Vedeli ste, že vo vnútri vašich smartfónov sa nachádzajú špecializované a vskutku komplexné miniatúrne pohyblivé konštrukcie? Neprestajne sa hýbu sem a tam a určujú pritom, kde je sever, kde je hore a dole a takisto to, ako rýchlo sa so zariadením trhne. To ale nie je všetko. Oni vás tak trochu aj počúvajú.
Možno sa vám zdá, že moderné smartfóny sú kompletne nemechanickou elektronikou. Netočí sa v nich predsa žiadny pevný disk, ktorý by uchovával dáta a takisto ani žiadny ventilátor, ktorý by chladil procesor. Chladenie prebieha pasívne cez telo konštrukcie a nehybné je aj SSD úložisko, respektíve jeho čip NAND flash. O akom pohybe teda hovoríme?
V smartfónoch i tabletoch pohyblivé súčiastky stále existujú, avšak ich pohyb je vskutku mikroskopický. Ide o súčiastky, označované ako MEMS, čo je skratkou pre MikroElektroMechanické Systémy. Sú to komponenty, ktoré vyrábame v rámci kremíka podobne ako integrované obvody, avšak na rozdiel od tranzistorov nie je práca ich mikroskopických konštrukcií založená na uchovávaní elektrického náboja či skrátka na nabíjaní a vybíjaní. Je založená na ozajstnom fyzickom pohybe sem a tam.
Čipy súčasných MEMS sú veľké ako smietka
MEMS systémy obvykle fungujú ako „oči a uši“ mnohých systémov. Sú senzormi okolitého prostredia, pričom svojimi vzruchmi reportujú o tom, čo sa deje. Vzhľadom na ich veľkosť a konštrukciu sa veľmi dobre pripájajú na integrované obvody, ktoré ich ruchy spracovávajú a vyhodnocujú. V smartfónoch slúžia MEMS konštrukcie hlavne na meranie pohybu, náklonu a smeru a tvoria teda súčiastky v podobe gyroskopu, akcelerometra a magnetometra.
Okrem toho, na väčšine moderných zariadení plnia MEMS aj funkciu mikrofónu, pričom v posledných troch rokoch sa začínajú používať takisto aj v rádiofrekvenčných filtroch, umožňujúcich veľmi dobrý príjem mobilného signálu. Do budúcnosti môžeme očakávať aj to, že začnú byť stavebným prvkom smartfónových reproduktorov a takisto optických sústav mobilných modulov fotoaparátov. Ide o neprestajne rastúci trh, ktorý okrem mobilnej elektroniky naberá na význame takisto v automobilovom priemysle v súvislosti s autonómnym riadením.
Od roku 2010 trh MEMS neprestajne rastie, pričom sa z objemu okolo 6 miliárd dolárov dostal na súčasných 15 miliárd a do roku 2023 sa počíta s nárastom až na 31 miliárd dolárov. V súčasnosti sú najväčšími hráčmi na tomto trhu americké a európske firmy, konkrétne americký Broadcom (19 %), nemecký Bosch (18 %), francúzsko-taliansky STMicroelectronics (10 %) a americké Texas Instruments (9%) a Qorvo (8 %). Desiatky ďalších spoločností z celého sveta im však šliapu na päty.
AKCELEROMETER – AKO SMARTFÓN ZISTÍ, ŽE SA HÝBE A KDE JE PODLAHA
Najvhodnejším štartom na to, ako vlastne čarovné miniatúrne mechanické systémy v smartfónoch fungujú, je akcelerometer. Akcelerometer sa používa všade tam, kde je potrebné zistiť lineárny pohyb, ako napríklad to, že sa telefón alebo iný jeho nosič začal pohybovať doľava alebo doprava, že sa zatriasol, alebo zažíva nejakú vibráciu. Je s ním možné takisto zistiť to, kde je dole a hore, za predpokladu, že zariadenie rapídne nezrýchľuje.
Typickou úlohou v súvislosti so smartfónmi je detekcia potreby otočenia obrazu na displeji. Ak držíte smartfón na stojato, v rovnakom smere je aj obraz. Ak si chcete pozrieť napríklad nejaké video horizontálne, smartfón preklopíte a obraz sa otočí. Na to aby operačný systém na túto zmenu zareagoval, musí dostať informáciu, ktorým smerom je vlastne dole. Využíva sa pri tom efekt gravitácie a zotrvačnosti.
