[التكنولوجيا والمستقبل] العالم العظيم من أجهزة الاستشعار الذكي

ECOVACS

إن شراء هاتف ذكي جديد ليس أبسط من أي وقت مضى ، وفي الغالب لا يكون اختيار الجهاز المثالي لاحتياجاتنا من الدافع ولكنه يمر عبر اختيار التصميم ، و SoC ، والبطارية والعديد من الميزات الأخرى. هناك مكونات ، ومع ذلك ، هي كذلك أساسي لعمل جهازنا عندما يتجاهله عامة الناس: أجهزة الاستشعار.

كم هو مريح ، على سبيل المثال ، جهاز بدون دوران الشاشة التلقائي؟ وكيف سيكون الهاتف الذكي بدونه ميكروفون, نظام تحديد المواقع جي بي اس, مستشعر القرب o بوصلة؟ لذلك ستكون قد فهمت أن المستشعرات مرتبطة ارتباطًا وثيقًا بالروح "الذكية" لأجهزتنا ، وأنه بدونها حتى أقوى محطة طرفية ستكون poco أكثر فائدة من الآلة الحاسبة.

البوصلة الذكية
http://www.androidviews.com/wp-content/uploads/2012/04/smart-compass.jpg

بعد أن خصص مساحة واسعة الى الكاميرا في المقالات السابقة (المستشعر الوحيد الذي يحظى باعتبارات معينة بين المستهلكين) ، لذلك سندخل اليوم إلى عالم المستشعرات العظيم ، وسنصف عملية الإنتاج من MEMS وسوف نقوم بتحليل عملية من تلك الموجودة حاليا على نطاق أوسع. يوم الخميس ، ومع ذلك ، سننشر كالعادة مقال مخصص ل المزيد من التقنيات المبتكرة، مع اهتمام خاص لأجهزة الاستشعار لرصد الصحةمن أمن وإلى العلامات التجارية الجديدة NEMS.

MEMS: أجهزة الاستشعار (وليس فقط) في تنسيق مضغوط

هواتفنا الذكية ، كما قلنا ، تضم عددًا كبيرًا جدًا من أجهزة الاستشعار. ومع ذلك ، فإن أي شخص سبق له متابعة عملية التمزيق يعرف أن معظم هذه المكونات لا يمكن تمييزها ، للعين عديمة الخبرة ، عن الشرائح المختلفة التي تملأ اللوحة الأم.

في الواقع ، قبل تطور سوق الهواتف الذكية بوقت طويل ، شعرت الصناعة بالحاجة إلى تصميم المزيد والمزيد من الآلات صغيرة وخفيفة، تم بناؤه بنفس التقنيات المستخدمة في إنتاج الدوائر المتكاملة وبالتالي ، بسهولة للتكامل في الأخير. أدت هذه الحاجة إلى تطوير الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة (ممس)، النظم الميكانيكية المدمجة تتألف من عناصر الأبعاد في ترتيب ميكرومتر (واحد من الألف من المليمتر).

مقياس التسارع memometer
https://memsblog.files.wordpress.com/2011/01/chipworks51.jpg

تنتمي الكثير من المستشعرات المستخدمة حاليًا في قطاع الهاتف المحمول إلى فئة MEMS وتتم طباعتها من خلال litografia على دعم السيليكون مع أجزاء في البوليمرات, مواد خزفية e المعادن. أكثر عمليات الطباعة الحجرية انتشارًا اليوم ، على وجه الخصوص ، هي من النوع حجم متناهي الصغرالمساحة متناهي الصغر e الدوري الاسباني.

تعتبر عمليات الإنتاج من النوع السائب هي الأكثر شيوعًا لبناء الآلات البسيطة ، وتدين شعبيتها بحقيقة أنها راسخة (لقد كانت كذلك) الأولى لتظهر في السوق) أد اقتصادي. يتم إنشاء الأجزاء الميكانيكية في هذه الحالة إزالة انتقائي المواد إلى الركيزة ، والتي هي "حفر" خلال عملية الطباعة الحجرية.

الجزء الأكبر
https://www.elprocus.com/wp-content/uploads/2013/09/Bulk-Micromachining-Technique-Involving-Photolithography.jpg

النسخة الأكثر شيوعا من هذه التكنولوجيا توفر على وجه الخصوص أن قرص السيليكون لطباعة ، قال رقاقةرقيقة مغطاة طبقة من المواد العازلة (عادة ثاني أكسيد السيليكون). هذه الطبقة الأخيرة ، إذن ، ستتم حمايتها بواسطة ملف مركب حساس للضوء قول مقاومة للضوء والتي يمكن تقويتها أو إضعافها بالتعرض للضوء (مقاومة سلبية أو إيجابية).

