейсы I²C/SPI в формате, обеспечивающем непосредственное подключение к системному процессору без использования дополнительных компонентов. Датчик LIS302DLH полностью совместим c другими ранее разработанными трехосевыми акселераторами семейства Piccolo, включая LIS302DL и LIS35DE, обеспечивая тем самым высокий уровень масштабирования продукции (сохранение совместимости при расширении функциональных возможностей). Приложения на базе цифрового акселерометра LIS302DLH включают в себя функции обнаружения движения; тревожной сигнализации о смене ориентации в пространстве; обнаружения состояния свободного падения; мониторинга уровня вибрации.
LIS3LV02DL — трехосевой цифровой линейный акселерометр c программируемым 12- или 16-разрядным представлением данных. Датчик поддерживает два цифровых интерфейса (SPI/I²C), имеет низкую мощность потребления и высокую разрешающую способность. При подаче напряжения питания сенсор производит процедуру самотестирования, что позволяет пользователю быть уверенным в исправности устройства. Датчик можно сконфигурировать на генерацию прерывания при обнаружении ускорения свободного падения. Имеется возможность программной установки порога значения ускорения, при превышении которого, по крайней мере в одной из трех осей, устройство выдаст сигнал прерывания. LIS3LV02DL доступен в пластмассовом корпусе LGA16. Рабочий диапазон температур составляет –40…85°C.
LIS3LV02DQ — трехосевой акселерометр для измерения небольших значений ускорения со стандартными цифровыми интерфейсами SPI/I²C. В LIS3LV02DQ полосу пропускания можно гибко задать командой программного обеспечения, позволяя разработчикам эффективно менять условия измерения. Как и в предыдущем устройстве, в данном случае реализована возможность программной установки порога, при превышении которого устройство формирует прерывание. Эта информация помогает быстро понять, в каком направлении перемещается датчик, прежде чем будут произведены какие-либо вычисления.
LIS331AL, LIS331DL — трехосевые, линейные, универсальные, экономичные МЭМС- акселерометры класса «нано». Высокофункциональные датчики с низким потреблением энергии обеспечивают очень высокую устойчивость к вибрациям и ударам с ускорениями до 10000g. Нанодатчики движения компании ST предназначены для приложений с небольшими ускорениями для бытовых и промышленных устройств, включая интерфейсы движения пользователя в мобильных и игровых устройствах, обнаружения свободного падения для защиты данных на жестком диске, обнаружения и компенсации вибрации в бытовой технике. Конструкция датчика включает в себя два стандартных цифровых интерфейса SPI и I²C. Пользователь может выбрать любой из них. Кроме того, имеются встроенные интеллектуальные функции, включающие распознавание одинарного и двойного щелчка, обнаружение выхода из состояния покоя и движения, фильтры верхних частот и две выделенных гибко программируемых линии прерывания. Датчик обеспечивает полную шкалу выходного сигнала ±2,0g, высокую температурную стабильность и большую устойчивость к смещению. Встроенные функции самотестирования позволяют проверять датчик после установки на плату. LIS331DLF, LIS331DLM, LIS331DLH — 6-, 8- или 12-разрядные приборы с цифровым выходом, которые являются pin-to-pin- и программно-совместимыми.
Основным назначением инерциальных датчиков является измерение ускорения, однако на их основе можно измерять наклон, движение объекта, определение положения в пространстве, силу ударов и вибрацию.

Семейство МЭМС-гироскопов ST

Семейство гироскопов содержит трехосевые датчики (Yaw, Pitch и Roll). На рисунке 5 показаны направления и названия чувствительных осей датчика по отношению к плоскости корпуса.

Базовым параметром гироскопов является чувствительность — отношение изменения выходного сигнала к изменению угла поворота.
Параметр Zero-rate характеризует начальное смещение выходного сигнала при нулевом повороте датчика. Смещение связано с технологией изготовления и может измениться после монтажа микросхемы. Оно имеет слабую зависимость от температуры и должно учитываться при обработке и выделении полезного сигнала.