Čip akcelerometru na smartfóne Samsung Galaxy S9 (STMicroelectronics LSM6DSL)
Všetky akcelerometre fungujú na princípe voľne ukotveného závažia, ktorého pohyb meriame senzormi. Závažím, alebo odbornejšie povedané – seizmickou hmotou, je skrátka len rôzne tvarovaný prvok z kremíka, ktorý je zavesený v priestore pomocou ohybných prútov, pripevnených ku konštrukcii.
V okamihu, keď so smartfónom alebo tabletom pohnete, nastane rovnaká situácia ako keď stojíte v autobuse. Ak sa autobus rozbehne, vy máte tendenciu zostať v pokoji. Výsledkom je pocit, že vás nejaká sila tlačí dozadu autobusu a vaše telo sa nakloní. Ak naopak autobus zabrzdí, vaše telo zostane v pohybe a pohne sa smerom dopredu, až kým sa bezpečne nepritiahnete ku kotviacemu bodu, akým je napríklad tyč na držanie. To isté sa deje so seizmickým prvkom v akcelerometri.
Princíp fungovania akcelerometra
Na jednoduchom ilustračnom nákrese môžete vidieť, že akcelerometer pozostáva z hrebeňovitého závažia s výstupkami po stranách. Všimnite si pritom, že seizmická hmota je ukotvená len malými prúžkami a inak je celkom voľná. Ak teda smartfón vyštartuje dopredu, hmota zaostáva a tlačí sa dozadu.
Jej hrebeňovité výstupky sa pritom dostávajú bližšie k ukotveným hrebeňovým výstupkom elektród (zelená farba). Elektródy fungujú ako senzory, ktoré merajú rozdiely v kapacitnom odpore spôsobené pohybujúcim sa prvkom mechanizmu. Na základe toho je určený smer pohybu do jedného alebo do druhého smeru. Ak totiž smartfón z pohybu zastavujete, hmota naopak pokračuje dopredu a približuje sa zas k elektródam naproti.
Takto meriame akceleráciu a začiatok či koniec pohybu v rámci jedného rozmeru, teda napríklad doprava a doľava. Ak chceme merať aj pohyb v ostatných dvoch rozmeroch, teda dopredu a dozadu a hore a dole, potrebujeme túto hrebeňovú konštrukciu do daného smeru otočiť. Akcelerometre v súčasných smartfónoch majú tri osi, čo znamená, že túto konštrukciu nájdete vedľa seba separátne trikrát, každú otočenú do iného smeru. Smartfón vďaka tomu deteguje pohyb do každého z nich.
Ak sa telefón nehýbe, akcelerometer mu vždy prezradí, ktorým smerom je podlaha. V jednej z jeho troch osí totiž bude vplyvom gravitácie hrebeňové závažie visieť dole a bude teda priblížené k elektródam. Ak smartfón nie je úplne vodorovne alebo zvislo, bude menší gravitačný náklon reportovať aj ďalšia hrebeňová konštrukcia, čím získame informáciu o náklone podrobnejšie. Mechanizmus je pritom taký presný, že môžeme vytvoriť aj softvérovú vodováhu s virtuálnou bublinkou, pričom aplikácie tohto typu celkom určite poznáte.
Čip akcelerometru s odrezaným krytom puzdra
Konštrukcia akcelerometru pod mikroskopom
Ako ale akcelerometer vyzerá naozaj? Ak smartfón otvoríte a začnete podrobne študovať jeho základnú dosku, nájdete na nej aj čip akcelerometru. Dnes už je málokedy osamotený a obvykle jedno čipové puzdro obsahuje aj iné MEMS, v podobe gyroskopu a prípadne aj magnetometru.
