(Alex Borochin FAE, Future Electronics (Israel. מדי-תאוצה, גירוסקופים ומגנטומטרים המשמשים כמערכות מיקרו-אלקטרו-מכניות (Micro-Electro-Mechanical Systems – MEMS) גרמו לשינוי ההפעלה וממשק המשתמש של טלפונים חכמים וטאבלטים. בשל התקנים בגודל ננו- אלה, התפעול היום-יומי שלנו עם מוצרי אלקטרוניקה לצריכה בעלי איכות גבוהה נראה יותר טבעי, נוח ויצרני. למעשה, ייצור ה-MEMS הוא כעת עסק בקנה-מידה גדול: STMicroelectronics, לדוגמה, הודיעה בינואר 2013 שהיא סיפקה את התקן ה-MEMS ה-3 מיליארד במספר. באופן פרדוקסאלי, אולם, טכנולוגיית MEMS מצויה במספר קטן משמעותית של מוצרים סופיים.
אולם ניתן היה להשתמש בה במידה הרבה יותר נרחבת. ואימוץ רחב יותר איננו מחייב לחכות שטכנולוגיית MEMS תהפוך למתקדמת יותר, או להמציא סוגי התקני MEMS חדשים על-ידי יצרני השבבים, אם כי שני הדברים אכן התרחשו בזמנם. חלק גדול של מאמץ פיתוח זה, אולם, יוקדש למילוי אחר הדרישות של משתמשים קיימים: יצרני הטלפונים החכמים והטאבלטים.
למעשה, טכנולוגיית ה-MEMS של היום היא כבר מושכת: דרושים הדמיון והייצוריות של מהנדסי תכנון ה-OEM כדי לחשוף את אפשרויות השימוש בה במוצרים סופיים אחרים מאשר טלפונים חכמים וטאבלטים. מאמר זה מספק הסבר על יכולות התקני ה-MEMS האחרונים. מצוידים בהבנה על התפקידים ש-MEMS יכולים לבצע, מהנדסי התכנון יכולים לתת דרור לדמיונם.
היכן טכנולוגיית MEMS מנצחת
כוח המשיכה של טכנולוגיית MEMS היא צירוף של תכונות: ההתקנים הם קטנים, רובוסטיים וניתן לייצרם בזול בכמויות גבוהות מאותה הסיבה שמעגלים משולבים מסיליקון יכולים להיות כאלה. השיטה של ייצור חיישני MEMS מאפשרת גם את שילוב מעגלי הכשרת האות ועיבוד האות באותו ההתקן.
השימוש הבולט ביותר של חיישן MEMS הוא בתור תחליף לחיישן אלקטרו-מכני רגיל. דוגמה טובה לכך היא המיקרופון. היחס אות-לרעש (Signal-to-noise ratio – SNR) הוא פרמטר מכריע של איכות השמע של מיקרופון. מיקרופון (electret condenser (ECM רגיל יכול להשתוות ל-SNR של מיקרופון MEMS, אך רק במארז גדול פי 30 או יותר ממנו. פחות רובוסטי, ה-ECM אינו מסוגל גם לשאת את תהליך ההלחמה ב-reflow של מערכי כרטיסים, בעוד מיקרופון MEMS יכול לעשות זאת, תוך חיסכון דרמטי בעלות הייצור. לבסוף, תהליך הייצור של מיקרופוני MEMS יוצר התקנים עם הרבה פחות סטיות בהיענות לתדר בין יחידה ליחידה מאשר מצוי ב-ECMs.
בשביל כל מתכנן המשתמש ב-ECM כיום, קיימות סיבות ברורות לשקול את החלפתם במיקרופון MEMS. למעשה, מאפייני ה-SNR המצוינים של מיקרופוני MEMS מאפשרים את שימוש בהם לא רק במוצרי צריכה אלא גם ביישומים תעשייתיים, בהם דיכוי הרעש דרוש לעתים קרובות ומקור הרעש עשוי להיות במרחק מסוים מהמיקרופון. כאן, ניתן לשלב מעגלים דיגיטליים המספקים תפקידי שיפור השמע בתוך התקן MEMS. דוגמאות של יישומים המתאימים להתקן מסוג זה כוללות ציוד ועידות שמע ווידיאו ומערכות אזעקה.