Основные параметры гироскопа LYPR540AH

– Напряжение питания: 2,7…3,6 В.
– Расширенный температурный диапазон (–40…85°C).
– 3 независимых аналоговых канала.
– Диапазон полной шкалы: опции ±400 и ±1600 dps.
– Высокая ударопрочность.
– Встроенное самотестирование.
Объединение акселерометра и гироскопа позволяет создавать интегрированные инерционные системы (Inertial Movement Units, IMU).

Функционально законченные датчики

ST производит также функционально ориентированный датчик FC30, который представляет собой датчик 3D-ориентации прибора в пространстве и предназначен для мобильных и портативных устройств, в частности, для использования в электронных фоторамках. Встроенный в портативный прибор датчик обеспечивает слежение за ориентацией плоскости экрана дисплея прибора по отношению к пользователю. При обнаружении поворота плоскости экрана вокруг оси производится и поворот изображения, для того чтобы обеспечить его нормальное положение по отношению к пользователю.
Датчик также позволяет обнаруживать одиночные и двойные щелчки по экрану в процессе навигации в пользовательском графическом интерфейсе.

Заключение

Активное развитие мобильных устройств возвело акселерометры (датчики ускорения, перемещения и ориентации) в разряд базовых массовых компонентов современной продукции. К 2010 г. рост рынка МЭМС-акселерометров составит 14,1%, а с 2011 по 2012 гг. ожидается удвоение этого сегмента. Массовому использованию датчиков акселерометров способствовало их существенное удешевление — в 2008 г. цена МЭМС-чипа снизилась до 1 долл. и менее. В настоящее время 40% выпускаемых акселерометров находит свое применение в автомобильной промышленности, а в мобильных телефонах и другой потребительской электронике пока используется лишь 22% всего объема этих чипов. При этом доля такого применения будет увеличиваться. К 2013 г. рынок акселерометров вырастет до 1,7 млрд долл. Успех Apple iPhone способствовал росту продаж микроэлектромеханических систем. К концу текущего года 10% из всех поставленных мобильных устройств, а таких насчитывается 1,29 млрд, включали МЭМС-акселерометры. Выручка от продаж всех типов МЭМС для мобильных устройств к концу 2012 г. достигнет 1,3 млрд долл. Востребованы МЭМС-акселерометры и гироскопы у производителей игровых консолей. В ближайшие годы ожидается рост спроса на МЭМС-устройства для ПК.

Литература

1. Александр Райхман. STMicroelectronics — мировой лидер в производстве датчиков движения//Новости электроники № 2, 2009.
2. Андрей Еманов. Инерциальные датчики STMicroelectronics.
3. Веб-семинар “МEМS Gyroscopes: Their main applications, internal structure, working principles”.
4. Datasheet. LYPR540AH МЭМС motion sensor: 3 axis analog output gyroscope.
5. AN2041 Application note LIS3LV02DQ: 3-axis — ±2g/±6g Digital Output Low Voltage Linear Accelerometer.

Пассивный интегрированный оптический гироскоп на основе фотонно-кристаллического кольцевого резонатора для измерения угловой скорости

COMSWORLD 2021 Тезисы | Mancef

Достижения в инерционных мем

Dr.

Однако мы должны дождаться 2006 года с запуском Nintendo Wii, чтобы увидеть настоящий взрыв инерциальных устройств MEMS. В основе успеха Wii лежит акселерометр внутри Wiimote, который обнаруживает движение в трехмерном пространстве. Технология, которая вскоре будет принята Apple для своего первого iPhone и расширена несколькими годами позже, в 2010 году, с iPhone4, где гироскоп был добавлен в дополнение к акселерометру, таким образом завершив первый IMU в потребительском приложении.

