מה זה MEMS?
MEMS ראשי תיבות של “מערכות מיקרו-אלקטרו-מכניות”.
זוהי טכנולוגיה המשלבת מיקרו-אלקטרוניקה (מחקר וייצור של רכיבים ומעגלים אלקטרוניים זעירים)
עם אלמנטים מכניים כדי ליצור מכשירים או מערכות מיניאטוריות שיכולות לחוש, לשלוט או לתפעל תכונות ותופעות פיזיקליות.
התקני MEMS הם קטנים מאוד, עם רכיבים בקנה מידה מיקרומטר או מילימטר.
מכשירי MEMS נמצאים בשימוש נרחב ביישומים שונים, כולל:
חיישנים: חיישני MEMS יכולים למדוד פרמטרים פיזיים כגון תאוצה, לחץ, טמפרטורה ועוד.
חיישנים אלו משמשים במגוון רחב של מכשירים, מסמארטפונים דרך מערכות רכב ועד מכשירים רפואיים.
מפעילים: מפעילי MEMS הם מכשירים שיכולים להזיז או לתפעל אובייקטים פיזיים בקנה מידה קטן.
דוגמאות כוללות מיקרו-מראות המשמשות במקרנים דיגיטליים ומיקרו-שסתומים לשליטה בזרימת הנוזלים בהתקני מעבדה-על-שבב.
מיקרופונים: מיקרופונים של MEMS משמשים במוצרי אלקטרוניקה רבים, כולל טלפונים חכמים,
טאבלטים ומכשירים הנשלטים בקול.
מדפסות הזרקת דיו: חלק ממדפסות הזרקת דיו משתמשות בטכנולוגיית MEMS כדי לשלוט במדויק על זרימת טיפות הדיו.
גירוסקופים: גירוסקופים של MEMS משמשים ליישומי חישת תנועה וניווט, כגון ברחפנים,
אוזניות מציאות מדומה ומערכות מצלמות מייצבות.
רכיבי RF (תדר רדיו): טכנולוגיית MEMS משמשת ליצירת מתגי RF מיניאטוריים,
מסננים ותהודה עבור התקני תקשורת אלחוטיים.
מכשירים ביו-רפואיים: מכשירי MEMS משמשים ביישומים ביו-רפואיים שונים, כגון התקנים מיקרו-נוזליים לאבחון
מעבדה-על-שבב ומערכות אספקת תרופות.
טכנולוגיית MEMS מאפשרת מזעור של מערכות מכניות מורכבות, ומאפשרת ליצור מכשירים משולבים ויעילים ביותר
עם טביעות רגל קטנות.
לטכנולוגיה זו הייתה השפעה משמעותית על מגוון רחב של תעשיות, ושיפרה את הביצועים והפונקציונליות
של מוצרי צריכה ותעשייתיים רבים.
מי צריך MEMS?
MEMS נמצאת ביישומים בתעשיות שונות ומשמשות מגוון רחב של אנשי מקצוע וארגונים.
הנה כמה מהמגזרים וקבוצות האנשים הנהנים מטכנולוגיית MEMS:
יצרני מוצרי אלקטרוניקה: חברות המייצרות סמארטפונים, טאבלטים, מכשירים לבישים ומוצרי אלקטרוניקה אחרים
משלבות חיישני MEMS כמו מדי תאוצה, גירוסקופים ומיקרופונים
כדי לאפשר תכונות כגון חישת תנועה, זיהוי כיוון וזיהוי קול.
תעשיית הרכב: תחום הרכב משתמש בחיישני MEMS עבור יישומים כמו פריסת כריות אוויר, בקרת יציבות אלקטרונית,
ניטור לחץ אוויר בצמיגים ועוד.
מדי תאוצה וחיישני לחץ של MEMS ממלאים תפקיד מכריע בשיפור הבטיחות והביצועים של הרכב.
תעופה וחלל והגנה: טכנולוגיית MEMS משמשת ביישומי תעופה וחלל והגנה עבור מערכות ניווט אינרציאליות,
ניטור רעידות וחישת סביבה.
גירוסקופים ומד תאוצה MEMS נמצאים בשימוש נפוץ במל”טים (כלי טיס בלתי מאוישים), טילים ולוויינים.
