Что же такое МЭМС (MEMS)? Под этой аббревиатурой скрывается название «микроэлектромеханические системы» (Microelectromechanical systems). Они представляют собой миниатюрные устройства, содержащие микроэлектронные и микромеханические компоненты. Само название МЭМС, скажем прямо, совсем не на слуху у пользователей. Однако каждый день мы пользуемся множеством девайсов, основанных на базе этих решений. Самым простым примером микроэлектромеханической системы может служить акселерометр, который используется во всех современных смартфонах, игровых консолях и жестких дисках. Однако существует множество других систем, применение которых отнюдь не ограничивается потребительской электроникой. Решения на основе МЭМС находят применение в автомобильной промышленности, военной отрасли, а также медицине.

История и архитектура

Для начала немного истории. По большому счету, началом развития МЭМС можно считать 1954 год. Именно тогда был открыт пьезорезистивный эффект кремния и германия, который лег в основу первых датчиков давления и ускорения. Через 20 лет - в 1974 году - компанией National Semiconductor впервые было налажено массовое производство датчиков давления. А в 1990-х годах рынок микроэлектромеханических систем значительно вырос благодаря началу использования различных миниатюрных сенсоров в автомобильной электронике.

MEMS-системы получили приставку «микро-» из-за своих размеров. Составные части таких устройств имеют размеры от 1 до 100 мкм, а размеры готовых систем варьируются от 20 мкм до 1 мм.

MEMS-сенсор

В плане архитектуры МЭМС-устройство состоит из нескольких взаимодействующих механических компонентов и микропроцессора, который обрабатывает данные, получаемые от этих компонентов. Какого-то стандарта для механических элементов нет: по своему типу они могут сильно различаться в зависимости от назначения конкретного устройства.

В качестве материалов для производства МЭМС могут использоваться как и традиционный кремний, так и другие материалы: например, полимеры, металлы и керамика. Чаще всего механические системы изготавливаются из кремния. Его основные преимущества заключаются в физических свойствах. Так, кремний очень надежен - он может работать в течение триллионов циклов операций и при этом не разрушаться. Что касается полимеров, то этот материал хорош тем, что его можно производить в больших количествах и, что самое важное, с множеством различных характеристик под конкретные задачи. Ну а металлы (золото, медь, алюминий), в свою очередь, обеспечивают высокие показатели надежности, хоть и уступают по качеству своих физических свойств кремнию.

Стоит отдельно упомянуть и о таких материалах, как нитриды кремния, алюминия и титана. Благодаря своим свойствам они широко используются в микроэлектромеханических системах с пьезоэлектрической архитектурой.

Что касается технологий производства МЭМС, то здесь используется несколько основных подходов. Это объемная микрообработка, поверхностная микрообработка, технология LIGA (Litographie, Galvanoformung и Abformung - литография, гальваностегия, формовка) и глубокое реактивное ионное травление. Объемная обработка считается самым бюджетным способом производства МЭМС. Ее суть заключается в том, что из кремниевой пластины путем химического травления удаляются ненужные участки материала, в результате чего на пластине остаются только необходимые механизмы.

Результат, полученный с помощью объемной обработки

Глубокое реактивное ионное травление почти полностью повторяет процесс объемной микрообработки, за исключением того, что для создания механизмов используется плазменное травление вместо химического. Полной противоположностью этим двум процессам является процесс поверхностной микрообработки, при котором необходимые механизмы «выращиваются» на кремниевой пластине путем последовательного нанесения тонких пленок. И, наконец, технология LIGA использует методы рентгенолитографии и позволяет создавать механизмы, высота которых значительно превышает ширину.

В целом, все МЭМС можно разделить на две большие категории: сенсоры и актуаторы. Различаются они принципом своей работы. Если задача сенсора состоит в преобразовании физических воздействий в электрические сигналы, то актуатор выполняет прямо противоположную работу, переводя сигнал в какие-либо действия. Тот же акселерометр является сенсором, а в качестве примера устройства, использующего актуаторы, можно привести DLP-проектор (Digital Light Processing).