Takéto moduly sa označujú aj ako IMU, čo je skratkou Inerčnej pohybovej jednotky (Inertial Measurement Unit). Jednoducho povedané ide o puzdro s mikromechanickými súčiastkami, určenými na meranie pohybu a smeru. Z hľadiska vonkajšieho pohľadu sa čip akcelerometru alebo celého IMU nijako nelíši od iných čipov, a preto sa nedá rozpoznať inak než podľa popisného štítku. Čipy tohto typu majú obvykle tvar štvorca s veľkosťou 2 až 3 mm, takže už z tohto vám musí byť jasné, že jednotlivé mechanické prvky, ktoré sa v útrobách puzdra nachádzajú a hýbu, sú skutočne miniatúrne.
Na fotografiách z mikroskopu môžete vidieť, ako hrebeňová konštrukcia akcelerometru vyzerá naozaj. Jednotlivé lišty závažia a elektród sú extrémne precízne vytvarované a tvoria komplexné trojrozmerné konštrukcie. Všetky prvky, ktoré vidíte sú vyrobené z kremíku, pričom sa používa rovnaký proces, ako pri výrobe procesorov, RAM či NAND flash. Ide o litografiu, teda o ožarovanie kremíkových waferov, do ktorých sa vypaľujú komplexné tvary laserom, leptaním a ďalšími postupmi, podobne ako v prípade výroby tranzistorov v integrovaných obvodoch.
Detail na pohyblivú seizmickú hmotu a jej rebrá, zapletené do rebier elektród, všimnite si, že vľavo hore je vidieť druhú os, otočenú do iného smeru
Mikroskopické nadvihnutie prvkov pre umožnenie ich pohybu
Precíznosť a komplexnosť konštrukcie MEMS akcelerometrov však celkom vybledne pri pohľade na MEMS gyroskopy. Tie sú pritom nielen výrazne komplexnejšie, ale zároveň aj neprestajne nepokojné, pretože ich konštrukcia sústavne vibruje.
GYROSKOP – AKO SMARTFÓN ZISTÍ, KTORÝM SMEROM ROTUJE
Gyroskop je zariadenie určené na zisťovanie alebo udržovanie orientácie, respektíve smeru pohybu alebo náklonu. Vo svojej klasickej podobe, ktorá je známa už tisícročia, využíva točiaci sa zotrvačník, ktorý vďaka zachovaniu momentu hybnosti udržuje svoju orientáciu aj napriek tomu, že sa jeho nosná obvodová konštrukcia otáča inam (napr. loď či družica). Reprezentuje tak stabilný merací bod, podľa ktorého môžeme určovať smer a veľkosť natočenia.
Problémom je, že zotrvačník musí mať dostatočnú rýchlosť a veľkosť, čo znamená, že v smartfónoch a iných malých zariadeniach ho použiť nemôžeme a musíme založiť gyroskop na celkom inom princípe, od ktorého budeme rotáciu odvodzovať.
Konštrukcia MEMS gyroskopu
MEMS gyroskopy používajú na odvodzovanie smeru tzv. vibračné štruktúry, podobne ako niektoré druhy lietajúceho hmyzu. Využíva sa pritom to, že vibrujúci prvok (ako napríklad dlhá lata, ktorú zvislo rozkníšete držaním v rukách na jej konci) sa snaží pokračovať vo vibrácii v rovnakej rovine, a to aj v momente, keď pohneme alebo otočíme jeho základňu. Zmena smeru základne teda spôsobí, že vibračný prvok na ňu vyvinie protitlak a naruší svoju rovinu kmitania, pričom podľa nového smeru môžeme určiť, k akému pohybu vlastne došlo.
MEMS gyroskop je teda zložený z veľkého množstva vibračných štruktúr, ktoré sa neprestajne trasú medzi meracími elektródami. V prípade otočenia ich základne, teda čipu a celého smartfónu, sa kmitajúce výstupky snažia zachovať svoj pôvodný smer kmitania, rozvlnia sa a merateľne sa priblížia k elektródam. Vzhľadom na to, že prvky kmitajú všetkými troma smermi, je zmena smeru rozpoznávaná veľmi presne.
Detaily rebier a prvkov gyroskopu
Z hľadiska konštrukcie pôsobia gyroskopy extrémne komplexne a pri pohľade na snímky z mikroskopu budete mať možno pocit, že ide o nejakú pokročilú mimozemskú technológiu. Táto komplexnosť tvarov a výstupkov je daná tým, že potrebujeme, aby výstupky vibrovali vo všetkých smeroch a rozpoznali sme pohyb do akéhokoľvek uhla. Na titulnom obrázku článku môžete vidieť konštrukciu gyroskopu prirovnanú k ľudskému vlasu. Získate tak dobrý pocit, aké sú jednotlivé vibračné prvky veľké.