הסוגים העיקריים האחרים של חיישני MEMS הזמינים כיום הם מדי-תאוצה, גירוסקופים ומגנטומטרים (מצפנים דיגיטליים). מדי-תאוצה MEMS מחליפים כיום את החיישנים הקיימים בתפקידי הגנה בפני חדירה וונדליזם של מדי-שירות ציבורי ולוחות אבטחה. מתגים מכניים הם מגושמים ולא מתאימים לתכנונים המזעריים של היום. בנוסף, כאשר הם נמצאים במצב רדום הרבה זמן, מתגים מכניים חשופים לחמצון וקורוזיה, המונעים את פעולתם התקינה. מד-תאוצה MEMS הוא חסין בפני נזקים אלה. מד-תאוצה יכול למדוד דגימה של שלושת הצירים ולהשוותה לערכי-סף פנימיים. כאשר עוברים את הסף, ניתן לשגר אות פסיקה אל ה-MCU המארח, וליצור אזעקת חדירה.
למעשה, כל חיישן מקובל המשתמש בטכנולוגיה פיאזו-חשמלית, פוטנציומטרית, LVDT (linear variable differential transformer) או מדידת מיאון (reluctance) משתנה עשוי להיות מועמד להחלפה על-ידי שווה-ערךMEMS קטן יותר, רובוסטי יותר.
אולם היישומים העצמתיים ביותר של טכנולוגיית MEMS נובעים מהתקנים משולבים יותר שהושקו לאחרונה על-ידי יצרנים מובילים דוגמת STMicroelectronics ו-Freescale. חברות אלו משלבות סוגים שונים של חיישנים (כגון מדי-תאוצה עם גירוסקופים) ביחד עם מעגלי עיבוד דיגיטלי, כדי לספק התקנים חכמים שניתן לממשק בנקל למיקרו-בקר או למעבד יישומים. דבר זה מבוצע או בעזרת שילוב פונקציות במארז יחיד, או בשילוב מארזים רבים בתוך מודול.
כמובן, המוצאים הנפרדים של מד-תאוצה דיסקרטי וגירוסקופ ניתנים לשילוב על-ידי מפתח המערכת. אולם דבר זה מתאפשר הרבה יותר בקלות אם שני ההתקנים הם משולבים. זוהי המטרה של ה-LSM330 של STMicroelectronics, חבילת מערכת חיישן תנועה בעל שש דרגות חופש. הוא משלב מד-תאוצה תלת-צירי וגירוסקופ D3 (סבסוב, עילרוד וגלילה).
ההתקן מכיל מכונות מצב שפותחו על-ידי STMicroelectronics המממשות רבות מפונקציות עיבוד-האותות ש-OEM עשוי לבקש. אלה כוללים:
נפילה חופשית
כיוון 4D/6D
מונה פולסים וזיהוי צעדים
נקישה ונקישה כפולה
רעד ורעד כפול
צד עליון וצד תחתון
סיבוב וסיבוב כפול
החיישן, מארז 3 ממ’ 5.5 ממ’, מספק מוצאי מדידה אלה דרך ממשק I2C/SPI. כאן, השילוב של חיישני MEMS מרובים עם מעגלי CMOS ו-IP דיגיטלי מספק מימוש מהיר וקל של תפקידי חישת-תנועה מתקדמים בתכנון מערכת.
המודול INEMO-M1 של STMicroelectronics מספק רמה גבוהה יותר של שילוב. הוא מצרף גירוסקופ דיגיטלי תלת-צירי L3GD20, מודול גיאומגנטי בעל שישה צירים LSM303DLHC (מגנטוטמר בשילוב עם מד-תאוצה תלת-צירי) ומיקרו-בקר STM32F103REY ARM Cortex-M3 המספק מוצא דיגיטלי דרך I2C. התוצאה היא מערכת אינרציאלית 9 DoF במודול 13 ממ’ x 13 ממ’.