DLP-проектор BenQ использует актуаторы

Ну а теперь мы поговорим о каждом устройстве в отдельности.

Акселерометры

Самым распространенным МЭМС-устройством является акселерометр. Как уже говорилось выше, сфера его использования чрезвычайно обширна. Она охватывает мобильные телефоны, ноутбуки, игровые приставки, а также более серьезные устройства, такие как автомобили. Само предназначение акселерометра заключается в измерении кажущегося ускорения. В случае с мобильными телефонами он используется для многих целей. Например, для смены ориентации экрана. Или же выполнения каких-либо функций при «встряхивании» устройства. Кроме этого, не стоит забывать и об играх - они, пожалуй, составляют основную сферу применения акселерометров. Нынче уже сложно представить «продвинутую» игрушку, в которой не было бы реализовано управление посредством наклона телефона. Одним словом, акселерометр стал неотъемлемой частью смартфонов. Кстати, впервые он был установлен в мобильный телефон Nokia 5500. Благодаря акселерометру телефон можно было использовать как шагомер. Любители утренних пробежек были в восторге! Но, конечно, только после выхода Apple iPhone акселерометры достигли пика популярности. Да и в целом интерес к MEMS начал расти вместе с развитием платформ iOS и Android.

Nokia 5500 - первый телефон с акселерометром

Акселерометры также имеются в различных контроллерах игровых консолей, будь то обыкновенный геймпад или несколько иное устройство, например, контроллер движения PlayStation Move. Кстати, акселерометр используется и в анонсированном на днях шлеме виртуальной реальности Sony Project Morpheus.

Особое значение имеет акселерометр, применяемый в ноутбуках, а точнее, в их жестких дисках. Всем известно, что винчестеры - устройства довольно хрупкие, и в случае с лэптопами вероятность их повреждения возрастает в разы. Так, при падении ноутбука акселерометр фиксирует резкое изменение ускорения и отдает команду на парковку головки жесткого диска, предотвращая и повреждение устройства, и потерю данных.

Акселерометр InvenSense MPU-6500

По схожему принципу акселерометр влияет на работу автомобильного видеорегистратора. При резком ускорении, торможении и перестроении транспортного средства видеозапись помечается специальным маркером, который защищает ее от стирания и перезаписи, что значительно облегчает дальнейшие разборы дорожно-транспортных происшествий.

В целом самым большим и перспективным рынком для акселерометров и других МЭМС является автомобильная промышленность. Дело в том, что в отличие от рынка мобильных и игровых устройств, где акселерометры используются в развлекательных целях, в автомобилях на работе акселерометра основываются буквально все системы безопасности. С их помощью работают система развертывания подушек безопасности, антиблокировочная система тормозов, система стабилизации, адаптивный круиз-контроль, адаптивная подвеска, система Traction Control - и это далеко не полный список! Учитывая, что производители автомобилей уделяют особое внимание безопасности, количество применяемых акселерометров и других МЭМС будет лишь расти.

Краш-тест автомобиля Opel Vectra. В 90-е годы подушки безопасности зачастую были только опцией

Но несмотря на то, что рамки использования акселерометра довольно четко определены, разработчики продолжают думать над тем, в каких еще целях можно применять это устройство. Например, ученые из Национального института геофизики и вулканологии Италии Антонио Д’Аллесандро (Antonino D"Alessandro) и Джузеппе Д’Анна (Giuseppe D"Anna) предложили использовать акселерометр мобильного телефона как датчик землетрясений. Очень интересно! Исследования проводились с акселерометром iPhone, и результаты сравнивались с показаниями полноценного датчика землетрясений компании Kinemetrics. Как оказалось, мобильный гаджет способен улавливать сильные землетрясения силой более 5 баллов по шкале Рихтера, но только если он находится вблизи эпицентра подземных толчков. Результаты не настолько впечатляют, однако ученые уверены: чувствительность акселерометров будет только расти, и в будущем они смогут определять и менее сильные землетрясения. Остается лишь вопрос: зачем акселерометру телефона измерять силу подземных толчков, когда есть датчики землетрясения? Все дело в том, что ученые ставят своей целью создание в будущем целой сети из смартфонов в сейсмически активных районах. В теории, при землетрясениях данные со смартфонов будут поступать в аналитический центр, что позволит определять наиболее пострадавшие от стихии районы и правильно координировать спасательные операции. Идея более чем интересная и, главное, действительно востребованная в некоторых уголках мира, однако сейчас сложно представить, как она будет реализована на практике.