Gyroskop v základe dopĺňa dáta akcelerometra a umožňuje smartfónu veľmi presne detegovať nielen začiatok pohybu, zastavenie a zmeny smeru, ale hlavne veľmi podrobne aj rotáciu okolo jednej alebo viacerých osí. Ak napríklad smartfón držíte na stojato presne zvislo, ako olovnicu, znamená to, že dva z troch odlišne smerovaných hrebeňových závaží akcelerometra sú nehybne vo vodorovnej podobe, zatiaľ čo tretí je zvislo a v dôsledku pôsobenia gravitačnej sily je vychýlený k zemi.
Akcelerometer teda odošle operačnému systému informáciu o tom, kde je aktuálne smer „dole“. Ak rukou pohneme doľava, vodorovná časť akcelerometra, ktorá je v smere pohybu, sa rozkmitá a systém dostáva informáciu o pohybe. Problémom je, ak začneme otáčať telefónom okolo svojej osi. Akcelerometer bude stále schopný merať smer pohybu a zmenu uhla gravitačnej sily, avšak výpočet začne byť náročnejší a menej presný. Práve tu prichádza na pomoc gyroskop, ktorý „ucíti“ pohyb ako konkrétnu zmenu uhla.
Ako sme už spomenuli, dnes je obvyklé, že akcelerometer a gyroskop sú súčasťou jedného puzdra čipu, pričom na fotografii nižšie môžete vidieť, ako odpuzdrované čipy vyzerajú. Aj keď majú len 2 či 3 milimetre, tak väčšinu tohto miesta zaberajú kontakty a kontrolné obvody, ktoré mechanický pohyb prekladajú na elektrický signál, ktorý putuje obvodmi do procesora. Na fotografii samotnej MEMS časti pritom môžete vidieť, že konštrukcia jedného trojosého gyroskopu je značne väčšia ako v prípade všetkých troch osí akcelerometrov dohromady.
Súčasné inerčné MEMS moduly majú v sebe trojosový akcelerometer aj trojosový gyroskop, takže sa označujú ako šesťosové (deväťosové s magnetometrom)
Vďaka rozmerom a takisto tomu, že sa pri výrobe MEMS používajú technológie, vyvinuté na výrobu integrovaných obvodov, sa tieto súčiastky stali postupom času extrémne lacné, čo viedlo k ich masívnemu rozšíreniu. Dnes sa MEMS akcelerometre a gyroskopy používajú nielen v smartfónoch a tabletoch, ale aj herných ovládačoch, VR súpravách, dronoch a podobne.
MAGNETOMETER – AKO SMARTFÓN ZISTÍ KDE JE SEVER?
Magnetometer je zariadenie určené na meranie magnetických polí, pričom ak ho primárne používame na meranie toho zemského, aby sme mohli určiť svetové strany, hovoríme o ňom aj ako o kompase. Ide o potrebný doplnok plnohodnotných 3D smerových senzorov, pretože poskytuje externú referenciu. Tá je veľmi dôležitá. Pomocou gyroskopu a akcelerometra síce dokážeme odmerať, ako veľmi sa smartfón či iné zariadenie otáča, avšak vhodné je toto otočenie charakterizovať nielen z hľadiska času k predchádzajúcej polohe (napríklad, že smartfón sa práve nahol o 10° v horizontálnej rovine viac ako predtým a otočil sa okolo vlastnej osi dole displejom), ale aj k nejakému okoliu.
Jednu externú referenciu už máme. Ak sa smartfón nehýbe, alebo sa pohybuje bez zmeny rýchlosti, akcelerometer nám vďaka gravitácii poskytne zvislú referenciu, teda to, ktorým smerom je hore a dole. Bolo by ale dobré mať aj referenciu vo vodorovnej hladine, na čo je práve veľmi vhodná strelka kompasu. Tá nám umožní vedieť, ktorým smerom je sever a prezradí nám tak napríklad, že horná hrana smartfónu je práve otočená na severovýchod.
