- एमईएमएस उपकरण और अनुप्रयोग
- एमईएमएस एक्सेलेरोमीटर
- एमईएमएस दबाव सेंसर
- एमईएमएस माइक्रोफोन
- एमईएमएस मैग्नेटोमीटर
- एमईएमएस जाइरोस्कोप
एमईएमएस माइक्रो-इलेक्ट्रो-मैकेनिकल सिस्टम के लिए खड़ा है और यह माइक्रोमीटर-आकार के उपकरणों को संदर्भित करता है जिसमें इलेक्ट्रॉनिक घटक और यांत्रिक चलती भागों दोनों होते हैं। MEMS उपकरणों को उन उपकरणों के रूप में परिभाषित किया जा सकता है जिनके पास हैं:
- माइक्रोमीटर में आकार (100 माइक्रोमिटर से 1 मिलियनमीटर)
- प्रणाली में विद्युत प्रवाह (विद्युत)
- और इसके अंदर के पुर्जे चलते हैं (यांत्रिक)
नीचे एक खुर्दबीन के नीचे एमईएमएस डिवाइस के यांत्रिक भाग की छवि है। यह आश्चर्यजनक नहीं लग सकता है, लेकिन क्या आप जानते हैं कि गियर का आकार 10micometer है, जो मानव बाल का आधा आकार है। इसलिए यह जानना काफी दिलचस्प है कि इस तरह की जटिल संरचनाएं केवल कुछ मिलीमीटर में चिप-आकार में कैसे एम्बेडेड होती हैं।
एमईएमएस उपकरण और अनुप्रयोग
इस तकनीक को पहली बार 1965 में पेश किया गया था, लेकिन बड़े पैमाने पर उत्पादन 1980 तक शुरू नहीं हुआ है। वर्तमान में, 100billion MEMS से अधिक डिवाइस वर्तमान में विभिन्न अनुप्रयोगों में सक्रिय हैं और इन्हें मोबाइल फोन, लैपटॉप, जीपीएस सिस्टम, ऑटोमोबाइल, आदि में देखा जा सकता है।
एमईएमएस प्रौद्योगिकी कई इलेक्ट्रॉनिक घटकों में शामिल है और उनकी संख्या दिन-प्रतिदिन बढ़ रही है। सस्ते एमईएमएस उपकरणों को विकसित करने में प्रगति के साथ, हम उन्हें भविष्य में कई और अनुप्रयोगों को लेते हुए देख सकते हैं।
जब तक एमईएमएस प्ले में नहीं आएगा, तब तक एमईएमएस उपकरण सामान्य उपकरणों की तुलना में बेहतर प्रदर्शन करते हैं। एमईएमएस प्रौद्योगिकी में सबसे उल्लेखनीय तत्व माइक्रो सेंसर और माइक्रो एक्ट्यूएटर हैं जिन्हें ट्रांसड्यूसर के रूप में उचित रूप से वर्गीकृत किया गया है। ये ट्रांसड्यूसर ऊर्जा को एक रूप से दूसरे रूप में परिवर्तित करते हैं। माइक्रोसेंसर के मामले में, डिवाइस आमतौर पर एक मापा यांत्रिक संकेत को एक विद्युत संकेत में परिवर्तित करता है और एक माइक्रोएक्ट्यूटर एक विद्युत संकेत को यांत्रिक उत्पादन में परिवर्तित करता है।
एमईएमएस प्रौद्योगिकी पर आधारित कुछ विशिष्ट सेंसर नीचे दिए गए हैं।
- accelerometers
- दबाव सेंसर
- माइक्रोफ़ोन
- मैग्नेटोमीटर
- जाइरोस्कोप
एमईएमएस एक्सेलेरोमीटर
डिजाइन में जाने से पहले, एमईएमएस एक्सेलेरोमीटर डिजाइन करने में इस्तेमाल किए गए कार्य सिद्धांत पर चर्चा करें और इसके लिए नीचे दिखाए गए एक बड़े पैमाने पर वसंत सेट पर विचार करें।
यहां एक द्रव्यमान को एक बंद स्थान में दो स्प्रिंग्स के साथ निलंबित कर दिया गया है और सेटअप को आराम पर माना जाता है। अब यदि शरीर अचानक आगे बढ़ने लगता है तो शरीर में निलंबित द्रव्यमान एक पिछड़े बल का अनुभव करता है जो इसकी स्थिति में विस्थापन का कारण बनता है। और इस विस्थापन के कारण स्प्रिंग्स नीचे दिखाए गए अनुसार विकृत हो जाते हैं।
कार, बस, और ट्रेन आदि जैसे किसी भी चलने वाले वाहन में बैठते समय यह घटना हमारे द्वारा अनुभव की जानी चाहिए, इसलिए इसी घटना का उपयोग एक्सेलेरोमीटर को डिजाइन करने में किया जाता है।