Теперь поговорим о самой конструкции акселерометра. Существует несколько видов устройств в зависимости от их архитектуры. Работа акселерометра может основываться на конденсаторном принципе. Подвижная часть такой системы представляет собой обыкновенный грузик, который смещается в зависимости от наклона устройства. По мере его смещения изменяется емкость конденсатора, а именно меняется напряжение. Исходя из этих данных, можно получить смещение грузика, а вместе с тем и искомое ускорение.

Акселерометр, основанный на конденсаторном принципе. На фото изображены обкладки конденсатора (capacitor plates), неподвижная часть (proof mass), пружина (spring)

Самым распространенным типом акселерометров являются пьезоэлектрические системы. Так же как и в конденсаторных акселерометрах, в их основе лежит грузик, который давлением воздействует на пьезокристалл. Под давлением он вырабатывает электрический ток, что позволяет рассчитать искомое ускорение, зная параметры всей системы.

Существует и еще один тип акселерометров, который в корне отличается от конденсаторного и пьезоэлектрического. Такие акселерометры называются термальными. Их архитектура предусматривает использование пузырька воздуха. При ускорении пузырек отклоняется от своего начального положения, и это фиксируется датчиками. Зная, на сколько сместился пузырек при движении, можно рассчитать величину ускорения.

Гироскопы

Еще одним интересным датчиком, часто используемым вместе с акселерометром, является гироскоп. Его основное предназначение заключается в измерении угловых скоростей относительно одной или нескольких осей. Собственно, комбинация акселерометра и гироскопа позволяет отследить и зафиксировать движение в трехмерном пространстве.

Первым из мобильных устройств, обладающих гироскопом, стал Apple iPhone 4, после чего наличие этой МЭМС стало чуть ли не обязательным требованиям для любого смартфона. Функциональность гироскопа пользователи смогли оценивать во многих мобильных играх, где вместо одного из двух виртуальных джойстиков появилась кнопка выстрела. Ну а целиться уже приходилось путем позиционирования смартфона в пространстве, что стало возможно как раз благодаря наличию гироскопа.

Гироскоп, используемый в Apple iPhone 4

Кроме мобильных устройств, гироскопы присутствуют в контроллерах для игровых приставок PlayStation, Xbox и Wii, где они функционируют вместе с акселерометрами. Также эти системы используются в камерах в целях оптической стабилизации для получения качественных снимков.

Архитектура гироскопов во многом схожа с таковой у акселерометров. Многие из этих устройств имеют конденсаторную структуру. Такой дизайн, например, использует в своих продуктах компания STMicroelectronics. В основе их гироскопа лежит механический элемент, работающий по принципу камертона и использующий эффект Кориолиса для преобразования угловой скорости в перемещение чувствительной структуры. Немного поясним этот процесс.

Две подвижные массы находятся в постоянном движении, причем в противоположных направлениях, которые обозначены на рисунке синим цветом. При изменении угловой скорости начинает действовать сила Кориолиса, обозначенная желтым цветом. При этом направление силы Кориолиса перпендикулярно направлению движения масс. Сила Кориолиса вызывает смещение масс, пропорциональное величине угловой скорости. Поскольку система имеет конденсаторную структуру, то любое смещение вызывает изменение электрической емкости. И таким образом угловая скорость преобразуется в электрический параметр. Тут же стоит отметить, что благодаря использованию специальных камертонов гироскопы STMicroelectronics нечувствительны к случайной вибрации. При таком нежелательном воздействии на подвижные массы они обе будут смещаться в одном направлении, тем самым не изменяя емкости конденсатора.

