Bu makalede, RF MEMS, MEMS hoparlörler, BioMEMS ve PowerMEMS dahil olmak üzere farklı MEMS cihazları ve uygulamaları arkasındaki en son teknolojileri daha derinlemesine anlamaya dalın. Onların ne olduğunu, hedeflerini ve en önemlisi mevcut teknolojilerin kullanım şeklini nasıl dönüştüreceklerini öğrenin!
Not: Bu makale, önceki makalemiz olan Mikroelektromekanik Sistemlere Giriş (MEMS) makalesinin devamıdır.
Özet: MEMS Nedir?
MEMS, yani MikroElektroMekanik Sistemler, elektronik, elektriksel ve mekanik bileşenleri tek bir entegre cihazda birleştiren bir sistem sınıfıdır.
MEMS, ultra kompakt fiziksel boyutları (bir milimetreden bir mikrona kadar!) ve mikro üretim süreci ile karakterize edilir. Mikro üretim, CPU’larımızdaki entegre devreler gibi yarı iletken tabanlı bileşenleri üretmek için kullanılan aynı süreçtir – Bu nedenle MEMS, mobil telefonlarımız ve giyilebilir cihazlarımız gibi gömülü uygulamalara kolayca ve yoğun bir şekilde entegre edilmiştir.
MEMS, modern teknolojilerimiz için yeni değildir. Son otuz yılda, MEMS araştırmaları sıcaklık, basınç, ivme kuvvetleri vb. algılama alanında ticari uygulamalar üretmiştir. Bununla birlikte, MEMS alanındaki araştırma ve geliştirme yıllar boyunca oldukça aktif kalmıştır. Özellikle, daha çeşitli bileşenlerin entegrasyonuna ve çeşitli operasyonel talepleri karşılamak için farklı mikro üretim süreçleri ile deney yapmaya büyük bir odaklanma olmuştur.
Radyo Frekansı MEMS
Radyo Frekansı MEMS, kısaca RF MEMS, radyo iletişimi için RF tabanlı pasif bileşenler içeren MEMS’tir.
Bu bileşenler, RF devrelerinde kullanılan tipik dirençler, kapasitörler, indüktörler vb. anlamına gelir. Ancak, RF uygulamalarındaki pasif bileşenlerin yüksek sinyal frekanslarında performansı sürdürebilmesi gerektiğinden, benzersiz tasarım gereksinimleri ve zorluklarla karşılaşırlar. RF devreleri hakkında daha fazla bilgi edinmek istiyorsanız, buraya tıklayın.
Genel olarak, RF MEMS, düşük güç tüketimi, maliyet, boyut ve ağırlık azaltımının yanı sıra geliştirilmiş sinyal izolasyonu sağlamıştır. RF MEMS’in bazı geniş uygulamaları aşağıdaki grafikte gösterilmektedir:
RF MEMS Anahtarları
RF MEMS uygulamaları arasında, anahtarlar en fazla gelişim ivmesine sahip olmuştur ve son zamanlarda ticari tekliflerdeki atılımlar ile dikkat çekmektedir.
MenloMicro tarafından geliştirilen yeni RF MEMS anahtarları, özel bir alaşımdan yapılmış bir iletken kiriş aktüatör içerir. Alaşım, anahtarı kapatmak için yüksek voltajlı statik elektrik alanı tarafından elektrik temasına doğru çekilir.
Bu anahtarlar, “ideal anahtar” performansına yaklaşarak, “açık” durumda süper düşük direnç, “kapalı” durumda ise süper yüksek direnç sunar. Ayrıca, yüksek doğrusallık, düşük anahtar süresi ve düşük güç tüketimi ile birlikte, MEMS tabanlı tasarımın geleneksel dayanıklılığı ve güvenilirliğine sahiptir.
Son teknoloji RF MEMS anahtarları, yüksek kaliteli iletişim sağlamak için havacılık, askeri ve kablosuz altyapı endüstrilerinde kullanılmaktadır. Yine de, bu RF MEMS cihazlarının uygulamalarının zamanla evrim geçirmeye devam etmesini bekliyoruz, çünkü yeni teknolojiler ve araştırma bulguları ortaya çıkmaya başlıyor.
MEMS Hoparlörler
MEMS teknolojisi, mikrofonlar ve ivmeölçerler için son otuz yıldır var olmasına rağmen, MEMS hoparlörler yalnızca son zamanlarda önemli bir MEMS geliştirme alanı haline gelmiştir.