Magnetometre môžu fungovať na niekoľkých rôznych princípoch, z ktorých každý má rozličné parametre presnosti, náročnosť výroby i rozmery. Vzhľadom na limitnú veľkosť a náklady sa v prípade smartfónov používa v súčasnosti najčastejšie tzv. Hallov jav, čo je vznik potenciálového rozdielu na elektródach vodivej doštičky, ktorou prechádza elektrický prúd a magnetické pole. V rámci magnetometra týmito doštičkami tečie elektrický prúd, pričom magnetické pole Zeme ho podľa zarovnania vychyľuje do jednej strany.
Ak na dvoch rozdielnych krajoch budeme merať napätie, na jednej strane nameriame kladné a na druhej záporné, čo nám orientáciu magnetického poľa prezradí. Problémom je, že platnička bude reagovať na magnetické pole len v prípade, že je pole na ňu kolmé. Magnetometer tak obsahuje nad detektormi špecializovaný prvok v podobe magnetického koncentrátora, vytvoreného z vysoko zmagnetizovateľného materiálu (obvykle zliatina železa a niklu), ktorý magnetické pole ležiace paralelne s čipom otočí kolmo na detektory.
Elektródy magnetometra v troch osiach
Tieto typy magnetometrov sa takisto vyrábajú z kremíkových waferov a často sa z dôvodu zjednodušenia označujú ako MEMS (hlavne preto, že sú párované s ozajstnými MEMS v podobe akcelerometra a gyroskopu), avšak v realite sú kompletne nemechanické. Ich nevýhodou je relatívne nízka presnosť (oproti iným rozmerovo väčším metódam). Je ich síce možné spresniť s použitím ďalších metód, ako je napríklad fluxgate, avšak daňou za to je výrazne väčšia spotreba.
V budúcnosti preto očakávame, že tieto metódy detekcie nahradíme skutočným mikromechanickým pohybom, založenom na rezonanciách a tzv. Lorentzovej sile. Očakávame od nich vyššiu presnosť, pričom budeme magnetické pole merať na základe mechanického pohybu hmoty, približujúcej sa k elektródam, podobne ako v prípade magnetometra a akcelerometra. Vývoj týchto ozajstných MEMS (Lorentz-force) magnetometrov prebieha vo veľkom tempe už približne jednu dekádu. Do komerčnej podoby sa však stále ešte nedostali.
MIKROFÓN – MEMS, KTORÉ VÁS POČÚVA
Počas súčasnej dekády začali v smartfónoch dominovať aj MEMS, ktoré nemajú nič dočinenia s polohou. Skúsenosti firiem s extrémne dobre spracovaným mikroskopickým pohybom viedli k vývoju MEMS mikrofónov, ktoré sa používajú prakticky vo všetkých smartfónoch súčasnosti (nahradili ECM mikrofóny založené na elektrostatických kondenzátoroch, ktoré sa používali v ére klasických mobilných telefónov). Aj napriek vskutku miniatúrnym rozmerom poskytujú MEMS mikrofóny veľmi dobrú citlivosť a vysoký odstup signálu od šumu, pričom bonusom je extrémne malá elektrická spotreba.
Princíp práce MEMS mikrofónu
Vyrábať akustický senzor na kremíkovom waferi tak ako tranzistory, môže na prvý pohľad pôsobiť ešte zvláštnejšie, než vyrábanie komplexných hrebeňovitých konštrukcii akcelerometrov a gyroskopov. Aj v tomto prípade však ide len o precízne vyrobenie pohybujúcej sa a vibrujúcej konštrukcie. Na kremíkový wafer sa skrátka umiestni niekoľko vrstiev materiálov s rozličnými vlastnosťami, vypáli sa laserom tvar prvkov a nepotrebné časti sa odleptajú preč.
Výsledkom je maličká pohyblivá membrána, visiaca nad malou priepasťou, podobne ako povrazový most. Na schematickom obrázku si všimnite, ako je spodná časť MEMS mikrofónu (tmavošedá membrána) ukotvená len na jednej strane a môže tak vibrovať. Nad ňou je umiestnená povrchová blanka ukotvená po obvodoch, pričom je perforovaná maličkými dierkami, aby ňou vibrácie vzduchu v podobe zvukového vlnenia mohli prechádzať.