Так выглядит чип гироскопа производства STMicroelectronics

Магнитометры и барометры

Еще одной интересной микроэлектромеханической системой является магнитометр. Он, как и обычный магнитный компас, отслеживает ориентацию устройства в пространстве относительно магнитных полюсов Земли. Полученная же информация используется в основном в картографических и навигационных приложениях.

В дополнение к магнитометру часто используется МЭМС-барометр. Впервые барометр появился в устройстве Samsung Galaxy Nexus, вышедшем в 2011 году. Опять же, его функциональность ничем не отличается от традиционного - он измеряет атмосферное давление в текущем местоположении устройства. При этом барометр уменьшает время подключения к системе GPS. Сама же суть работы сенсора заключается в сравнении внешнего атмосферного давления по отношению к вакуумной камере внутри самого датчика. Это позволяет определять местоположение пользователя с точностью до 50 см по высоте и значительно расширяет возможности навигации пользователя, поскольку также позволяет определить местоположение по вертикали. К примеру, мобильный телефон с барометром поможет определить ваш маршрут на любом этаже торгового центра, с чем не справляется система GPS, указывая лишь местоположение на плоскости.

Популярность смартфонов на сегодняшний день просто зашкаливает: очень удобно всегда иметь под рукой микрокомпьютер со множеством полезных функций, не так ли? Гораздо удобнее, чем носить с собой ноутбук – в карман последний не положишь и незаметно под партой не достанешь, если урок окажется слишком скучным… Однако у всех телефонов есть один и тот же недостаток – слишком маленький экран, если сравнивать с компьютером или даже планшетом и нетбуком. Бродить по сайтам, пользоваться «читалкой» и некоторыми приложениями из-за этого не так уж удобно… было бы, если бы современные смартфоны не оснащали акселерометрами.

Акселерометр в телефоне – что это такое?

Акселерометр – это встроенное устройство, автоматически меняющее ориентацию экрана с книжной на альбомную и наоборот, при повороте или встряхивании устройства. Стоит пояснить на примере. Вы стояли и читали что-то с дисплея. Устали, решили отдохнуть и легли на диван. Так как лежать на боку полезнее, чем на спине, вы принимаете позу эмбриона – и обнаруживаете, что содержимое экрана «легло на бок» вместе с вами. В каком бы положении вы не держали телефон, строчки на дисплее будут параллельны земле.

Так как архитектура большинства интернет-сайтов рассчитана на просмотр с мониторов компьютеров, читать их с телефона удобнее именно в горизонтальной ориентации – строка получается шире. Чтобы на экран помещалась вся колонка, не нужно делать крошечный шрифт. Удобнее и набирать сообщения: кнопки клавиатуры становятся больше. А когда вам понадобится воспользоваться своим смартфоном как обычным телефоном, то есть кому-то позвонить – просто переверните его вертикально, а акселерометр выровняет объекты экрана под вертикальную ориентацию. Да здравствует автоматика – она позволяет нам экономить время, не производя лишних действий вручную!

Акселерометр в планшете – что это?

Что такое акселерометр в планшете, долго и пространно объяснять не стоит, так как от телефонного аналога он мало чем отличается . Так как данный девайс придуман для просмотра интернет-сайтов, фотоальбомов и кинофильмов, а также для убийства времени видеоиграми, автоматически разворачивать изображение на его экране поворотом корпуса просто необходимо. Удобство этой функции оценил каждый, кому посчастливилось пользоваться сначала старым планшетом, потом новым. Практически все новые модели оснащены акселерометрами: их наличие либо отсутствие на конечную цену устройства мало влияют, потому планшеты без акселерометров попросту стали невостребованными.

Вы когда-нибудь задумывались о том, каким образом ваш планшет или смартфон понимает, что вы повернули гаджет и нужно развернуть интерфейс в альбомную или книжную ориентацию? Наверное, изучая будущего устройства, многие встречали среди них слово «акселерометр».

Но большинство обычно пропускает подобные детали мимо ушей, обращая внимание на объём внутренней памяти, разрешение экрана и ёмкость . И всё же, акселерометр в планшете, что это такое и для чего нужен, кроме поворота экрана? Давайте выяснять.

