Как устройства чувствуют мир. Часть 2: MEMS-актуаторы
Как вы помните, в первой части нашей статьи мы рассказали о таких MEMS-сенсорах, как акселерометры, гироскопы, микрофоны, барометры и магнитометры. Принцип их работы состоит в том, что они преобразуют физические воздействия в электрические сигналы. Однако есть и вторая большая категория MEMS-устройств под названием актуаторы, которые работают иначе, преобразуя электрические импульсы в какие-либо действия. Именно о них мы и поговорим во сегодня, а также уделим внимание разработкам в области медицины и другим необычным проектам.
Технология DLP И открывает наш список разработка компании Texas Instruments — технология под названием DLP (Digital Light Processing). Как заявляются сами разработчики, она является основой для наборов микросхем, использующихся в различных светотехнических системах. Работа технологии DLP обеспечивается специальными цифровыми микрозеркальными устройствами DMD (Digital Micromirror Device). Главной областью применения считаются, конечно же, проекторы.
DLP-проектор Acer H5360BD
Архитектурно каждый чип DMD представляет собой массив микрозеркал, который используется для пространственной модуляции света. Их количество напрямую зависит от нужного разрешения. Так, DMD-чип, работающий в Full HD разрешении (1920×1080), содержит более двух миллионов микрозеркал. Соответственно, для меньшего разрешения необходимо меньшее количество элементов, для более высокого — большее.
Само микрозеркало представляет собой небольшую квадратную алюминиевую пластинку со стороной размером 16 мкм. Под каждым микрозеркалом располагается ячейка памяти, к которой и привязано конкретное зеркало. Во время работы DMD-контроллер загружает в ячейку »0» или »1». После того, как ячейка памяти заполняется, на микрозеркало воздействует электрический импульс, и оно отклоняется на угол в диапазоне от -12 до +12 градусов. При этом положение зеркальца при -12 градусах соответствует выключенному состоянию пиксела, а +12 — включенному. Иначе говоря, в этих положениях пиксел окрашивается в черный или белый цвет. Кроме черного и белого цветов, микрозеркала могут отображать до 1024 оттенков серого цвета. Для этого используется мерцание, которое обеспечивается их включением/выключением с определенной частотой.
Слева изображен чип DLP, справа — микрозеркала
Источник изображения
В итоге получается, что DMD обеспечивает лишь черно-белое изображение. Но ведь DLP-проекторы показывают цветную картинку! Каким же образом окрашивается производимое DMD-чипами изображение?
Процесс окрашивания уже не имеет никакого отношения к MEMS. В случае с DLP-проекторами для этого используется цветовое колесо, которое располагается между лампой, излучающей белый свет, и чипом DLP. Колесо, как правило, имеет четыре цветовых сектора: красный, зеленый, синий и белый (прозрачный). По большому счету, можно было бы обойтись лишь «обоймой» из RGB-цветов, однако прозрачный фильтр позволяет значительно улучшить отображение полутонов. Окончательное изображение формируется путем последовательного отображения на экране синей, зеленой, красной и прозрачной картинок. Человеческий глаз воспринимает эту композицию как цветное изображение.
Цветовое колесо
Источник изображения
Стоит отметить, что микрозеркала используются не только в DLP-системах. Массивы зеркал также применяются в микроскопах и телескопах. В обоих случаях они используются для борьбы с искажениями. Например, в случае с телескопом искажения возникают при прохождении света через атмосферу. А применяемые в устройстве массивы зеркал могут изменять свое положение для получения четкого, неискаженного изображения.
Кроме этого, микрозеркала нашли себе применение в оптических коммутаторах. Применяемые в этих устройствах зеркала имеют такую же конструкцию, как и в случае с DLP-проекторами, однако они умеют поворачиваться сразу по двум осям в отличие от одноосевых. Такие коммутаторы обеспечивают очень большую полосу пропускания, однако в то же время требуют сложного программного обеспечения для корректной работы.