שירותי בריאות ומכשירים רפואיים: מכשירי MEMS משמשים ביישומים רפואיים עבור כלי אבחון,
מערכות מתן תרופות ומכשירי ניטור.
התקני MEMS מיקרופלואידיים משמשים במערכות מעבדה-על-שבב לאבחון רפואי.
אוטומציה תעשייתית: תעשיות כמו ייצור ובקרת תהליכים משתמשות בחיישני MEMS כדי לנטר ציוד,
לזהות רעידות ולהבטיח מדידות מדויקות.
חיישני לחץ, מדי תאוצה וחיישני זרימה של MEMS משמשים במערכות אוטומציה תעשייתיות.
טלקומוניקציה: טכנולוגיית MEMS משמשת במתגי RF MEMS, מסננים ותהודה עבור התקני תקשורת אלחוטיים,
מה שמוביל לשיפור הביצועים והיעילות בציוד טלקומוניקציה.
מחקר ופיתוח: מדענים וחוקרים בתחומים שונים משתמשים במכשירי MEMS למטרות ניסוי, לרבות מיקרו-מראות לניסויים אופטיים,
מיקרו-נוזלים למחקרים ביולוגיים ומיקרו-אקטואטורים לבקרה מדויקת.
ניטור אנרגיה וסביבה: חיישני MEMS משמשים לניטור פרמטרים סביבתיים כגון איכות אוויר, ריכוזי גזים וטמפרטורה.
חיישנים אלו מסייעים בניטור סביבתי ובמאמצי שימור אנרגיה.
יישומי צרכנים: טכנולוגיית MEMS נמצאת במוצרי צריכה יומיומיים כגון בקרי משחקים, אוזניות מציאות מדומה,
שעונים חכמים ועוקבי כושר, היא משפרת את חוויות המשתמש ומאפשרת פונקציונליות מתקדמות.
יצרני MEMS: חברות המתמחות בתכנון וייצור של מכשירי MEMS נותנים מענה לצרכים של תעשיות שונות על ידי ייצור
חיישני MEMS, מפעילים ורכיבים אחרים בהתאמה אישית.
טכנולוגיית MEMS משרתת קשת רחבה של תעשיות ויישומים שבהם נדרשים חישה ובקרה מדויקים.
הרבגוניות ויכולת ההרחבה שלה הובילו לאימוץ נרחב, מה שהופך את MEMS לחלק בלתי נפרד
מטכנולוגיות ומערכות מודרניות רבות.
איך MEMS עובדת?
MEMS פועלת על ידי שילוב של מיקרו-אלקטרוניקה עם מבנים מכניים זעירים כדי ליצור מכשירים או מערכות שיכולים לחוש,
לתמרן או לשלוט בתופעות פיזיקליות.
להלן סקירה של אופן הפעולה של התקני MEMS:
ייצור: התקני MEMS מיוצרים באמצעות טכניקות ייצור מוליכים למחצה, בדומה לאלו המשמשות בייצור מעגלים משולבים (IC).
עם זאת, ייצור MEMS כולל הוספת רכיבים מכניים לפריסת הסיליקון, יצירת מבנים זעירים בקנה מידה מיקרומטר או מילימטר.
מיקרו-אלקטרוניקה: התקני MEMS כוללים מיקרו-אלקטרוניקה משולבת, כגון טרנזיסטורים, לעיבוד והעברת נתונים.
רכיבים אלקטרוניים אלו מחוברים למבנים המכניים וניתן להשתמש בהם כדי לשלוט או לקרוא את הפלט של החיישן.
חישה או הפעלה: התקני MEMS יכולים לשמש כחיישנים או מפעילים, בהתאם למטרה שלהם.
להלן שני סוגים נפוצים:
חיישנים: חיישני MEMS נועדו לזהות ולמדוד פרמטרים פיזיים כמו תאוצה, לחץ, טמפרטורה או לחות.
הם פועלים על ידי המרת הקלט הפיזי לאות חשמלי.
לדוגמה, מד תאוצה בסמארטפון יכול למדוד שינויים בתנועה והטיה על ידי זיהוי שינויים בקיבול
או בהתנגדות כאשר מבנים מכניים זעירים נעים בתגובה לתאוצה.
מפעילים: מפעילי MEMS משמשים ליצירת תנועה פיזית או מניפולציה של אובייקטים בקנה מידה קטן.