في هذه المرحلة انها مشاريع نفسها من خلال واحد قناع النمط المراد حفره ، يتم تطوير مقاوم الضوء وتعريض الرقاقة بأكملها حامض. وفقًا لنوع المقاومة ، سيتم مهاجمة الأجزاء التي تعرضت للضوء فقط أو تلك الموجودة في الظل فقط من قبل الحمض ، من أجل الحصول على إزالة انتقائية من الركيزة. ثم يتم التخلص من مقاوم الضوء المتبقي ، وإذا لزم الأمر ، تتكرر دورة الطباعة الحجرية أو نعم هم يجمعون رقائق مختلفة للحصول على بنيات 3D.

الجزء الأكبر-1

بالطبع لقد وصفنا فقط إحدى الطرق الممكنة للإنتاج بالجملة ، وهناك العديد من الاختلافات حول الموضوع التي توحدها فقط حقيقة أن يتم وضع الهيكل النهائي داخل الركيزة. من ناحية أخرى ، توفر عملية Surface Micromachining الطريق المعاكس تراكب طبقات جديدة إلى الأساسيات وذلك لبناء العناصر الميكانيكية فوق الركيزة.

في الواقع ، في هذه التقنية ، يبدأ نمو النظم الكهروميكانيكية الصغرى (MEMS) بالترسيب الكيميائي لطبقة مؤقتة (عادةً أكسيد السيليكون) ، تسمى قربان، والتي سيتم نقشها بنفس تقنيات الطباعة الحجرية المستخدمة في العملية الضخمة (في الواقع ، تتم إزالة المادة في هذه الحالة غالبًا عبر الأيونات ، ولكن التغييرات poco). في هذه المرحلة ، من الممكن تكرار العملية بطبقة جديدة (تعتمد عادةً على السيليكون أو المعادن أو البوليمرات) ، هيكلية. ستتبع هذه الطبقة صورة الطبقة القربانية التي ستتم إزالتها في نهاية العملية.

سطح

أخيرًا ، توفر تقنية LIGA (اختصار ألماني للطباعة الحجرية ، والترسب الإلكتروليتي والقولبة) النمو على الركيزة المعدنية (عادةً تيتانيوم أو نحاس أو ألومنيوم) لهياكل عالية التحديد باستخدام حمام كلفاني. مرة أخرى ، يتم إعادة إنشاء النموذج من خلال الطباعة الحجرية ، وعلى وجه الخصوص باستخدام واحدة طبقة بوليمرية (غالبًا بولي ميثيل ميثاكريلات) الذي يتعرض له أشعة سينية o ضوء الأشعة فوق البنفسجية. البوليمرات تأخذ على وظيفة مقاومة للضوء، تاركاً الجزء الوحيد الذي يتم إخضاعه للترسيب الكهربائي ، وأخيراً يتم إزالته بواسطة مذيبات كيميائية.

عصبة
https://www.mems-exchange.org/images/about_mems/liga_steps.png

عملية الإنتاج الأخيرة هذه لا تصدق متعدد الجوانب ولكن ، للأسف ، لا يزال حتى اليوم poco واسع الانتشار بسبب تكلفته العالية. من ناحية أخرى ، يتم إنتاج معظم المستشعرات التي نحن بصدد تحليلها بنظام سائب أو نظام سطحي ، ولذلك فقد ذكرنا هذه التقنية فقط من أجل اكتمالها.

الميكروفون MEMS

الآن وقد أوضحنا كيف يمكن بناء أنظمة ميكانيكية معقدة في بضعة ميكرونات، يمكننا أخيرا أن نكرس أنفسنا لتحليل تلك المحسات كثيرا حاجة لحسن سير عمل هواتفنا الذكية. المركز الأول في قائمة الأساسيات ، بالطبع ، يحتله ميكروفون، المكون الذي يعتني بتحويل صوت في الإشارات رقمي تنتقل بسهولة ويمكن فهمها بواسطة أجهزتنا.

في الواقع ، دمج الميكروفونات MEMS الحالية في داخل كل من المستشعر نفسه و ADC (محول تناظري رقمي) ، أي الدائرة التي تعتني بتحويل الإشارة الكهربائية التي ينتجها المستشعر إلى تنسيق رقمي. هذه الميزة ملائمة بشكل خاص لأنها تبسط في جزء منها بنية مقصورة الصوت المدمجة في SoC ، وقبل كل شيء ، يقلل من حدوث التداخل والضوضاء.