MEMS и дисплеи Особенности архитектуры MEMS-дисплеев и DLP-систем могут во многом пересекаться, но мы намеренно вынесли тему экранов в отдельную заметку. Разработка MEMS-дисплеев началась относительно недавно, и лишь на выставке CEATEC осенью 2013 года компании Qualcomm и Sharp представили прототип такого устройства.
В отличие от современных жидкокристаллических мониторов, в разработке Sharp/Qualcomm отсутствуют привычные нам RGB-светофильтры. На смену им пришла индивидуальная светодиодная подсветка для каждого отдельного пиксела. Она с большой частотой мерцает не только красным, синим или зеленым цветом, но и белым. Белый цвет был добавлен с той же целью, что и в DLP-проекторах — для лучшей передачи полутонов. Ну, а в качестве затворов пикселов используются микроэлектромеханические системы, в связи с чем устройство и было названо MEMS-дисплеем.
MEMS-дисплеи Sharp/Qualcomm
Источник изображения
Опытный образец, представленный на выставке, имел диагональ размером 7 дюймов и разрешение 1280×800 пикселов. Но даже прототип устройства выгодно отличался на фоне ЖК-дисплеев своими насыщенными цветами. При этом, по заявлению разработчиков, за счет применения светодиодной подсветки и отказа от светофильтров, а также применения MEMS-затворов энергопотребление таких дисплеев будет примерно на 15% ниже, чем у жидкокристаллических устройств. Единственным существенным недостатком дисплея Sharp/Qualcomm стал «эффект радуги», который также наблюдается у некоторых DLP-проекторов. Суть эффекта заключается в том, что время от времени пользователь видит на экране переливающиеся цвета — точно как в радуге. Однако в Sharp заявили, что знают о проблеме, и пообещали устранить эффект до запуска дисплея в серийное производство.
Также стоит отметить, что в дисплее используется технология IGZO. Это значит, что при производстве прозрачных тонкопленочных транзисторов экрана используются оксиды индия, галлия и цинка. Эти материалы обладают значительно более подвижными электронами, что позволяет уменьшать размер пиксела, а также время отклика экрана.
К сожалению, пока неизвестно, как скоро MEMS-дисплеи поступят в серийное производство. По слухам, до конца года на рынке появится устройство, использующее решение Sharp/Qualcomm. Однако планы имеют тенденцию меняться.
MEMS и принтеры Свое применение микроэлектромеханические системы нашли и в струйных принтерах. Наиболее известной технологией печати MEMS является Memjet.
Свое начало Memjet берет в далеком 2002 году. Именно тогда была создана одноименная компания. Возглавил ее основатель австралийской фирмы Silverbrook Research Киа Силвербрук. Компания Memjet объединила небольшую группу ученых под руководством Силвербрука, перед которыми была поставлена задача: изобрести революционную технологию печати. Спустя 5 лет, в 2007 году, была представлена технология Memjet.
Memjet C6010 — принтер, использующий технологию Memjet
Главная особенность технологии заключается в использовании печатающих головок на основе MEMS. Применение микроэлектромеханических систем позволило расположить сразу 70 400 дюз, генерирующих чернильные капли. А это примерно в 17 раз больше, чем в печатающих головках большинства современных струйных принтеров! Столь большое количество дюз обеспечивает очень высокую производительность. Расчетная скорость печати Memjet составляет 60 страниц формата А4 в минуту при разрешении 1600×800 dpi. Одна печатающая головка на базе MEMS имеет длину 222,8 мм и выстреливает свыше 700 млн чернильных капель в секунду. Интересно, что объемом одной такой капли составляет всего лишь 1,1–1,2 пиколитра. Для наглядности: диаметр такой капли составляет 13 мкм! В печатающей головке предусмотрено пять каналов для чернил пяти цветов, которые можно компоновать в различных комбинациях.