לדוגמה, מיקרו-מראות במקרנים דיגיטליים הם מפעילי MEMS שיכולים להטות או להסתובב כדי לכוון קרני אור,
וליצור תמונות על המסך.
מפעילים יכולים להיות מונעים על ידי אותות חשמליים לביצוע פעולות ספציפיות.
בקרה ועיבוד אותות: התקני MEMS כוללים מעגלי בקרה ורכיבי עיבוד אותות המנהלים את הנתונים שנוצרים
על ידי החיישן או המפעיל.
עבור חיישנים, האותות החשמליים מעובדים כדי לחלץ מידע משמעותי, בעוד עבור מפעילים,
מעגלי הבקרה קובעים כיצד האלמנטים המכניים צריכים לנוע.
אינטגרציה: התקני MEMS משולבים מאוד, כלומר הן המיקרואלקטרוניקה והן הרכיבים המכניים משולבים על שבב או מצע בודד.
אינטגרציה זו מאפשרת מערכות קומפקטיות ויעילות עם שליטה מדויקת.
אריזה: התקני MEMS מכוסים באריזת מגן כדי להגן עליהם מפני גורמים סביבתיים כגון לחות, אבק ונזקים פיזיים.
האריזה כוללת גם מחברים לחיבורים חיצוניים.
פלט: הפלט של חיישני MEMS הוא בצורה של אותות חשמליים, אותם ניתן לעבד,
לנתח ולהשתמש בהם עבור יישומים שונים.
לדוגמה, ניתן להשתמש בפלט ממד תאוצה MEMS בסמארטפון כדי לזהות שינויים בכיוון המסך.
טכנולוגיית MEMS ממנפת את העקרונות של ייצור מיקרו ומיקרואלקטרוניקה כדי ליצור מכשירים קטנים ופונקציונליים ביותר
המסוגלים לחוש, להפעיל ולבקר.
להתקנים אלה יש מגוון רחב של יישומים בתעשיות שונות בשל גודלם הקטן, הדיוק והרבגוניות שלהם.
יישום MEMS
היישום של MEMS כולל מספר שלבים, מתכנון וייצור ועד לשילוב ביישומים ספציפיים.
להלן סקירה כללית של תהליך יישום MEMS:
קונספט ועיצוב:
זהה את היישום הספציפי או את הצורך במכשיר MEMS.
הגדר את הדרישות והמפרטים עבור מכשיר ה-MEMS, כולל גודלו, רגישותו, צריכת החשמל ופרוטוקולי התקשורת שלו.
צור עיצוב קונספטואלי של מכשיר ה-MEMS, כולל המבנה המכאני, חיישנים, מפעילים ורכיבים אלקטרוניים.
ייצור MEMS:
השתמש בטכניקות מיקרו-ייצור, המבוססות על תהליכי ייצור מוליכים למחצה,
כדי ליצור את המבנים הפיזיים של מכשיר ה-MEMS על פרוסות סיליקון.
תהליך זה כולל פוטוליתוגרפיה, תחריט, שיקוע ושלבי ייצור מוליכים למחצה אחרים
ליצירת המיקרו-מבנים ושילוב רכיבים אלקטרוניים.
בדיקה ואפיון:
ערכו בדיקות ואפיון נרחבות של מכשירי ה-MEMS המיוצרים כדי להבטיח שהם עומדים בקריטריונים של הביצועים שצוינו.
בדיקה כוללת מדידת רגישות חיישנים, תגובת מפעיל, צריכת חשמל ופרמטרים רלוונטיים אחרים.
אריזה:
ארוז את מכשירי ה-MEMS כדי להגן עליהם מפני גורמים סביבתיים כגון לחות, אבק ונזקים פיזיים.
האריזה כוללת מחברים לממשק חיצוני ושכבות הגנה נוספות.
שילוב:
שלב את מכשיר ה-MEMS באפליקציה או במערכת היעד.
זה כרוך בעיצוב ממשקים מותאמים אישית ובקרה אלקטרונית כדי להתחבר ולתקשר עם מכשיר ה-MEMS.
ודא שהתקן ה-MEMS מיושר ומכויל כהלכה בתוך המערכת.
עיבוד אותות ובקרה:
יש לפתח או ליישם אלגוריתמים לעיבוד אותות ואסטרטגיות בקרה לניהול הנתונים שנוצרו על ידי חיישן ה-MEMS או המפעיל.