Genel olarak, MEMS hoparlörler, üzerine bir voltaj uygulandığında deformasyona uğrayan ince piezoelektrik filmler kullanarak çalışır. Bu mekanik defleksiyon, çevredeki havada bir yer değiştirme oluşturarak ses dalgaları üretir.
MEMS hoparlörlerin iki ana avantajı vardır: boyut ve güç verimliliği. Tek bir modül olarak PCB’ye sorunsuz bir şekilde entegre edilebilirler, bu da ürün tasarımını basitleştirir ve alan tasarrufu sağlar. Ayrıca, MEMS hoparlörlerin yüksek iç dirençleri daha düşük sürücü akımı gerektirir ve dolayısıyla daha az güç tüketir.
MEMS Hoparlörler Kulaklıklarda
Bu iki avantaj, MEMS hoparlörlerin kapalı kulak (veya kulak içi) uygulamaları, örneğin kablosuz kulaklıklar için popüler olmasına yol açmıştır. Küçük form faktörü, daha büyük pillerin kullanılmasına olanak tanır ve bu da iyileştirilmiş pil tüketimi ile birleştiğinde, daha iyi bir kullanıcı deneyimi için önemli ölçüde geliştirilmiş pil ömrü sağlar.
MEMS Hoparlörler ile Mümkün Olan Yeni Tasarımlar
Küçük boyutları nedeniyle, MEMS hoparlörler genellikle bir dizi MEMS hoparlörden oluşur. Bu, bireysel LED’lerin yetersiz parlaklıkta olması ve genellikle istenen aydınlatmayı elde etmek için diziler halinde kullanılmasına benzer.
Sonuçlar, aşağıda gösterilen USound’un Proteus 2.0 gibi çok ilginç ve kompakt tasarımlar ortaya çıkarmaktadır. Temel kutu, normal bir subwoofer içerirken, farklı yönlendirilmiş üç tüpün her biri 360 derece ses çıkışı elde etmek için 20 MEMS hoparlör içermektedir.
Bu diziler, alan ve ağırlığın kritik tasarım unsurları olduğu yerlerde tam boyutlu hoparlörlerin yerini almak için hafif ve ince seçeneklerdir. Örneğin, MEMS hoparlör dizisini aracın tavanına monte ederek araçların ağırlığını azaltmak.
Eğer MEMS hoparlör pazarındaki ana oyuncular tarafından kullanılan spesifik teknolojilerle ilgileniyorsanız, bu makale Mike Klasco tarafından detaylı bir tanım sunmaktadır.
BioMEMS
BioMEMS, Biyomedikal veya Biyolojik MEMS’in kısaltmasıdır ve biyolojik uygulamalar için bir MEMS alt kümesidir. BioMEMS’in iki ana türü vardır; biri biyolojik prosedürleri (örneğin, ilaç dağıtımı) içerirken, diğeri biyolojik molekülleri işlevleri için kullanır (örneğin, virüs tespiti).
Bugün kullanılan birçok BioMEMS uygulaması vardır. Örneğin, aşağıdaki glukoz sensörü, kan glukoz seviyelerini algılamak için yaklaşık 1 mm uzunluğunda ve 200 µm genişliğinde bir mikro transdüser kullanmaktadır! Bir damla kan transdüserin üzerine konulduğunda, transdüser üzerindeki kaplama, kan plazmasındaki glukoz ile bir glukoz oksidasyon tepkimesi başlatır. Bu tepkimeden üretilen elektronlar, cihaz tarafından ölçülen ve glukoz seviyesinin okunmasına dönüştürülen bir akım oluşturur.
BioMEMS, Lab-on-Chip (LOC) ve Mikro Toplam Analiz Sistemleri (µTAS) gibi iki diğer aktif gelişim alanıyla da önemli ölçüde örtüşmektedir. LOC’ler, laboratuvar işlevlerini entegre bir devre üzerine entegre eden cihazlardır ve sub pico-litre hacimlerini işleyebilirler. Öte yandan, µTAS, belirli bir örneğin otomatik ve tam kimyasal analizini gerçekleştiren bir LOC türüdür – tüm laboratuvar prosedürlerini yalnızca mikrometre boyutuna küçültmektedir!
Bu teknolojiler, Point-Of-Care (POC) cihazlarını geliştirmeye yöneliktir. BioMEMS teknolojisini içeren sağlam ama küçük tanı cihazları, laboratuvar ölçeğinde araçların mevcut olmadığı daha az gelişmiş ülkelere taşınabilir ve etkili test imkanı sunabilir.