लेकिन द्रव्यमान के बजाय, हम प्रवाहकों से जुड़े एक चलती हुई भाग के रूप में प्रवाहकीय प्लेटों का उपयोग करेंगे। पूरा सेटअप नीचे दिखाया गया है।
आरेख में, हम शीर्ष चलती प्लेट और एक निश्चित प्लेट के बीच समाई पर विचार करेंगे:
सी 1 = ई 0 ए / डी 1
जहाँ d 1 उनके बीच की दूरी है।
यहाँ हम देख सकते हैं कि कैपेसिटेंस C1 वैल्यू प्लेट को हिलाने वाली प्लेट और निश्चित प्लेट के बीच की दूरी के विपरीत आनुपातिक है।
नीचे चलती प्लेट और निश्चित प्लेट के बीच समाई
सी 2 = ई 0 ए / डी 2
जहाँ d 2 उनके बीच की दूरी है
यहां हम देख सकते हैं कि कैपेसिटेंस सी 2 मान नीचे की ओर बढ़ने वाली प्लेट और निश्चित प्लेट के बीच की दूरी के विपरीत आनुपातिक है।
जब शरीर विश्राम पर होता है तो ऊपर और नीचे दोनों प्लेटें तय प्लेट से समान दूरी पर होंगी इसलिए कैपेसिटेंस C1 कैपेसिटेंस C2 के बराबर होगा। लेकिन अगर शरीर अचानक आगे बढ़ता है तो नीचे दिखाए गए अनुसार प्लेटें विस्थापित हो जाती हैं।
इस समय कैपेसिटेंस C1 बढ़ जाता है क्योंकि टॉप प्लेट और फिक्स्ड प्लेट के बीच की दूरी कम हो जाती है। दूसरी ओर कैपेसिटी, सी 2 कम हो जाती है क्योंकि नीचे की प्लेट और फिक्स्ड प्लेट के बीच की दूरी बढ़ जाती है। समाई में यह वृद्धि और कमी मुख्य शरीर पर त्वरण के लिए रैखिक रूप से आनुपातिक है इसलिए उच्चतर त्वरण उच्चतर होता है और त्वरण कम होता है जो परिवर्तन को कम करता है।
यह अलग-अलग धारिता उपयुक्त वर्तमान या वोल्टेज रीडिंग प्राप्त करने के लिए आरसी थरथरानवाला या किसी अन्य सर्किट से जुड़ी हो सकती है। वांछित वोल्टेज या वर्तमान मूल्य प्राप्त करने के बाद हम उस डेटा को आसानी से आगे के विश्लेषण के लिए उपयोग कर सकते हैं।
यद्यपि इस सेटअप का उपयोग त्वरण को मापने के लिए सफलतापूर्वक किया जा सकता है लेकिन यह भारी है और व्यावहारिक नहीं है । लेकिन अगर हम MEMS तकनीक का उपयोग करते हैं तो हम पूरे सेटअप को कुछ माइक्रोमीटर के आकार में छोटा कर सकते हैं जिससे डिवाइस अधिक लागू हो सके।
उपरोक्त आंकड़े में, आप एमईएमएस एक्सेलेरोमीटर में प्रयुक्त वास्तविक सेटअप देख सकते हैं। यहां दोनों दिशाओं में त्वरण को मापने के लिए कई संधारित्र प्लेटों को एक क्षैतिज और ऊर्ध्वाधर दिशा में व्यवस्थित किया जाता है। कैपेसिटर प्लेट कुछ माइक्रोमीटर के आकार की होती है और पूरा सेटअप कुछ मिलीमीटर के आकार का होगा, इसलिए हम बैटरी जैसे पोर्टेबल उपकरणों में इस एमईएमएस एक्सेलरोमीटर का उपयोग स्मार्टफोन की तरह आसानी से कर सकते हैं।
एमईएमएस दबाव सेंसर
हम सभी जानते हैं कि जब किसी वस्तु पर दबाव डाला जाता है तो वह तब तक रुकेगी जब तक वह एक टूटने वाले बिंदु पर नहीं पहुँच जाती। यह दबाव सीधे एक निश्चित सीमा तक लागू दबाव के आनुपातिक है और इस संपत्ति का उपयोग एमईएमएस दबाव सेंसर को डिजाइन करने के लिए किया जाता है। नीचे दिए गए आंकड़े में आप एमईएमएस दबाव संवेदक के संरचनात्मक डिजाइन को देख सकते हैं।