מוצרים סופיים מורכבים המשתמשים בהתקנים משולבים אלה יריצו מערכת הפעלה. STMicroelectronics מספקת תמיכה מולדת עבור חלונות 8 דרך מזיני התקני חיישנים, מזינים מסוג חיישן API ו-(HID (Human Interface Device, כמו גם פלטפורמה מבוססת חלונות 8. התוכנה המסופקת על-ידי ST תומכת בפרוטוקול HID על I2C או USB.
ניתן למצוא את יתרונות השילוב גם בהתקנים מספקים אחרים. ל-Freescale, לדוגמה, הייתה גישה מעט שונה עם ה-Xtrinsic Sensing Platform שלה. דבר זה מספק סביבה בה מבואות מחיישנים חיצוניים ניתנים לשילוב עם מבואות מחיישני MEMS על-שבב. במערכת-על-שבב MMA9550 לדוגמה, המבוססת על ארכיטקטורת ColdFire MCU, Freescale משלבת מד-תאוצה תלת-צירי, ADC 14- ביט וממשק ראשי I2C 400 kbits/s המספקים את החיבור עבור עד 12 חיישנים נוספים.
אחד היתרונות הנוספים של שילוב חיישני MEMS (וחיישנים אחרים) הוא צריכת הספק מופחתת. זאת מאחר שניתן לשתף ADC פנימי, אפיק טורי ומשאבים אחרים, במקום לספק אותם בנפרד עבור כל גוש פונקציונלי של חיישן.
השימוש ביכולות חיישני MEMS משולבים
הפיתוח של התקני חישה MEMS היא במידה גדולה תשובה לדרישה של יצרני הטלפונים החכמים והטאבלטים. אך דוגמאות של שימושים חדשים של חישת תנועה וניווט לפי חישוב (dead reckoning) מתחילים להופיע, והם מראים כיצד היצירתיות של המתכנן יכולה להשתחרר על-ידי התקנים חדשים אלה.
ניווט פנימי הוא הזדמנות גדולה. ה-Museum of Contemporary Art ב-Taipei, טייוון פיתח מערכת ניווט פנימי הרצה על התקנים ניידים, לשם הכוונת המבקרים מסביב לבניין. ניווט לפי חישוב מספק קואורדינטות מדויקות של מיקום המשתמש, ללא כל צורך בנתוני מיקום לולייניים (GPS). המערכת מציגה למבקר מידע רלוונטי בזמן-אמת אודות היצירה המונחת לפניו.
ניווט הולכי-רגל בתוך בניין ניתן לשיפור על-ידי הוספת חיישן לחץ, כדי להשלים את הניווט לפי חישוב. חיישן לחץ אטמוספרי יכול למדוד במדויק גובה, בעזרת השימוש בחישוב:
כאשר
P=לחץ האוויר ב-mbars
P0=הלחץ האטמוספרי התקני על-פני הים (1013.25 mbar)
Altitude= הגובה מעל פני הים במטרים
על-ידי שימוש בברומטר MEMS בעל רזולוציה גבוהה – עם ממשק לדוגמה עם ה-MMA9550 של Freescale ניתן לחשב את הגובה בדיוק של פחות מ-1 מטר. דוגמה של שימוש אפשרי בטכנולוגיה זו היא איתור חולים או ציוד בבתי-חולים.
אולם לכל OEM יהיו הרעיונות משלו על כיצד ניתן להשתמש בעקיבה אחר מיקום וגובה במוצרים הסופיים שלו. העובדה הבלתי-רגילה אודות טכנולוגיית ה-MEMS היא ששילוב של מרכיבי החישה עם מעגלי עיבוד דיגיטליים איפשר הרחבה ענקית ביכולות פונקציונליות בצירוף עם שילוב קל עם מיקרו-בקר מארח. צוותי תכנון יכולים לכן להוסיף ערך ופונקציונליות למוצרים הסופיים בדרכים חדשות ומחדשות עם מאמץ או זמן נוסף יחסית קטן, על-ידי שימוש באחת מהמערכות-בחבילה המשולבות ביותר או מודולים מיצרני התקני MEMS.