С тех пор инерциальные устройства MEMS позволили использовать захватывающие приложения в портативных устройствах, включая оптическую стабилизацию изображения для повышения производительности камеры, пользовательский интерфейс для дополнительных функций и простоты использования, а также игры для более захватывающих развлечений. Однако, глядя на сегодняшние инерциальные МЭМС-устройства после более чем 20-летнего коммерческого успеха, можно заметить две вещи: ASP снизился более чем в 10 раз, а дизайн и технология практически не развивались. Является ли это признаком того, что инерционные устройства MEMS приближаются к своему концу?

Состояние производства полупроводников в Индии

Chetan Arvind Patil

Инерциальные измерительные блоки (IMU) микроэлектромеханических систем (MEMS) становятся все более популярными, и сегодня их можно найти в самых разных приложениях.

Первое широкое коммерческое внедрение произошло в конце 1980-х и 1990-х годах под давлением растущего спроса на безопасность на автомобильном рынке, сначала с линейными акселерометрами MEMS для подушек безопасности, а затем с вибрационными гироскопами для контроля устойчивости автомобиля.

Однако мы должны дождаться 2006 года с запуском Nintendo Wii, чтобы увидеть настоящий взрыв инерциальных устройств MEMS. В основе успеха Wii лежит акселерометр внутри Wiimote, который обнаруживает движение в трехмерном пространстве. Технология, которая вскоре будет принята Apple для своего первого iPhone и расширена несколькими годами позже, в 2010 году, с iPhone4, где гироскоп был добавлен в дополнение к акселерометру, таким образом завершив первый IMU в потребительском приложении.

С тех пор инерциальные устройства MEMS позволили использовать захватывающие приложения в портативных устройствах, включая оптическую стабилизацию изображения для повышения производительности камеры, пользовательский интерфейс для дополнительных функций и простоты использования, а также игры для более захватывающих развлечений. Однако, глядя на сегодняшние инерциальные МЭМС-устройства после более чем 20-летнего коммерческого успеха, можно заметить две вещи: ASP снизился более чем в 10 раз, а дизайн и технология практически не развивались. Является ли это признаком того, что инерционные устройства MEMS приближаются к своему концу?

Микрооптические устройства и их применение в лидарах

Эндрю Оливер и Дэвид Диккеншитс

За последние два десятилетия зеркала МЭМС превратились в высокоэффективные устройства сканирования луча. Из-за своей небольшой массы зеркала MEMS могут быть быстрыми и более устойчивыми к вибрации платформы, ускорению и механическим ударам, чем зеркала большего размера. Их небольшая масса и инерция обеспечивают быстрое ускорение и гибкое наведение луча. Кроме того, устройства MEMS имеют небольшие размеры и часто имеют простые электрические интерфейсы. Таким образом, они могут повысить производительность системы без увеличения размера, веса или мощности системы. В этой статье рассматривается современное состояние зеркал МЭМС с акцентом на их использование в лидарах, включая как академические, так и коммерческие разработки. Затем в докладе анализируется потенциал коммерциализации этих технологий и силы, которые сделают эти разработки успешными или неудачными на рынке. Например, в автомобильной промышленности необходимость поддержки продуктов в течение более десяти лет и ответственность, связанная с отказом продукта, ограничат способность небольших компаний конкурировать с признанными поставщиками.

Проблемы и возможности коммерциализации печатных, гибких, растягиваемых и функциональных тканевых датчиков в IoT, носимых устройствах и других приложениях с большими объемами

Roger Grace

В презентации будет представлен обзор печатных, гибких, растягиваемых, функциональных тканевых датчиков и сопутствующих товаров. электроники и приложений, доступных в настоящее время, а также будущих возможностей приложений. Будут рассмотрены примеры текущих поставщиков, а также основные моменты ведущих международных исследовательских организаций.

