A Microelectromechanical Systems (MEMS) az elektronikai elemeket és a mikromechanikus szerkezeteket egy chipben integrálja. Ezred-milliméternyi mérő-érzékelők, mint rugók, hidak, tömegek vagy membránok, közvetlenül a szilíciumszubsztrátumba maratva, lineáris gyorsulások, forgásmódok, nyomás vagy hang érzékelésére. A gyenge jeleket integrált elektronika dolgozza, ill. Erősíti fel, és analóg vagy digitális átalakítón keresztül bocsátja rendelkezésre. A legkisebb méretű gyorsulásérzékelőként, giroszkópként, nyomásérzékelőként és mikrofonként a MEMS-ek számos innovatív alkalmazást lehetővé tettek. Előfutára volt a fogyasztói- és mobiltelefon-, valamint az autópiac. E területek tudták a MEMS-érzékelőkben rejlő lehetőségeket először hasznosítani, legyenek bár konzolok, melyekkel a felhasználó olimpiai játékokat „tarthat" a nappalijában, telefonok, melyek mozgásra reagálnak, képstabilizálással bíró kamerák vagy a légzsák és az ESP az autóban.
Ennek megfelelően nő folyamatosan a világpiac a MEMS számára, évente mintegy 1 milliárd dollárral. Amíg a MEMS világpiaci vezető Bosch cég az 1995 és 2008 közötti 13 évben 1 milliárd db-ot értékesített, addig a második milliárdhoz csupán 3 évre volt szükség. Az STMicroelectronics is örül az ugrásszerű növekedésnek. A 2011-es évben, a vállalat a MEMS-érzékelőkkel a nyereségét 80%-kal tudta növelni a fogyasztói és mobil-szektorban, és ezzel a piacszegmens vezetőjének tekinthető. Az ezen a területen nyert tapasztalatot a vállalat most más piacokon is szeretné hasznosítani. Ezek a tapasztalatok elég potenciált szolgáltattak: a MEMS-érzékelők gyakorlatilag mindenhol teljesen új alkalmazáslehetőségeket nyújtanak, és teszik kényelmesebbé, biztonságosabbá, energiatakarékosabbá a jelenlegieket, vagy új funkciókkal kiemelik őket a piaci versenyből. A forradalom, amely a mobiltelefonok piacán már végbement, itt még előttünk áll.
1. ábra. A Bosch Sensortec BMP085/BMP180 típusú nyomásérzékelőjének adatai egy liftüzem esetén
2. ábra. Egy töltésszintmérés sematikus felépítése az STMicroelectronics LPS331AP típusú MEMS Pressure érzékelője segítségévelTöbb kezelési kényelem
Egy nagyon ígéretes alkalmazási terület a Human-Machine-Interface (HMI) terület. Itt alkalmazhatóvá válnak a mobiltelefon kezeléséből eredő tapasztalatok, pl. Egyszerűen átvehető a koppintás és a dupla koppintás (tap) funkció. Még a HMI egy formája is megvalósítható a beszédvezérléssel. A mobiltelefonok ezen a téren is lehetőségeket rejtenek: az iPhone-felhasználók a határidőnaplójukat vagy a levelezéseiket a „Siri" segítségével intézhetik. Egy ilyen beszédfelismerés és –vezérlés a MEMS-mikrofonokkal más eszközöknél is lehetségessé válik, pl. A navigációs rendszereknél, mert ezek a termékek a legkisebb méretek mellett szolgáltatnak kiemelkedő hangminőséget. Ezek az előnyök éppen úgy érvényesülnek a kihangosítóvagy a konferenciarendszerekben — többletköltség nélkül. Így kínál pl. Az STMicroelectronics olyan MEMS-mikrofonokat, amelyek megbízhatóbbak, mint a hagyományos, klasszikus elektret mikrofonok (ECM) A jelenleg elérhető MP34DT/DB01/ MP45DT02 típusú modellek 63 dB-ig terjedő SNR-rel rendelkeznek, nagyon alacsony frekvenciaválasz (20 Hz—20 kHz) mellett.