שלב זה כולל טכניקות עיבוד אותות אנלוגיות ודיגיטליות, כמו גם שימוש במיקרו-בקרים או מעגלים משולבים ייעודיים (IC).
בדיקה ואימות:
בצע בדיקה ותיקוף מקיפים של מערכת ה-MEMS המשולבת בתנאים אמיתיים כדי להבטיח שהיא עומדת בדרישות האפליקציה.
ייתכן שיהיה צורך בכיול וכיוונון עדין כדי לייעל את הביצועים.
פריסה:
לאחר שמערכת ה-MEMS מאומתת ומוכנה, ניתן לפרוס אותה באפליקציה או בשוק המיועדים לה.
ניתן לקבוע נוהלי ניטור ותחזוקה כדי להבטיח את המשך הפונקציונליות והאמינות של מכשיר ה-MEMS לאורך זמן.
שיקולים רגולטוריים:
ליישומים ושווקים שונים יש דרישות רגולטוריות, בטיחות והסמכה ספציפיות שיש להתייחס אליהן במהלך היישום.
יש לקחת בחשבון גם שיקולי מדרגיות ייצור ועלויות, במיוחד לייצור המוני.
משוב ואיטרציה:
בצע איסוף משוב ממשתמשים באופן רציף ומעקב אחר הביצועים של מכשירי MEMS בשטח.
השתמש במשוב זה כדי לבצע שיפורים, לחזור על עיצובים ולפתח פתרונות MEMS לדור הבא.
היישום של טכנולוגיית MEMS יכול להיות מורכב ורב תחומי, ולכלול מומחיות בייצור מיקרו, אלקטרוניקה,
פיתוח תוכנה וידע ספציפי ליישום.
חיוני לשתף פעולה עם מומחים בתחומים אלה כדי להביא בהצלחה מכשירי MEMS לשוק ולעמוד בדרישות של יישומים שונים.
עלויות MEMS
העלות של MEMS (מערכות מיקרו-אלקטרו-מכניות) משתנה באופן משמעותי בהתאם למספר גורמים, כולל מורכבות המכשיר,
תהליך הייצור בו נעשה שימוש, החומרים המעורבים, נפח הייצור והיישום הספציפי.
להלן כמה גורמים מרכזיים המשפיעים על העלות של MEMS:
מורכבות ועיצוב: למורכבות מכשיר ה-MEMS, כולל מספר החיישנים, המפעילים והמורכבות של המבנים המכניים,
יש השפעה משמעותית על העלות.
עיצובים מורכבים יותר דורשים תהליכי ייצור מתקדמים יותר וכוללים שלבי בדיקה וכיול נוספים.
חומרים: בחירת החומרים לייצור MEMS יכולה להשפיע על העלויות.
חומרים מסוימים, כגון סיליקון, נמצאים בשימוש נפוץ בייצור MEMS והם חסכוניים יחסית בשל תהליכים מבוססים
ויתרונות קנה מידה.
עם זאת, שימוש בחומרים מיוחדים או ציפויים יכולים להגדיל את העלויות.
תהליך ייצור: התקני MEMS מיוצרים תוך שימוש בתהליכי ייצור מוליכים למחצה, שעלולים להיות יקרים להקמה ולתחזוקה.
הבחירה בתהליך הייצור, כגון מיקרו-עיבוד בכמויות גדולות, מיקרו-עיבוד משטחים, או LIGA (ליטוגרפיה, חילול ודפוס),
יכולה להשפיע על העלויות.
נפח ייצור: יתרונות קנה מידה ממלאים תפקיד משמעותי בעלויות MEMS.
ייצור המוני של מכשירי MEMS יכול להפחית משמעותית עלויות ליחידה בהשוואה לייצור בקנה מידה קטן או מותאם אישית.
ייצור בנפח גבוה יכול לפזר את עלויות ההתקנה והכלים הראשוניות.
בדיקות ובקרת איכות: הליכי בדיקות ובקרת איכות קפדניים חיוניים כדי להבטיח את האמינות והביצועים של מכשירי MEMS.
נהלים אלה מוסיפים לעלות הכוללת, אך הם נחוצים כדי לעמוד בתקני איכות.
אריזה: האריזה של מכשירי MEMS יכולה להשתנות במורכבות, ופתרונות אריזה מתקדמים יותר מייקרים עלויות.