Дополнительные темы для рассмотрения включают:

• Мотивация и преимущества использования этих датчиков по сравнению с альтернативными решениями
• Проблемы их интеграции с другими функциональными элементами базового Интернета вещей (IoT) и носимых приложений
• Вопросы производства для создания этих гетерогенных и гибридных решений с точки зрения материалов, печати и сборки, также известных как «преобразователь»
• Препятствия для успешной коммерциализации этих датчиков и рекомендуемые стратегии для достижения успеха на рынке

Успешное получение программного медицинского устройства, созданного и одобренного для продажи в США

Jen Baird

Чтобы продавать программное медицинское устройство в США, компании должны получить разрешение от FDA США на продажу. В этом докладе будет использоваться недавно авторизованный монитор гемодинамического статуса, который использует одно отведение ЭКГ для выявления признаков гемодинамической нестабильности в качестве тематического исследования. Узнайте о различиях, преимуществах и недостатках наиболее распространенного пути одобрения медицинских устройств FDA, 510 (k), с путем, предусмотренным для новых устройств, путем De Novo. Успешный генеральный директор американского стартапа, поддерживаемого венчурным капиталом, поделится своими секретами успеха и уроками, извлеченными за последние четыре года.

Уроки коммерциализации и предпринимательства от двух микрофлюидных стартапов HandyLab и Celsee

Kalyan Handique

На этом тематическом семинаре Калян расскажет о своем путешествии по коммерциализации передовых продуктов для медико-биологических наук и диагностики через два своих медицинских микрофлюидных стартапа. ups HandyLab и Celsee, предоставляя информацию о технологии, используемой в геномном анализе или анализе отдельных клеток. Микрожидкостное устройство HandyLab используется для диагностики медицинских заболеваний и было приобретено Becton Dickinson. Celsee предложила одноразовую систему обнаружения и анализа отдельных клеток, которую в прошлом году приобрела компания BioRad.

Крупносерийные литейные заводы МЭМС

Люси Хуанг

В производстве пластин МЭМС традиционно доминировали корпорации IDM, производящие свои собственные пластины МЭМС. В последние годы компании МЭМС, не использующие фабрики, выросли и заняли значительную долю рынка на растущих площадях, для которых производятся МЭМС-устройства. Наряду с проектными фирмами без производственных мощностей за последнее десятилетие выросли литейные цеха МЭМС, которые сначала производили 100- и 150-мм пластины, а в последнее время расширились до 200-мм пластин. В этом докладе будут обсуждаться проблемы крупных литейных заводов МЭМС-пластин, а также области роста для этой бизнес-модели.

Влияние COVID-19 на приложения МЭМС: изменение продуктов, новые направления и новые возможности

Леонардо Сала

COVID-19 по-разному повлиял на мировые рынки. Например, влияние на медицину и телекоммуникации было положительным, в то время как автомобильная промышленность и мобильность в целом пострадали отрицательно. Воздействие на потребительский, мобильный и промышленный рынки было ограниченным. Во время пандемии спрос на некоторые типы МЭМС, такие как термобатареи и микроболометры, используемые в тепловизионных камерах или бесконтактных термометрах, даже резко вырос, что обусловлено необходимостью контролировать температуру людей. Параллельно микрофлюидика для секвенирования ДНК ПЦР-диагностические тесты для выявления COVID-19становятся все более популярными на рынке, что обусловлено необходимостью с высокой точностью обнаруживать присутствие вируса. Точно так же количество измерителей давления и расходомеров в аппаратах ИВЛ будет расти из-за огромного спроса со стороны отделений интенсивной терапии больниц. Эти и другие соображения о том, как COVID-19 изменил и продолжает изменять рынок МЭМС, будут рассмотрены в ходе доклада.

Цифровые двойники в разработке МЭМС и датчиков

Мэри Энн Махер

Разработка МЭМС и датчиков является сложной задачей из-за использования уникальных материалов, процессов изготовления и упаковки. В этом докладе обсуждается, как можно использовать цифровые двойники для решения этих проблем и облегчения сотрудничества и взаимодействия между группами проектирования, моделирования, производства и разработки продуктов. Цифровые двойники связывают проектирование, физическое производство и измеренные данные о производительности и могут применяться на многих этапах процесса проектирования от оптимизации конструкции материалов до обучения алгоритмам искусственного интеллекта, а также тестирования и квалификации. В докладе будет представлено введение в цифровые двойники и несколько примеров их использования в разработке продуктов на основе МЭМС.