Как это работает?

Не будем приводить здесь определение акселерометра, так как все желающие с лёгкостью могут найти его в Википедии. Лучше остановимся немного подробнее на его устройстве и принципе действия. Простейший акселерометр представляет собой груз, подвешенный на пружине над демпфером. При изменении положения системы в пространстве, колебания груза погашаются демпфером, а деформация пружины считывается датчиками, преобразующими её в информацию о пространственном положении объекта.

Конечно, в современных цифровых устройствах, особенно мобильных, датчик акселерометра отнюдь не так примитивен, но когда-то именно такие приборы применялись на заре авиации и ракетостроения. Сегодня акселерометр применяется в огромном количестве отраслей - от авиации до электроники, его можно встретить как на подводной лодке, так и в смартфоне, лежащем в кармане школьника.

Зачем это в моём планшете?

Вы являетесь счастливым обладателем . Акселерометр играет важную роль в вашем повседневном взаимодействии с гаджетом, хотя вы можете даже не замечать этого или не придавать значения. Каждый раз, когда вы крутите своё устройство, разворачивая его для более удобного просмотра видеоролика на YouYube или сёрфинга в интернете, именно этот датчик определяет положение в пространстве и даёт команду на поворот экрана.

Когда в какой-то игре вы управляете персонажем или гоночным болидом, не прикасаясь к экрану, а лишь поворачивая планшет, то это тоже работа акселерометра. Кроме того, акселерометр участвует в подсчёте количества пройденных шагов, хотя это больше относится к смартфонам, так как вряд ли много людей используют планшет в качестве шагомера.

Иногда случаются неприятные ситуации, в которых датчик начинает работать некорректно или вовсе прекращает работать, из-за чего управление в играх не функционирует, экран не поворачивается в удобное и привычное вам положение для сёрфинга или . Что делать в таком случае, как настроить акселерометр на планшете?

Первым делом, конечно, стоит проверить в настройках гаджета, не отключен ли датчик, возможно, вы сами по какой-то причине отключили автоповорот дисплея и забыли об этом. Если же в настройках всё нормально, но в работе акселерометра наблюдаются проблемы, то следует откалибровать датчик при помощи утилиты GPS Status & Toolbox, которую можно загрузить в магазине приложений Google Play.

Несмотря на своё название, приложение позволяет работать не только с GPS, но и с другими датчиками вашего гаджета. Для калибровки необходимо произвести несколько простых шагов:

1. Запустить установленное приложение.
2. Перейти в меню Tools.
3. Выбрать «Калибровка акселерометра».
4. Утилита попросит положить устройство на ровную горизонтальную поверхность для корректной калибровки. Лучшим вариантом станет стол.
5. Нажимаем «Ок», после чего произойдёт настройка датчика и приложение сообщит об окончании калибровки.

Если после всех этих манипуляций в работе акселерометра всё равно наблюдаются проблемы, то можно сделать (не забываем, что при хард-резете вся информация с гаджета сотрётся, так что делаем бэкап). Если и этот вариант не поможет, значит, проблема носит аппаратный характер и вам прямая дорога в ближайший сервисный центр, так как ремонт и калибровка акселерометра в домашних условиях без специального оборудования невозможны.

Еще несколько лет назад мы и представить не могли, что существуют игры на смартфонах, где управление осуществляется с помощью поворота самого устройства! Сейчас таких игр — великое множество в онлайн-магазинах мобильных приложений, а тогда это казалось чем-то невероятным.

Хотите пример? Это могут быть, скажем, различные автомобильные гонки, которые управляются при помощи отклонения смартфона или планшета в разные стороны, при этом автомобиль поворачивает. Одной из самых известных подобных игр является Asphalt 8:

Внимание, вопрос! Как это возможно? Ответ: это стало возможно благодаря акселерометру.

Что такое акселерометр и как он работает?

Акселерометр — это прибор, который измеряет проекцию кажущегося ускорения (разности между истинным ускорением объекта и гравитационным ускорением). Акселерометр позволяет фиксировать даже незначительные изменения ускорения в зависимости от его положения в пространстве.