Puzdro MEMS mikrofónu, osádzané do smartfónov. Dierka pre vstup zvuku (vibrácie vo vzduchu) môže byť aj na jeho spodku. Na danom mieste musí pochopiteľne zostať dierka aj v základnej doske
Otvorené puzdro MEMS mikrofónu. Jeho rozmery sú zhruba 2 × 3 milimetre
Perforáciu vrchnej blanky môžete dobre vidieť na skutočných fotografiách MEMS mikrofónov, ktoré konštrukciu zobrazujú zvrchu, tak ako by ste ju videli pod poriadnou lupou alebo mikroskopom. Dobre je vidieť ukotvenie k obvodovej konštrukcii, ktorá zostáva nehybná, zatiaľ čo váš hlas alebo iný zvuk prechádza perforáciami blanky a rozkmitáva nad „priepasťou“ visiacu membránu pod ňou, podobne ako pri skokoch do vody rozkmitáva skokan pružnú dosku nad bazénom.
Membrána aj blanka sú elektricky napájané a ako sa membrána pod zvukovým vlnením začne triasť, vzďaľuje sa a približuje k blanke nad ňou. Dochádza tak k zmenám elektrickej kapacity, pričom frekvencia zmien reprezentuje frekvenciu fyzického zvukového vlnenia. Tieto zmeny prevezme zabudovaný integrovaný obvod, ktorý informáciu pretransformuje na elektrické signály a pošle ich do procesora či iných komponentov. Tieto MEMS mikrofóny sa označujú ako kondenzátorové alebo aj kapacitné, pričom z hľadiska pracovného princípu ide prakticky o zmenšeninu klasických pokročilých mikrofónov, ktoré môžete vidieť v nahrávacích štúdiách.
Dierkovaná blana zakrývajúca membránu mikrofónu má obvykle zhruba 0,5 mm
MEMS mikrofóny môžu byť aj iného typu, pričom ide hlavne o piezoelektrické mikrofóny, ktoré využívajú fakt, že niektoré materiály (ako napríklad nitrid hliníka) produkujú elektrické napätie v momente, keď sú pod fyzickým tlakom. Inak povedané, konvertujú svoje vibrácie na elektrický signál. Tieto MEMS mikrofóny môžete na obrázku rozpoznať tak, že namiesto blanky s dierkami vidíte lesklú blanu z pevnejšieho materiálu, obvykle prerezanú do kríža.
Priestor je tak viac otvorený priechodu vzduchu, čo má výhodu v tom, že tieto mikrofóny majú oproti klasickejším kondenzátorovým/kapacitným riešeniam výhodu v lepšom odstupe signálu od šumu. Navyše, väčší priestor a neprítomnosť dierok a membrány pozitívne vplýva aj na menšiu možnosť usadenia prachu či iných miniatúrnych nečistôt, čím má piezoelektrický mikrofón aj lepšiu životnosť.
Jedným z hlavných prvkov, prečo sa piezoelektrický typ používa na nových zariadeniach čoraz viac, je ale rýchly štart, pretože jeho prvky nepotrebujú v momente aktivácie výrazne zvýšiť elektrický náboj na svojom povrchu. Výhodné sú teda pre zariadenia, ktoré neustále čakajú na štartovací signál, ako je tomu napríklad pri inteligentných reproduktoroch (na aktiváciu ich oslovujeme napríklad „OK Google“ alebo „Alexa“). Na tomto pozitívnom vývoji rýchleho štartu a nízkej spotreby sa podieľa aj to, že sa do blanky z nitridu hliníka začal primiešavať ďalší silno elektropozitívny kov – skandium.
Piezoelektrický MEMS mikrofón, s typickým krížovým rozrezaním membrány (položený na hrane mince)
Každá MEMS, či už ide o mikrofón, gyroskop či akcelerometer, obsahuje aj špecializovaný ovládací integrovaný obvod, ktorý má celý čip pod kontrolou. Tento obvod daný mechanický systém používa a odvodzuje z neho informácie, ktoré premieňa na dáta. V tomto prípade už ide o klasickú konštrukciu z tranzistorov a na fotografiách ju môžete ľahko rozpoznať v prípade, že ste niekedy videli záber na odhalené integrované obvody procesora, grafického jadra či pamäťového modulu.