Замена тестирования на животных может стать крупнейшим рынком для микрофизиологических систем для органов на чипе к 2027 году

Джон Малкольм Уилкинсон, директор по технологиям для промышленности Ltd неэтично, расточительно с экономической точки зрения и устарело с научной точки зрения. Учитывая эти веские аргументы в пользу перемен, почему орган на чипе (ООАК) и другие альтернативные методы еще не получили широкого распространения? В этом документе определяются основные препятствия на пути внедрения новых технологий в целом и ООАС в частности.

Учитывая, что мировой рынок использования животных составляет порядка 30 миллиардов долларов, а предполагаемые расходы на исследования и разработки составляют, возможно, 7%, это соответствует бюджету в 210 миллионов долларов, потраченному на продолжение использования животных методов.
По оценкам, бюджет исследований и разработок альтернатив животным составляет менее 30 миллионов долларов в год.
Потенциальный путь вперед заключается в том, чтобы просвещенные правительства признали потенциальные возможности для новых технологий и предоставили финансирование НИОКР, а также поддержали законодательные изменения, чтобы ускорить отход от исторических методов с использованием животных.

Есть самые обнадеживающие признаки того, что такого рода правительственные инициативы уже начинают действовать не только в отдельных странах, таких как Нидерланды и Швеция, но и во всем ЕС, а также в Соединенном Королевстве. Если эти инициативы будут хоть частично успешными, они вызовут массовый рост на нынешнем рынке микротехнологий, используемых для тестирования in vitro безопасности и эффективности фармацевтических препаратов, косметики, пищевых добавок и бытовой химии.

Что нового на рынке памяти (DRAM) и накопителей (SSD)

Марко Мезгер

Память (энергозависимая и энергонезависимая) — один из крупнейших сегментов рынка полупроводников. С консолидацией, с одной стороны, и новыми игроками в Китае, с другой, важно понять, где мы находимся сегодня, а также быстро взглянуть на то, что может произойти дальше с новыми появляющимися технологиями памяти.

Разработка МЭМС/полупроводников во Вьетнаме

Том Нгуен

Технология МЭМС (микроэлектромеханических систем) и полупроводниковые технологии существуют во всем мире уже более 50 лет, со значительным технологическим прогрессом и успешной коммерциализацией многих отдельных функциональных Устройства MEMS, а также комбинированные датчики MEMS и ASICS для продуктов обработки сигналов, таких как датчики давления, акселерометры, гироскопы, микрофоны, микрозеркала и т. д., и это было определено как одна из самых многообещающих технологий на сегодня и в будущем. для обслуживания различных промышленных, потребительских, автомобильных и медицинских рынков, и он будет продолжать расти и потенциально влиять на нашу повседневную жизнь и то, как мы живем сегодня и в будущем умного города, автономного вождения, IoT и Интернета всего.

В контексте МЭМС и полупроводниковых технологий в этом документе представлен более потенциальный рост развития, приложений и рынка МЭМС и полупроводников во Вьетнаме.

Инфраструктура для высокоскоростных испытаний и проблемы при тестировании продуктов для центров обработки данных / 5G

Муру Мейяппан

Технологии центров обработки данных и сотовых сетей 5G обеспечивают бесперебойную связь для приложений следующего поколения с высокой безопасностью и надежностью. Поскольку 5G предусматривает подключение миллиардов устройств, поддерживающих более высокие скорости передачи данных с меньшими задержками, гипермасштабные центры обработки данных становятся важными из-за огромных потребностей в данных, которые достигают новых уровней из-за стремительного роста данных в связи с новыми потребностями в IoT и граничных вычислениях.