3D Baskı: UC Berkeley’de COVID-19 Testi için BioMEMS Kalıpları
UC Berkeley’den araştırmacılar, COVID-19 ile mücadelede kullanılabilecek çoklu mikroakışkan cihazlar için kalıplar üretmek amacıyla projeksiyon mikro-stereolitografi kullandılar. Bu POC cihazları bir sensörle donatılmıştır ve enfekte olan hastalar için geleneksel bir antikor testi gerçekleştirmek için kullanılabilir.
Mikroakışkan çoklu cihazlar, tek bir çipin birden fazla testi gerçekleştirmesine olanak tanır. Örneğin, bazı kanallar antikorları taşırken, diğerleri viral RNA’yı tespit etmek için ayrılmıştır. LOC teknolojisi ile COVID-19 için büyük ölçekli test otomasyon ve yüksek verimlilikle gerçekleştirilebilir. Çalışmaları hakkında daha fazla bilgi edinmek için buraya tıklayın.
BioMEMS, sürekli evrilen çok çeşitli bir araştırma alanıdır. BioMEMS hakkında daha fazla bilgi edinmek isterseniz, Southwest Center for Microsystems Education tarafından hazırlanan bu 30 dakikalık öğrenme modülünü ziyaret etmenizi şiddetle tavsiye ederim.
PowerMEMS
Bakacağımız son MEMS türü PowerMEMS’dir. PowerMEMS, enerji üretimi veya dönüşümü yoluyla geniş bir uygulama yelpazesinde şarj edilebilir pillerin yerini alacak teknoloji geliştirmeyi amaçlamaktadır. İki ana PowerMEMS proje türü vardır: Scavenger Sistemleri ve Yakıt Tabanlı Sistemler.
Scavenger Sistem PowerMEMS
Bugün mevcut olan birçok elektronik, çevreden ‘toplanabilen’ çok az enerji ile çalışacak kadar enerji verimlidir. Scavenger sisteminin PowerMEMS sınıfı, çevresel enerjiyi, örneğin termal veya kinetik enerjiyi, özel bir mikro sistem aracılığıyla dönüştürmeyi hedefler.
Bunun bir yolu, dış titreşimlere yanıt olarak osilasyon yapan bir çerçeve içinde yer alan rezonanslı yay-kütle sistemlerini kullanmaktır. Osilasyondan elde edilen mekanik enerji, elektrik enerjisine dönüştürülür. Aşağıdaki şekilde, dönüştürücü yay-kütle sisteminde bir amortisör ile temsil edilmektedir. Gerçekte, dönüştürücü bir elektromıknatıs veya piezoelektrik malzemelerle uygulanabilir.
Scavenger Sistem PowerMEMS hakkında daha fazla bilgi edinebilirsiniz burada.
Yakıt Tabanlı PowerMEMS
Yakıt tabanlı PowerMEMS, enerji santrallerinde yaygın olarak bulunan jeneratörleri ve türbinleri miniaturize etmeyi amaçlamaktadır. Bu, taşınabilir cihazların çoğu yakıtın enerji yoğunluğundan yararlanmasına olanak tanıyacaktır; bu, günümüzün en iyi performans gösteren pillerinin çok üstündedir. Hayal edin – ceplerimizde mini bir enerji santrali olsaydı?
Yakıt tabanlı PowerMEMS, benzersiz tasarım dikkate alımları ve zorlukları hakkında daha fazla bilgi edinebilirsiniz burada.
Özet & Sonuç
Bu makaleye, RF MEMS anahtarları ve RF hoparlörler gibi MEMS teknolojisindeki bazı atılımları inceleyerek başladık. Ardından, BioMEMS ve PowerMEMS gibi modern araştırma alanlarından bahsettik. Tüm bunlar önemli çalışma alanlarıdır ve umarız bunlar hakkında bilgi edinmekten keyif almışsınızdır!
Farklı MEMS’ler hakkında daha derin okumalar yapmak isterseniz, bahsettiğimiz kaynakların özetlenmiş bağlantıları aşağıda bulunmaktadır.
- RF MEMS Teknolojisi Nihayet “İdeal Anahtarı” Nasıl Sağladı
- MEMS Hoparlörlerinin Ses Üzerindeki Etkisi
- BioMEMS Genel Bakış
- PowerMEMS Proje Ana Sayfası
MEMS teknolojileri üzerine önceki makalelerimizi de kontrol etmeyi unutmayın!