Na popiskách tento ovládací integrovaný obvod vidieť označený skratkou ASIC (Application-Specific Integrated Circuit), čo je bežné označenie pre integrovaný obvod navrhnutý iba na jeden konkrétny účel (na rozdiel od CPU, ktorý je univerzálnym obvodom pre všetky možné typy úloh). K mechanickej časti je tento integrovaný obvod pripojený pomocou elektród, pričom ASIC aj samotné MEMS sú následne zapuzdrované do jedného obalu, ktorý v prípade mikrofónu obsahuje aj dierku. Rozmery celého puzdra sú približne 2 mm.
BAROMETRE – MEMS POD TLAKOM
Mnohé súčasné smartfóny vyššej triedy, ako napríklad Samsung Galaxy S9, Huawei Mate 20 či Xiaomi Mi 8, sú vybavené tlakovým senzorom, ktorý slúži ako barometer. S osadzovaním tejto MEMS súčiastky do smartfónov začal Samsung v roku 2013 (Galaxy S4) a pokračuje v tom doteraz, pričom väčšina výrobcov sa postupom času k nemu pridala. Tlakový senzor slúži na meranie atmosferického tlaku, na základe ktorého môžeme merať našu polohu z hľadiska nadmorskej výšky. Barometer je tak vítaným pomocníkom pre navigačné systémy.
Modul tlakového senzoru/barometru Bosch, s potrebnou dierkou v plášti
MEMS tlakový senzor v základe funguje na podobnom princípe ako MEMS mikrofóny. V zhruba 2 až 3 mm puzdre čipu s dierkou nájdete spolu s riadiacim obvodom aj mechanickú súčiastku, pozostávajúcu z membrány, natiahnutej nad „malou priepasťou“. Rozdiel oproti MEMS mikrofónu je ten, že táto membrána nevibruje, ale pod vplyvom tlaku zostane stlačená. Ako sa so smartfónom pohybujeme v rôznej výške (nielen na horách, ale napríklad aj v otvorených budovách), mení sa aj atmosférický tlak, čím je membrána viac alebo menej prehnutá/stlačená.
A keďže pri rozličnom stupni prehnutia/namáhania má jej piezoelektrický materiál rozličné elektrické napätie, môžeme podľa neho merať, aký veľký tlak na ňu pôsobí, a teda v akej nadmorskej výške sa nachádzame (alternatívne, v akej hĺbke sme pod vodou, čo je prípad tlakových senzorov pre niektoré typy plaveckých a potápačských smarthodiniek a náramkov).
Barometer Bosh osadený na doske smartfónu
Odhalený útroby barometru (3 × 3 mm). Vľavo riadiaci ASIC, pravo tlakový MEMS senzor
Ako sa dá pri MEMS čakať, samotná pohyblivá membrána je veľmi malá a jej priemer môže byť napríklad len 0,3 milimetra. Jej prehyb je tak z nášho pohľadu takmer nulový a na jeho optické pozorovanie by sme potrebovali skutočne presné prístroje. Tlakové namáhanie membrány sa však dobre prejaví na zmene jej elektrického napätia, čo môžeme merať veľmi ľahko a presne.
Znázornenie prehnutia blany tlakového MEMS senzoru a zmeny jeho napätia
RF MEMS – HON ZA VLNAMI MOBILNÉHO SIGNÁLU
Najnovším MEMS prírastkom v smartfónoch sú rádiofrekvenčné prepínače. Starajú sa o dve zlepšenia, pričom obe súvisia so zmenšovaním strát, ku ktorým dochádza pri zachytávaní a spracovaní rádiového signálu mobilnej siete.