С ростом скорости передачи данных и интеграцией решений для вычислений и подключения в микросхемы тестирование высокоскоростных компонентов или решений для подключения, таких как повторные таймеры на основе DSP, трансимпедансные усилители, различные типы драйверов и модулей в больших объемах, становится все более сложной задачей, чем когда-либо прежде. Мы изучим тестовую инфраструктуру, чтобы обеспечить тестирование этих компонентов/модулей, начиная с конструкции тестового оборудования, среды целостности сигнала, высокоскоростных тестовых принадлежностей/надстроек, доступных на рынке для проверки прототипа, связанных с этим препятствий/проблем высокоскоростного тестирования в крупносерийном производстве. наряду с наступающими тенденциями в быстром зондировании голых кремниевых кристаллов.

TDK Venture — корпоративные венчурные капиталисты, ускоряющие успех инновационных высокотехнологичных стартапов

Николя Соваж

Резюме: «TDK Ventures — корпоративное венчурное подразделение TDK, ориентированного на технологии венчурного фонда, инвестирующего по всему миру в стартапы на ранних стадиях, которые используют фундаментальное материаловедение. В презентации будет рассказано, как инновационные компании могут адаптировать свои сообщения к CVC для достижения наибольшего эффекта.

Серия США-Китай – китайские стратегии корректировки цепочки поставок

Пол Крейк

Технический национализм, обращенный внутрь Китая; цифровой железный занавес; Все эти выражения описывают очевидное технологическое разъединение между Соединенными Штатами и Китаем. Хотя можно утверждать, что полное разделение почти невозможно, проблемы внутренней безопасности и продвижение местных технологий для бытовых вариантов использования обеспечат технологическое соперничество, которое в ближайшие годы станет более интенсивным. Самодостаточность отечественных полупроводников находится в центре этого, но это гораздо больше, чем самодостаточность цепочки поставок. Это сыграет жизненно важную роль в определении масштабов использования технологий в администрации Байдена и за ее пределами.

Отчет о коммерциализации отрасли МЭМС за 2020 год

Роджер Х. Грейс/Президент/Roger Grace Associates

Это уникальное исследование, начатое в 1998 году и продолжающееся ежегодно, отслеживает «здоровье» отрасли МЭМС по сравнению с электронной почтой. анкета для широкого круга лиц, вовлеченных в MEMS, для оценки их оценок по 14 критическим факторам успеха для коммерциализации. В исследовании используется «метод Дельфи», который получает информацию от ограниченного числа отраслевых экспертов и лидеров мнений и отличается от исследований, требующих большого количества ответов, чтобы получить статистически значимые (и прогнозируемые) оценки. Ежегодное исследование табеля успеваемости является единственным в своем роде исследовательским инструментом в сообществе МЭМС. Целью исследования является объективная оценка производительности отрасли МЭМС и отслеживание ежегодных изменений и тенденций. Предметы включают установленную инфраструктуру, исследования рынка, исследования и разработки, развитие кластера, занятость, прибыльность и привлечение венчурного капитала.

Письменные оценки выставляются участниками в дополнение к дословным объяснениям оценок. Результат исследования стал ценным инструментом и руководством для участников отрасли в отношении того, как наилучшим образом добиться успешной коммерциализации. Ожидания от исследования этого года включают оценку воздействия всемирной пандемии COVID на отрасль МЭМС и вытекающие из этого организационные стратегии поворота и устойчивости. Исследование было и остается единственным инструментом исследования рынка, доступным участникам отрасли МЭМС, чтобы их голоса были услышаны.