यहां एक ग्लास बॉडी पर दो कंडक्टर प्लेट लगाए गए हैं और उनके बीच एक वैक्यूम होगा। एक कंडक्टर प्लेट तय हो गई है और दूसरी प्लेट दबाव में स्थानांतरित करने के लिए लचीली है। अब यदि आप एक समाई मीटर लेते हैं और दो आउटपुट टर्मिनलों के बीच एक रीडिंग लेते हैं तो आप दो समांतर प्लेटों के बीच समाई मान देख सकते हैं, ऐसा इसलिए है क्योंकि पूरा सेटअप समानांतर प्लेट संधारित्र के रूप में कार्य करता है । चूंकि यह एक समानांतर प्लेट संधारित्र के रूप में कार्य करता है, इसलिए हमेशा की तरह, एक विशिष्ट संधारित्र के सभी गुण अब इस पर लागू होते हैं। बाकी शर्त के तहत चलो दो प्लेटों के बीच समाई को C1 कहते हैं ।
यह ख़राब होगा और आकृति में दिखाए अनुसार नीचे की परत के करीब जाएगा। क्योंकि परतें करीब हो जाती हैं, दो परतों के बीच समाई बढ़ जाती है। तो उच्च दूरी समाई को कम करती है और समाई को उच्चतर दूरी कम करती है । यदि हम इस समाई को RC गुंजयमान यंत्र से जोड़ते हैं तो हम दबाव का प्रतिनिधित्व करने वाले आवृत्ति संकेत प्राप्त कर सकते हैं। यह सिग्नल आगे की प्रोसेसिंग और डेटा प्रोसेसिंग के लिए एक माइक्रोकंट्रोलर को दिया जा सकता है।
एमईएमएस माइक्रोफोन
एमईएमएस माइक्रोफोन का डिजाइन दबाव सेंसर के समान है और नीचे का आंकड़ा माइक्रोफोन आंतरिक संरचना को दर्शाता है।
आइए विचार करें कि सेटअप बाकी है और उन स्थितियों में निश्चित प्लेट और डायाफ्राम के बीच समाई C1 है ।
यदि वातावरण में शोर है तो ध्वनि एक इनलेट के माध्यम से डिवाइस में प्रवेश करती है। यह ध्वनि डायाफ्राम को लगातार बदलने के लिए डायाफ्राम और निश्चित प्लेट के बीच की दूरी बनाने के लिए कंपन का कारण बनती है। यह, बदले में, कैपेसिटेंस C1 को लगातार बदलने का कारण बनता है। यदि हम इस बदलती कैपेसिटेंस को संबंधित प्रोसेसिंग चिप से जोड़ते हैं तो हम बदलते कैपेसिटेंस के लिए इलेक्ट्रिकल आउटपुट प्राप्त कर सकते हैं। क्योंकि बदलती कैपेसिटेंस सीधे पहले स्थान पर शोर से संबंधित है, इस विद्युत सिग्नल को इनपुट ध्वनि के परिवर्तित रूप के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है।
एमईएमएस मैग्नेटोमीटर
MEMS मैग्नेटोमीटर का उपयोग पृथ्वी के चुंबकीय क्षेत्र को मापने के लिए किया जाता है । डिवाइस का निर्माण हॉल इफेक्ट या मैग्नेटो रेसिस्टिव इफेक्ट के आधार पर किया गया है । अधिकांश एमईएमएस मैग्नेटोमीटर हॉल प्रभाव का उपयोग करते हैं, इसलिए हम चर्चा करेंगे कि चुंबकीय क्षेत्र की ताकत को मापने के लिए इस पद्धति का उपयोग कैसे किया जाता है। उसके लिए आइए हम एक प्रवाहकीय प्लेट पर विचार करते हैं और एक तरफ बैटरी के साथ जुड़े होते हैं जैसा कि चित्र में दिखाया गया है।
यहां आप इलेक्ट्रॉनों के प्रवाह की दिशा देख सकते हैं, जो नकारात्मक टर्मिनल से सकारात्मक टर्मिनल तक है। अब यदि किसी चुंबक को चालक के शीर्ष के पास लाया जाता है तो कंडक्टर में इलेक्ट्रॉनों और प्रोटॉन को वितरित किया जाता है जैसा कि नीचे दिए गए आंकड़े में दिखाया गया है।