ميكروفون

دعونا نعود إلى المستشعرات ، التي دائما ما تكون من هذا النوع مكثف وتشغيل ، وبالتالي ، تحويلها اهتزازات الصوت في اختلاف قدرة (يمكن قياسه كهربائيا بسهولة) من نظام يتكون من الحجاب الحاجز المحمول ودرع ثابت. في الإصدار الأكثر شيوعًا اليوم ، الأولى عبارة عن طبقة رقيقة من الألومنيوم المثقوب ، بينما تتكون الثانية من طبقة سيليكون مخدرة (التي تحتوي على شوائب تجعلها موصل).

بالطبع هذا النموذج البسيط ليس الوحيد القابل للاستخدام ، وهناك أيضا ميكروفونات تقوم على مبادئ فيزيائية أخرى (مثل تلك كهرضغطية و piezoresistive). ومع ذلك ، فإن معظم الهواتف الذكية الموجودة في السوق تستخدم بعض أنواع هذه التقنية نظرًا لوجودها تكلفة إنتاج منخفضة وخصائص صوتية ممتازة.

أجهزة استشعار الحركة: التسارع والجيروسكوب

إذا كان صحيحًا أن الميكروفون ضروري للوظيفة الأساسية لهواتفنا الذكية ، فمن الصحيح أيضًا أن أجهزة الاستشعار المستخدمة على نحو أكثر تواترا هم في الواقع تلك الحركة. بدون مقياس التسارع ، على سبيل المثال ، لن يكون من الممكن الحصول على دوران تلقائي للشاشة ، بينما بدون الجيروسكوب لن نتمكن من استخدام معظم ألعاب الهواتف الذكية الحالية وأنظمة التثبيت البصري للكاميرات. أخيرًا ، يعد التعاون بين هذين المكونين ضروريًا لاستخدام جميع التطبيقات الرياضية (حساب الخطوات وتمارين المراقبة ...) ويزيد من موثوقية أنظمة الملاحة عبر الأقمار الصناعية.

من المحتمل أن الكلمات "التسارع" و "الجيروسكوب" للعديد من القراء سوف تتذكر المكافئ المعيارية ، والتي يمكن أن تتكون في أبسط أشكالها على التوالي من خلال كتلة مرتبطة المقوى أداة (زنبرك معاير) وبجسم يدور على محور. في الحالة الأولى ، في الواقع قانون نيوتن يضمن المراسلات بين القوة (يقيس من قبل الدينامومتر) والتسارع ، بينما في الثانية يأتي دور اللعب الحفاظ على الزخم الزاوي.

جيروسكوب
http://www.museocrescenzipacinotti.it/foto/0040%20-%20Giroscopio%20di%20Bohnenberger.jpg

في الحالة المجهرية ، لا تختلف مبادئ تشغيل مقياس التسارع كثيرًا ، ويتوقعون أن كتلة القصور الذاتي متصل بشكل مرن لبقية الشريحة. سيكون لهذه الكتلة بعد ذلك نتوءات موصلة ، يتم إدخاله بين ألواح المكثفسيغيرون السعة حسب موقعهم. يصبح بهذه البساطة قياس تشريد الكتلة عينة مقارنة الشريحة ، ومعرفة ثابت داعم من الدعامات ، وتسارع الهاتف الذكي بأكمله.

هذا النموذج البسيط حساس للحركة فقط على طول أحد المحاور ، لكن باستخدام المزيد من الجماهير من الممكن إنشاء مقياس التسارع الذي يمكن قياسه على جميع المحاور. من الواضح أن الشريحة تتضمن أيضًا ADC الذي يحول الإشارة الكهربائية التناظرية إلى إشارة رقمية.

التسارع
http://www.instrumentationtoday.com/wp-content/uploads/2011/08/MEMS-Accelerometer.jpg

لكن الأمر الأكثر تعقيدًا هو المبدأ الذي يقوم عليه عمل الجيروسكوبات. تقنية MEMS ، في الواقع ، هي poco مناسب لبناء الأجسام التي يجب أن تدور على محور ، وبالتالي لا يمكن الاعتماد على الحفظ البسيط للزخم الزاوي. لذلك ، تعتمد معظم الجيروسكوبات المستخدمة في قطاع الهواتف الذكية مرة أخرى على قياس القوة عبر نفس الطريقة السعوية التي رأيناها لمقياس التسارع.