Стоит отметить, что применение Memjet отнюдь не ограничивается печатью формата А4. Технология также поддерживает широкоформатную печать шириной более одного метра без необходимости перемещения печатающей каретки. Это становится возможным благодаря расположению друг за другом нескольких печатающих головок.
Печатающая головка Memjet
И пару слов о принципах работы печатающих головок на основе MEMS. Очевидно, что из-за крайне малого размера дюз чернила не могут выливаться самостоятельно. Для образования и выдавливания капли необходимо какое-либо физическое воздействие на нее. И здесь существуют два основных подхода к работе печатающей головки. В ней можно разместить пьезоэлемент. На него в нужный момент будет подаваться электрический ток, из-за чего он будет увеличиваться в объеме и выталкивать каплю чернил наружу. Однако этот метод не так часто используется в сравнении с принципом термоструйной печати, в процессе которой в печатающей головке размещается нагревательный элемент, который разогревает чернила. При достижении определенной температуры капля чернил увеличивается в объеме и выталкивается на бумагу.
Несмотря на свои достоинства, технология Memjet так толком и не добралась до серийных устройств. Разработчики компании до сих пор выпускают пресс-релизы, в которых указывают инновационность разработки и особо подчеркивают высокую скорость печати. Однако с начала разработки прошло уже почти 12 лет, а с анонса технологии — 7 лет. Поэтому остается лишь надеяться, что в самое ближайшее время мы увидим все преимущества Memjet на практике.
MEMS в медицине Кроме использования в потребительских устройствах, микроэлектромеханические системы нашли применение и в медицинской сфере. Применяемые технологии получили название «биоМЭМС».
Использование технологии в медицинских целях стало возможно после того, как в системах были реализованы различные концепции микрофлюидики (науки, описывающей поведение малых объемов и потоков жидкостей) и молекулярного узнавания. Подавляющее большинство «биоМЭМС» представляют собой специальные датчики, предназначенные для слежения за параметрами внутренней среды человека. При отклонении отслеживаемых параметров от нормы они могут выделять в организм лекарственные вещества. Например, при повышении содержания глюкозы может выделяться инсулин. Зачастую «биоМЭМС» оснащаются и модулями беспроводной связи, что позволяет передавать информацию о состоянии организма, например, на планшетный компьютер врача.
Принцип работы имплантанта «биоМЭМС» (Bio-MEMS implant). Также на рисунке изображены человеческое тело (human body), мобильное устройство (hand-held device), сигнал телеметрии (RF telemetry signal)
На сегодняшний день существует огромное множество различных «биоМЭМС» устройств. Особое внимание было уделено разработке слуховых аппаратов. Не так давно было создано устройство для глухих людей, содержащее звуковой сенсор и микропроцессор. Принцип его работы заключается в том, что устройство имплантируется в человеческое ухо, а микропроцессор раскладывает звуковые волны на компоненты ряда Фурье, которые передаются напрямую слуховому нерву, благодаря чему глухой человек может слышать.
Помимо этого, учеными из Университета штата Юта было создано еще одно устройство, способное заменить традиционный слуховой аппарат. Особенность этого решения состоит в том, что оно не предусматривает использование микрофона. Этот аппарат улавливает звук не напрямую, а посредством акселерометра, которые «обрабатывает» вибрации в ухе. Такие механические воздействия преобразовываются в электрический сигнал, который затем передается в мозг человека.
На этой картинке можно увидеть, насколько миниатюрны MEMS-устройства
Источник изображения
Также существует несколько видов кардиологических «биоМЭМС». По своему предназначению они все схожи. Основной их задачей является передача информации о внутрисердечном давлении на внешние устройства. Тем не менее принцип работы может отличаться. Одни устройства постоянно передают данные о состоянии организма, другие же — лишь при нахождении специального внешнего приемника на небольшом расстоянии от тела.