אריזה פשוטה מספיקה עבור יישומים מסוימים, בעוד שאחרים דורשים איטום הרמטי או ציפוי מגן מיוחד.
התאמה אישית: התקני MEMS בעיצוב מותאם אישית המותאמים ליישומים ספציפיים כרוכים בעלויות פיתוח נוספות
בהשוואה לרכיבי MEMS סטנדרטיים.
תאימות לתקנות: בהתאם לאפליקציה, ייתכן שמכשירי MEMS יצטרכו לעמוד בתקנות ובתקנים ספציפיים לתעשייה.
הבטחת תאימות יכולה לכלול בדיקות, הסמכה ותיעוד נוספים, שיכולים להגדיל את העלויות.
מו”פ וקניין רוחני: עלויות הקשורות למחקר ופיתוח, כולל יצירת אב טיפוס, איטרציות עיצוביות ושיקולי קניין רוחני,
יכולות לתרום לעלות הכוללת של פרויקט MEMS.
חשוב לציין כי העלות של טכנולוגיית MEMS ירדה עם הזמן, ככל שטכניקות הייצור השתפרו ויתרונות קנה מידה מומשו.
חיישני MEMS, למשל, הפכו לזולים יותר ונמצאים בשימוש נרחב במוצרי אלקטרוניקה.
בנוסף, התקדמות בטכנולוגיות ייצור, כגון הדפסת תלת מימד וייצור תוסף,
מתחילות להשפיע על העלות והנגישות של ייצור MEMS.
כאשר בוחנים את העלות של הטמעת טכנולוגיית MEMS באפליקציה ספציפית,
חיוני לבצע ניתוח עלויות מפורט שלוקח בחשבון את כל הגורמים הרלוונטיים ולבחון אפשרויות לאופטימיזציה
של תהליכי התכנון והייצור כדי לעמוד במגבלות התקציב.
שאלות ותשובות בנושא MEMS
ש: דוגמאות נפוצות של התקני MEMS
ת: דוגמאות נפוצות כוללות מדי תאוצה, גירוסקופים, חיישני לחץ, מיקרופונים ומיקרו מראות המשמשים ביישומים שונים
כמו סמארטפונים, מערכות רכב ומכשירים רפואיים.
ש: אילו יתרונות מציעים מכשירי MEMS?
ת: התקני MEMS מציעים יתרונות כמו גודל קטן, צריכת חשמל נמוכה, דיוק גבוה ויכולת לשלב מספר פונקציות בשבב אחד.
הם גם חסכוניים בייצור בנפח גבוה.
ש: האם התקני MEMS ניתנים להתאמה אישית עבור יישומים ספציפיים?
ת: כן, ניתן להתאים מכשירי MEMS עבור יישומים ספציפיים.
ניתן לבצע שינויים והתאמת עיצוב כדי לעמוד בדרישות של תעשיות שונות ומקרי שימוש.
ש: אילו אתגרים קשורים לייצור ויישום MEMS?
ת: האתגרים כוללים הבטחת תפוקה גבוהה במהלך הייצור, שמירה על כיול ואמינות מדויקים,
והתייחסות לדרישות הרגולציה וההסמכה בתעשיות מסוימות.
ש: כיצד התפתחה טכנולוגיית MEMS?
ת: טכנולוגיית MEMS התפתחה להיות ממוזערת, יעילה וחסכונית יותר.
התקדמות טכניקות וחומרי ייצור הרחיבו את יישומיה בתחומים שונים.
ש: מהן המגמות המתפתחות בטכנולוגיית MEMS?
ת: מגמות מתפתחות כוללות שילוב של MEMS עם טכנולוגיות אחרות כמו AI ו-IoT, פיתוח מערכות אנרגיה מבוססות MEMS,
ושימוש ב-MEMS במכשירי בריאות וציוד לביש מהדור הבא.
ש: כיצד משפיעה טכנולוגיית MEMS על עתיד האלקטרוניקה וההנדסה?
ת: טכנולוגיית MEMS צפויה להמשיך לייצר חדשנות בתחום האלקטרוניקה וההנדסה על ידי הפעלת מכשירים קטנים,
חכמים ויעילים יותר עבור מגוון רחב של יישומים, ובסופו של דבר לשפר את איכות החיים ואת תהליכי התעשייה.