Десятилетие совершенствования цепочки поставок полупроводников и МЭМС в Китае

Дуг Спаркс

В последнее десятилетие в Китае наблюдается резкий всплеск роста инфраструктуры для производства полупроводников и МЭМС. Известные гиганты ИС, такие как Intel, Samsung, TSMC и SK Hynix, построили 300-миллиметровые фабрики по производству полупроводниковых пластин, а китайские фирмы, такие как SMIC, также построили там полупроводниковые литейные заводы. Поставщики полупроводникового оборудования также установили значительные ресурсы для поддержки отрасли в Китае и прилегающих регионах. Значительная часть этих инвестиций будет направлена ​​на датчики и сегмент MEMS. В Китае наблюдается переход производства МЭМС от 100- и 150-мм пластин к 200-мм пластинам, а также переход от заводов государственных институтов к коммерческим МЭМС-фабрикам и литейным цехам. Кроме того, сегмент крупносерийного производства МЭМС в Китае ранее осуществлялся после упаковки и тестирования пластин, но теперь охватывает всю часть производственного цикла, связанную с изготовлением пластин. Этот доклад будет посвящен основным игрокам, технологиям, инвестициям, проблемам и связанным с полупроводниками и возможностями МЭМС в Китае.

Оборудование для литографии и склеивания на растущем рынке МЭМС и датчиков для потребительских и автомобильных приложений

Тагуи ЕГОЯН, PhD – Yole Development

МЭМС и датчики представляют собой огромное количество технологий устройств, которые присутствуют во всех мегатрендах, включая потребительские и автомобильные. Пандемия Covid-19 оказала глубокое влияние на эти два конечных рынка. В 2020 году объем конечного потребительского рынка сократился на 2,6% в годовом исчислении, а объем конечного рынка автомобильной промышленности сократился даже до 27,5%. Тем не менее к 2025 году COVID-19Влияние пандемии должно исчезнуть, а рынок устройств MEMS должен увеличиться на 7,4% в год. Несмотря на сильное уменьшение размера рынка МЭМС, обслуживающий его рынок оборудования для литографии и склеивания остается стабильным. Что касается конечного потребительского рынка, увеличение производственных мощностей будет в основном связано с приобретением инструментов для проекционной литографии для фильтров RF BAW для расширения 5G (CAGR устройств 15,5%), а также МЭМС для обработки звука (CAGR устройств 5,4%). Что касается конечного автомобильного рынка, инвестиции в инструменты для литографии должны быть направлены на инерционные МЭМС и их интеграцию с цифровыми устройствами. Ожидается, что общий рынок литографического оборудования для производства МЭМС и датчиков будет расти со среднегодовым темпом роста 4%. В последующие годы также будет показано внедрение оборудования для литографии без масок, которое потенциально может снизить стоимость производства фотошаблонов. Общая тенденция интеграции МЭМС приводит к росту рынка связующего оборудования, при этом среднегодовой темп роста превышает 10%. Эта презентация призвана дать обзор рынка литографии и склеивания МЭМС и датчиков, последних достижений в области производства устройств и нерешенных проблем.

Появляющиеся и поддерживающие технологии и инфраструктура финансирования сетей передачи знаний (KTN) в Великобритании

Дэвид Толфри, вице-президент по Европе MANCEF

Чтобы понять успех существующей инфраструктуры Великобритании для поддержки промышленности в получении коммерческой выгоды от достижений в новых технологиях, необходимо знание его эволюции еще в конце 1990-х годов. В 2003 году была создана национальная сеть микро-нанотехнологий (MNT) при поддержке правительства и промышленности. К 2006 году количество компаний в Великобритании, производящих и поставляющих продукцию на основе MNT, увеличилось со 100 до 700. Изменения в политике правительства в 2007 году в отношении науки, технологий и промышленности привели к появлению преемника сети MNT. Шестнадцать сетей передачи знаний (KTN) были созданы под эгидой Совета по технологической стратегии.

Миссия KTN состоит в том, чтобы объединять людей для ускорения инноваций и выявления рынков. Они объединяют предприятия, предпринимателей, ученых и спонсоров для разработки новых продуктов, процессов и услуг для создания ценности и пользы для общества. У KTN есть онлайн-сообщество, насчитывающее более 60 000 членов, и благодаря своим мероприятиям оно объединяет более 20 000 делегатов.

В 2014 году название Совета по технологической стратегии было изменено на Innovate UK, чтобы стать национальным инновационным агентством с текущим бюджетом на исследования и разработки, превышающим 14,8 млрд фунтов стерлингов.