Nagyobb biztonság
Több biztonságot például a elfordulásérzékelők nyújtanak a fúrógépeknél. Ezek a fúrógép forgását érzékelik, amikor pl. A fúró betonba ütközik, és gondoskodnak a gép kikapcsolásáról. A gyorsulásérzékelők lehetővé teszik az úgynevezett „Freefall Detection" funkciót, amelyet jelenleg a laptopok merevlemezeinél alkalmaznak. Amennyiben az érzékelő szabadesést észlel, gondoskodik arról, hogy az író- és olvasófej ne „érintkezzen" a merevlemezzel Ez az elv ugyanúgy hasznosítható egy láncfűrész vagy egy daru-távvezérlése esetén is, hogy az eszköz szabadesés esetén a vészlekapcsoló segítségével biztos állapotba kerüljön.
A gyorsulásérzékelők a legkisebb mozgásokat és rázkódásokat is érzékelik, hogy pl. Az olaj- és gázcsöveket vagy automatákat egyszerűen és hatékonyan meg tudják óvni a vandalizmus okozta károktól, az értékes tárgyakat pedig a lopástól. A gépek rendeltetésszerű működése azok vibrációjának érzékelésével ellenőrizhető.
A barométeres MEMS-nyomásszenzorok képesek a magasságkülönbségek meghatározására, 25 cm-es pontossággal. Ellentétben az olyan műholdalapú helymeghatározó rendszerekkel, amelyek zárt környezetben a rossz vagy teljesen hiányos vétel miatt egyáltalán nem működnek, beltéri navigációt tesznek lehetővé bevásárlóközpontokban és parkolóházakban, mivel ezek a légnyomást mérik, amelyből kiszámítható a magasság, és amelyhez így egy emelet hozzárendelhető. Navigációs rendszerekben is fontos szerepet játszanak, pl. A gépjármű többszintes utakon történő meghatározásához. Tűzoltói és rendőrségi intézkedések esetén a MEMS-nyomásérzékelők még az életmentésben is segíthetnek, a szerencsétlenül járt helyzetének épületekben történő meghatározásával.
Nagyobb hatékonyság
Ha a gép, hibás működés esetén azonnal lekapcsol, úgy nő az energiahatékonysága, és a munkavégzés biztonsága is. Ez a funkció több érzékelő kombinálásával még tovább optimalizálható. Például a mosógépben a nyomásérzékelők a töltésszintet mérik, mialatt a gyorsulásérzékelők meghatározzák a gép töltöttségét, és a megfelelő mosó-/szárító program kiválasztásra kerül. A gyorsulásérzékelők olyan eszközök automatikus lekapcsolásáért felelnek —, amennyiben egy bizonyos ideig nem érzékelnek mozgást — mint távkapcsolók, lámpák vagy audioberendezések.
3. ábra. Az ST cég LIS3DH típusú gyorsulásérzékelője 2 µA-es áramfelvétellel az Ultra Low-Power üzemmódbanAz ilyen alkalmazásokhoz az STMicroelectronics és a Bosch Sensortec első osztályú termékeket kínál. A háromtengelyes LIS3DH (STMicroelectronics) és BMA250 (Bosch Sensortec) típusú MEMS-gyorsulásérzékelők többnyire mobileszközökben történő használatra alkalmasak, mivel mindkét típus energiatakarékos és kicsi: az LIS3DH csupán 2 µA-es áramfelvétellel is megelégszik az ultra low-power üzemmódban, a Bosch modellnek pedig 5 µA-re van szüksége a low-power üzemmódban. A 3x3x1 mm-es (LIS3DH), illetve 2x2x0,95 mm-es (BMA250) méreteik ideálissá teszik őket helykritikus alkalmazásokhoz. Mindkét érzékelő programozott, ±2 g, ±4 g, ±8 g és ±16 g-os méréstartományon keresztül precíz értékeket közvetít, 1 mg/digit (LIS3DH), ill. 256LSB/g (BMA250) érzékenységgel, 2 g-os tartományban.
A digitális felbontásuk 12 bit, ill. 10 bit, a jellemző zero-g offset a teljes időtartam tekintetében az ST modellnél ±40mg, a Bosch modellnél ±80 mg. A mobileszközöknél még az intelligens erőforrás-menedzsment (Power Management), a szabadesés érzékelése és a lépésszámlálás-funkció lehet érdekes. A HMI-alkalmazások számára az érzékelők a kijelzők megjelenítésének optimalizálásában és a koppintás/dupla koppintás (tap) vezérlésében nyújtanak segítséget. Emellett támogatnak még játék- és virtuálisvalóság-funkciókat. Mindkét gyártó szoftver- és hardvereszközöket is nyújt tesztelési célokra, felhasználóbarát felülettel. Ezzel a funkcióval a beállítások látványosan elvégezhetőek és tesztelhetőek, majd később az alkalmazásokba egy az egyben átvehetőek. Mind az ST, mind a Bosch cég rendelkezésre állít programozófelületeket, Application Programming Interface-t (API), ill. Low-Level meghajtóprogramokat.