यहां धनात्मक आवेश रखने वाले प्रोटॉन विमान के एक तरफ एकत्रित हो जाते हैं जबकि ऋणात्मक आवेश वाले इलेक्ट्रॉन सटीक विपरीत दिशा में एकत्रित हो जाते हैं। इस समय यदि हम एक वाल्टमीटर लेते हैं और दोनों सिरों पर जुड़ते हैं तो हमें एक रीडिंग मिलेगी। यह वोल्टेज V1 पढ़ने के शीर्ष पर कंडक्टर द्वारा अनुभव की गई क्षेत्र की ताकत के लिए आनुपातिक है । वर्तमान और चुंबकीय क्षेत्र को लागू करके वोल्टेज पीढ़ी की पूरी घटना को हॉल इफेक्ट कहा जाता है ।
यदि उपरोक्त मॉडल के आधार पर MEMS का उपयोग करके एक सरल प्रणाली तैयार की जाती है, तो हमें एक ट्रांसड्यूसर मिलेगा जो क्षेत्र की ताकत को महसूस करता है और रैखिक रूप से आनुपातिक विद्युत उत्पादन प्रदान करता है।
एमईएमएस जाइरोस्कोप
एमईएमएस जाइरोस्कोप बहुत लोकप्रिय है और कई अनुप्रयोगों में उपयोग किया जाता है। उदाहरण के लिए, हम हवाई जहाज, जीपीएस सिस्टम, स्मार्टफोन आदि में एमईएमएस जाइरोस्कोप पा सकते हैं। एमईएमएस जाइरोस्कोप को कोरिओलिस इफेक्ट के आधार पर तैयार किया गया है। एमईएमएस जाइरोस्कोप के सिद्धांत और कार्य को समझने के लिए, आइए हम इसकी आंतरिक संरचना पर ध्यान दें।
यहाँ S1, S2, S3 और S4 बाहरी लूप और दूसरे लूप को जोड़ने के लिए उपयोग किए जाने वाले स्प्रिंग्स हैं। जबकि एस 5, एस 6, एस 7 और एस 8 दूसरे लूप और मास 'एम' को जोड़ने के लिए उपयोग किए जाने वाले स्प्रिंग्स हैं। यह द्रव्यमान y- अक्ष के साथ प्रतिध्वनित होगा जैसा कि आकृति में दिशाओं द्वारा दिखाया गया है। इसके अलावा, इस प्रतिध्वनि प्रभाव को आमतौर पर MEMS उपकरणों में आकर्षण के इलेक्ट्रोस्टैटिक बल का उपयोग करके प्राप्त किया जाता है।
आराम की शर्तों के तहत, ऊपर की परत या तल पर किसी भी दो प्लेटों के बीच समाई समान होगी, और यह तब तक समान रहेगी जब तक कि इन प्लेटों के बीच की दूरी में बदलाव नहीं होगा।
मान लीजिए अगर हम इस सेट को एक घूर्णन डिस्क पर माउंट करते हैं तो नीचे दिखाए गए अनुसार प्लेटों की स्थिति में एक निश्चित बदलाव होगा।
जब सेटअप को एक घूर्णन डिस्क पर स्थापित किया जाता है जैसा कि दिखाया गया है, तो सेटअप के अंदर बड़े पैमाने पर गूंजने वाला एक बल का अनुभव करेगा जो आंतरिक सेटअप में विस्थापन का कारण बनता है। इस विस्थापन के कारण आप सभी चारों स्प्रिंग्स S1 से S4 को विकृत होते हुए देख सकते हैं। जब एक घूर्णन डिस्क पर रखा जाता है, तो बड़े पैमाने पर प्रतिध्वनित होने का अनुभव करने वाले इस बल को कोरिओलिस प्रभाव द्वारा समझाया जा सकता है ।
यदि हम जटिल विवरणों को छोड़ देते हैं, तो यह निष्कर्ष निकाला जा सकता है कि दिशा में अचानक बदलाव के कारण आंतरिक परत में मौजूद विस्थापन है। यह विस्थापन भी नीचे और ऊपर दोनों परतों पर संधारित्र प्लेटों के बीच की दूरी को बदलने का कारण बनता है। जैसा कि पिछले उदाहरणों में बताया गया है कि दूरी में परिवर्तन से समाई का कारण परिवर्तन होता है।
और हम इस पैरामीटर का उपयोग उस डिस्क की घूर्णी गति को मापने के लिए कर सकते हैं जिस पर डिवाइस रखा गया है।
कई अन्य एमईएमएस डिवाइस एमईएमएस तकनीक का उपयोग कर डिजाइन किए गए हैं और उनकी संख्या भी हर दिन बढ़ रही है। लेकिन ये सभी उपकरण काम करने और डिजाइन करने में एक निश्चित समानता रखते हैं, इसलिए ऊपर बताए गए कुछ उदाहरणों को समझकर हम अन्य समान एमईएमएस उपकरणों के काम को आसानी से समझ सकते हैं।