عندما يدور المستشعر ، في الواقع ، تظهر قوى ظاهرة ، بسبب حقيقة أن النظام المرجعي للرقاقة ليس بالقصور الذاتي. عن طريق قياس قوة كوريوليس للكتلة المهتزة ، على وجه الخصوص ، من الممكن اشتقاق الدوران الذي تسبب في هذه القوة بشكل غير مباشر. الجيروسكوبات من هذا النوع غالبًا ما تكون آلهة شوكة ضبط مجهرية وكما هو معتاد ، يمكن أن يكون استخدام كتل عينة مختلفة حساسًا للتناوب بالنسبة لكل محور.

الدوران شوكة الدوران

نظرًا لأن مقاييس التسارع والجيروسكوبات MEMS تشترك في العديد من مبادئ التشغيل ، فغالبًا ما يتم دمجها على نفس الشريحة لتوفير جميع المعلومات المتعلقة بالحركة المفيدة لهاتفنا الذكي في حل واحد.

مقياس المغنطيسية ومقياس الحرارة

بناء المقاييس المغناطيسية MEMS فمن الممكن استغلال قوة لورنز (التي تعمل على سبيل المثال في حلقة مجهرية سافر التيار) ، ولكن وجود تقنيات بديلة ل تكلفة منخفضة (أقل من دولار واحد لكل مستشعر) حتى الآن حد من انتشار هذه الحلول. إن غالبية مقاييس المغنطيسية تعتمد على وجود المواد magnetoresistive، أي تغيير هذا ملكهم المقاومة الكهربائية في وجود مجال مغناطيسي.

هذه المستشعرات اتجاهية للغاية ، وبالتالي فهي حساسة فقط على طول أحد المحاور. أيضًا في هذه الحالة ، سيكون من الضروري استخدام خيوط مختلفة من المواد المغناطيسية المقاومة لكل مستشعر ، من أجل الحصول على معلومات حول المحاور الثلاثة.

الثرمستور
http://icrontic.com/images/draco/articles/htpc_home_entertainment_pc_part_4_assembly/thermistor.jpg

بطريقة مماثلة ، إذن ، تتم قراءة درجة الحرارة بواسطة هواتفنا الذكية. في هذه هناك في الواقع أ الثرمستور، وهذا هو ، مادة تختلف مقاومتها على أساس درجة الحرارة. هذه العناصر يمكن أن تكون صغيرة الحجم ، لدرجة أنها عادة ما تكون متكامل بالقرب من البطارية وداخل شركة نفط الجنوب لمراقبة أي ارتفاع درجة الحرارة.

أجهزة استشعار الضوء والقرب

أخيرًا ، لنختتم هذا المقال عن عالم المستشعرات بالحديث عنه الاستشعار البصرية التي هي في قاعدة قياس شدة الضوء وتحديد القرب. في الواقع ، تستخدم معظم الهواتف الذكية الحديثة وحدة واحدة للكشف عن هذه الكميات ، بناءً على وجود اثنين فوتوديوديس و الصمام الأشعة تحت الحمراء.

الثنائي الضوئي ، على وجه الخصوص ، هو واحد تقاطع pn من أشباه الموصلات التي ، مستقطبة عكسيا ، إنه يولد تيارًا إذا أصابته فوتونات. هذا التيار ، بالطبع ، هو تتعلق كثافة ضوء الحادث، والتي ستكون قابلة للقياس بسهولة.

قرب
http://m.eet.com/media/1051336/C0431-Figure2.gif

باستخدام الثنائي الضوئي الثاني الحساسة فقط للضوء الأشعة تحت الحمراء و LED الذي ينبعث بشكل حصري في تلك المنطقة من الطيف ، إذن ، يمكنك أيضًا الحصول على معلومات حول القرب. قياس كمية انعكاسات الأشعة تحت الحمراء في الواقع ، من الهيئات المجاورة ، يمكن للميكروكونترولر المدمج في الوحدة النمطية حساب بعدهم وإذا كان ذلك مناسبًا ، أبلغ الهاتف الذكي بأن شيئًا ما قد دخل منطقة القرب. سيقوم الجهاز بعد ذلك بتفسير المعلومات الواردة والعمل على أساس الوظائف المستخدمة في ذلك الوقت (الهاتف ، والملاحة ، وإيقاف الشاشة ...).

من خلال هذا المكون ، انتهينا للتو من قائمة أجهزة الاستشعار التي لا يمكن تجنبها في كل جهاز (سنتحدث بتعمق عن أنظمة تحديد المواقع عبر الأقمار الصناعية في مناسبة أخرى). إذا كنت تحب هذا الجزء الأول من الرحلة لا تفوت المقالة الخميس المقبل ، حيث سنتحدث من بين أمور أخرى عنها الصحة, أمن, بيئة, NEMS وأجهزة الاستشعار البيولوجي!