Nagyobb mozgásszabadság
A különböző érzékelőtípusokat nem csak elszigetelten kell figyelembe venni. Kombinációikkal az alkalmazásokhoz „érzékeket" társítanak, amelyek az emberi érzékeléssel majdnem teljesen azonosak. Így a gyorsulásérzékelőket giroszkóppal kombinálva, komplex mozgásprofilok is létrehozhatóak. Mindkét érzékelő egy modulban is kapható, pl. Az STMicroelectronics LSM330DLC típusa. A mindössze 4×5×1,1 mm-es méret tartalmazza ezt a modult, a háromtengelyes LIS3DH gyorsulásérzékelőt és a háromtengelyes L3GD20 giroszkópot. Az utóbbi a teljes ±250 dps-től ±2000 dps-ig terjedő mérési skálát nyújtja, és rendelkezik egy programozható megszakítóval is.
Ezzel az ilyen MEMS-érzékelők, ill. –modulok lehetőséget nyújtanak a betegek vagy idősebb emberek távfelügyeletéhez anélkül, hogy korlátozva lennének mozgásszabadságukban. Így lehet pl. Egy elesésnél azonnal ápolószemélyt riasztani vagy megtalálni a szellemileg zavart személyeket. Az ergoterápiák, sportolók edzéstervei és gyógyszer-adagolási adatok is pontról pontra átültethetőek az egyéni mozgásprofilra, hatékonyabbá téve azt. A vérnyomásmérő készülékekben az érzékelő ellenőrizheti a kartartást, és így főként az otthoni használat során biztosíthatják a pontos mérést. Állattartás esetén az LSM330DLC érzékelőmodul segítségével egyénileg meghatározható a táplálék mennyisége annak függvényében, hogy az állat mennyit mozog.
Több szabadságfok
Még több szabadságfokot nyújtanak (DoF, Degrees of Freedom) olyan érzékelőmodulok, amelyek nagyszámú érzékelőtípusokat egyesítenek magukban. A viszonylag kis méreteikkel elsősorban helykritikus alkalmazásokhoz felelnek meg. A legkedveltebbek jelenleg a gyorsulás-, giroszkóp- és iránytűérzékelők. Az STMicroelectronics nemrég egy 9 szabadságfokkal rendelkező mulit-érzékelőmodult mutatott be. Az iNEMO M1 egy háromtengelyes gyorsulásérzékelőt, egy háromtengelyes mágneses érzékelőt, egy háromtengelyes giroszkópot és az STM32 típusú, 32 bites mikrovezérlőt, és speciális szoftvereket egyesít — mindezt csupán 13×13×2 mm-es kompakt méretben. Ezzel képes lineáris gyorsulást, szögsebességet és a Föld mágneses mezejét érzékelni, amellyel irány, helyzet és mozgások pontosan meghatározhatóak. A Sensorfusion-szoftver összegyűjti az összes érzékelő kimenőjelét, predikciós és szűrőalgoritmusok automatikusan korrigálják a mérésbeli torzulásokat és pontatlanságokat. A modul így a valóságot sokkal jobban megközelítő adatokat biztosít a játékok, az ember-gép-interfészek, robotok és hordozható navigációs eszközök, valamint a betegfelügyelet terén.
A teljességből alkotni
A példák bemutatták: a MEMS-érzékelők alkalmazási területei és lehetőségei csaknem végtelenek. Azon felhasználók számára viszont, akik ezeket az alkalmazásaikban használni szeretnék, kihívást jelentenek, mivel a fejlesztés első fázisában gyakran még nem teljesen világos, hogy melyik érzékelőtípus felel meg a legjobban a kijelölt célnak. Különböző gyártók széles kínálata gondoskodik arról, hogy a választás már a fejlesztés első fázisában se legyen túl nehéz. A Rutronik rendelkezik a legnevesebb gyártók innovatív termékeinek (érzékelők és MEMS-érzékelők) messze a legterjedelmesebb portfóliójával. Ebből a széles választékból minden igényre található megfelelő megoldás.