В смартфоне или планшете акселерометр представляет из себя крайне небольшую деталь, зачастую — чуть больше спичечной головки. Несмотря на это, свои действия он выполняет как и положено.

Где применяется акселерометр?

Как было сказано выше, устройство используется в смартфонах и планшетах. При этом в них его начали устанавливать относительно недавно — вместе с появлением смартфона iPhone, а уже после он начал устанавливаться и в другие мобильные устройства.

Кроме того, акселерометр используется:

• В промышленной авиации, где является неотъемлемой частью систем навигации, а также управления летательными аппаратами.

• В промышленной вибродиагностике является вибропреобразователем, измеряющим виброускорение в системах неразрушающего контроля и защиты.

• В системах управления жестких дисков для активации механизма защиты от повреждений. При ускорении (например, при падении жесткого диска) система «паркует» головки винчестера, тем самым предотвращая их повреждение, а также повреждение данных.

• В видеорегистраторах. Здесь акселерометр позволяет различать важные события: резкое ускорение или торможение, столкновение и т.п.

• В игровых приставках, а если быть точным — в устройствах управления игровыми приставками. Джойстик может даже не иметь кнопок и управление происходит с помощью его поворотов в пространстве, потряхиваний и т.д.

Зачем нужен акселерометр в смартфоне?

В настоящее время акселерометр используется в смартфонах и планшетах как для нужд операционной системы, так и для работы некоторых приложений, включая игры.

Что касается операционной системы, то благодаря акселерометру происходит поворот экрана на устройстве, когда мы его переворачиваем.

Про игры было сказано чуть выше. Помимо гонок, акселерометр активно используется в казуалках и даже шутерах.

Словом, акселерометр — крайне важный компонент современной мобильной техники, в чем вы только что убедились.

Что такое акселерометр в телефоне. Датчик акселерометра

Современные технологии значительно облегчают всем нам жизнь. Сейчас с трудом можно представить свою жизнь без телефона, различных электрических кухонных приборов и других гаджетов. Про интернет и говорить не нужно, ведь он занял лидирующее место в жизни человека.

Что же такое акселерометр и для чего он необходим в телефоне

Но, сейчас речь пойдёт непосредственно про акселерометр и его роли в телефоне. На данный момент большой популярностью пользуются телефоны и прочее гаджеты компактных размеров. Сейчас тяжело кого-либо удивить корпусами в пару миллиметров, хотя ещё буквально 10 лет назад, это казалось чем-то за грани фантастики. Да, действительно развитие технологий не стоит на месте, постоянно на прилавках магазинов, которые продают гаджеты, появляются всё новые и новые приспособления.

И так, что же скрывается за таким грозным словом акселерометр? Это сложный механизм, который был создан для измерения гравитационного ускорению. Но это, так сказать общее определения, а вот акселерометр в телефоне устанавливается в качестве датчика, цель которого определять пространственное нахождения, того или иного телефона, в который он внедрён.

От того в каком положении находится устройство напрямую зависит отображение информации на самом дисплее. Например, изображение экрана может менять своё месторасположение относительно осей X и Y . Это может происходить вследствие, так сказать физического воздействия: поворот, встряхивания, удар и т. д. Кстати, во время пользования электронным шагомером и другими подобными программами принцип самого измерения гравитационного ускорения остаётся вовсе низменным.

В чем состоят основные преимущества акселерометра, установленного в мобильном устройстве

Данный датчик измерения пространственного положения телефона очень удобен. А также универсален. Он очень значительно облегчает непосредственно сам процесс управления различными играми на мобильном устройстве. Как? Пользователь во время самого процесса игры перемещает девайс в совсем другое положение относительно двух плоскостей, и этим самым воздействует на процесс, который выполняется той или иной программой.

Именно такое устройство как акселерометр, позволило значительно расширить функциональность мобильных телефонов, ведь как раз таки только благодаря этому механизму вы успешно можете пользоваться такими приложениями как, например GPS -навигация и тому подобное.