К категории «биоМЭМС» также относятся и датчики, предназначенные для хирургических инструментов. Понятно, что во время сложных операций врачам необходимо действовать максимально точно и аккуратно — и такие датчики помогают им не допускать ошибок. В целом чипы для хирургических инструментов снижают риск операции, помогают управлять процессом, обеспечивая хирурга данными о состоянии организма и работе хирургического инструмента.
Интересно, что в некоторых случаях акселерометры также принято относить к «биоМЭМС» устройствам. Дело в том, что акселерометры также используются в экипировке людей, чья профессия связана с риском для жизни — например, военных или пожарных. И если акселерометр не улавливает никаких движений, то на внешнее устройство подается аварийный сигнал. Очень полезная разработка!
Необычные микропроекты Все это время мы говорили о MEMS как о внушительных разработках. Однако, как оказалось, не все относятся к микроэлектромеханическим системам так серьезно. За последние годы было создано достаточно много проектов, которые кроме как развлечением и не назовешь.
Так, студенты Техасского университета создали самые маленькие в мире шахматы. Клетчатая доска имеет размеры 435×435 мкм. Самое интересное, что шахматные фигуры даже можно двигать с помощью специальной роботизированной руки. Фантастика!
MEMS-шахматы
Источник изображения
А в Университете Юты студенты пошли чуть дальше и создали МЭМС-парикмахерскую для одного волоса. В конструкции устройства предусмотрены захват, режущий инструмент, подвижное зеркало и даже фен. Парикмахерская имеет настолько малые размеры, что, по словам разработчиков, одной капли дождя хватило бы, чтобы полностью ее затопить.
MEMS-парикмахерская: микрозеркало (micromirror), микрофен (microhairdryer), режущий инструмент (microsaw), микрозахват (microgripper)
Источник изображения
Однако дальше всех со своими идеями пошли инженеры из Сандийской национальной лаборатории (Sandia National Laboratories). Какие только микроэлектромеханические системы они не выпускали! Это и зеркала, и трансмиссии, и даже микроскопические паровые двигатели. Словом, веселились как могли.
Трехцилиндровый паровой двигатель
Источник изображения
Трансмиссия
Источник изображения
Микродвигатель
Источник изображения
Дальнейший экономический рост Тенденция к росту рынка MEMS сохраняется уже несколько лет, и по прогнозам аналитиков в ближайшие годы рост продолжится еще более быстрыми темпами. По статистике французской компании Yole Developpement, финансовый показатель рынка микроэлектромеханических переключателей в 2013 году составил около 12 миллиардов долларов США, а уже в 2018 году он достигнет отметки в 22 миллиарда. Это означает, что в течение следующих пяти лет ежегодный рост рынка составит около 13%.
Прогнозируемый рост рынка MEMS
Источник изображения
Прирост во многом будет обеспечиваться ростом рынка планшетов и смартфонов. По прогнозам инженеров в ближайшие годы количество микроэлектромеханических систем в этих устройствах увеличится с 12 до 20. Крупные компании рассчитывают на то, что в потребительской электронике будут использовать МЭМС-модули автофокуса камеры, датчики давления, датчики влажности, девятиосевые сенсоры и некоторые другие чипы.
Кстати, лидером на рынке MEMS в 2013 году стала компания ST Microelectronics, которая поставляет свои чипы таким гигантам, как Apple и Samsung. На втором месте обосновалась компания Bosch, которая является основным поставщиком систем для автомобильной промышленности. Тройку лидеров с небольшим отрывом замкнула компания Texas Instrument.
Заключение Подводя небольшой итог, необходимо сказать, что MEMS — крайне интересная технология. Прежде всего потому, что столь маленькие по размерам устройства обеспечивают очень богатую функциональность в весьма разных сферах жизни. Это и потребительская электроника, и автомобильная промышленность, и медицина. Нет сомнений, что для развития MEMS сегодня складываются самые благоприятные условия. Оттого есть определенная уверенность, что в ближайшие годы мы увидим множество новых интересных MEMS-устройств.
Полный текст статьи читайте на Ferra.ru