Jadrom pudla je nedokonalosť antény smartfónu, ktorá nedokáže zachyť signál z vysielača s plnou efektivitou a stratí takmer dve tretiny jeho pôvodnej sily. Inak povedané, anténa komponentom odošle signál len so 40 % silou toho, s akou k telefónu z vysielača dorazil. To ale nie je všetko. Signál ďalej prechádza prepínačmi, čím stratí zhruba ďalšiu desatinu svojej sily a následne filtrami, kde príde o zhruba ďalšiu tretinu. V momente ako dorazí do čipovej súpravy určenej na jeho spracovanie, má zhruba už len 25 % svojej pôvodnej sily, s ktorou poletoval vo vašom okolí. Tieto straty pravdaže vplývajú aj na opačný proces, keď smartfón vysiela signál späť k vysielaču. Čím vyššie sú straty, tým viac energie musíme v počiatku do celého procesu vložiť, aby výsledný signál, ktorý z telefónu naozaj vyletí, bol dostatočne silný. Zlepšenie tejto efektivity nám teda nielen zlepší príjem, ale bude znamenať aj menšiu elektrickú spotrebu pri vysielaní.
Princíp práce rádiofrekvenčného MEMS prepínača
Interné antény pred 10 až 15 rokmi, na vrchole éry „hlúpych“ telefónov, dosahovali účinnosť okolo 65 %. Proti tomu teda súčasná priemerná účinnosť antén smartfónov na úrovni 40 % pôsobí o dosť horšie. Nejde ale o to, že sme do zariadení začali montovať horšie antény. Mobilný signál sa skomplikoval. V telefónoch už nie je možné mať len anténu presne nastavenú na konkrétnu frekvenciu signálu. V súčasnosti smartfóny po svete pracujú so zhruba 40 rôznymi frekvenčnými pásmami. Len samotná štvrtá generácia telekomunikačných štandardov (WIMAX a LTE) používa 20 rôznych pásiem v rámci duplexnej kmitočtovej prevádzky (FDD) a 7 rôznych pásiem v rámci časovej (TDD), pričom ich rozsah je na úrovni 700 MHz až 2,6 GHz.
Je nemožné, aby sme do smartfónov natlačili také veľké množstvo antén, z ktorých každá by bola navrhnutá pre čo najlepší príjem pri konkrétnej frekvencii. Výsledkom je, že máme anténu, ktorá je len priemerne dobrá na viac frekvencií naraz, ale na žiadnu naozaj dobre. Narastajúca komplexnosť frekvenčných pásiem sa prevtelila do toho, že zabudovaným anténam telefónov bolo treba pomáhať špecifickým „doladením“, pričom význam týchto prvkov sa s chystanou piatou generáciou technológií pre mobilnú komunikáciu ešte znásobí.
Puzdro RF MEMS, vľavo ASIC, vpravo mechanické prepínače
Anténa je v základe rezonančný obvod, ktorý má určitú rezonančnú frekvenciu. Ak je rovnaká, ako frekvencia signálu, zachytí ho. Ak chceme, aby zachytávala signály s rozdielnou frekvenciou, musíme jej rezonanciu počas prevádzky upraviť na tú správnu. Takéto ladenie aplikujú smartfóny už niekoľko rokov, pričom na to používajú rádiofrekvenčné prepínače.
Problémom je, že prechodom cez ne signál stráca na sile (asi 10 %) a navyše, poskytujú obvykle len malý počet prepnutí na rôzne signály (obvykle dva), čím sa síce zlepší záchyt antény z 30 až 40 % na zhruba 50 %, ale len v daných dvoch frekvenciách.
A tu sú práve rádiofrekvenčné MEMS prepínače vítaným novým pomocníkom a v posledných troch rokoch sa začína objavovať v telefónoch čoraz častejšie. Signál sa totiž pri prechode ich jednoduchou konštrukciou takmer vôbec nestráca a vďaka svojej miniatúrnej veľkosti môžu obsahovať interne niekoľko desiatok rozličných prepínačov pre desiatky rôznych frekvencií.
Prepínače RF MEMS
Na schematickom obrázku funkčnosti môžete vidieť, že ide v základe o totožnú konštrukciu, ako má vypínač svetla na stene u vás doma. Ide o jednoduchý mostík, ktorý sa v prípade potreby elektromagneticky pritiahne, ohne a zopne vodivú cestu v rámci konkrétneho obvodu. Na grafickom reze 3D modelu zhruba dvojmilimetrového čipu si naľavo všimnete kontrolný integrovaný obvod a napravo samotnú mechanickú časť, ktorú môžete vidieť aj na detaile. Pohyb jednotlivých mostíkov je vskutku miniatúrny. Pri prepnutí sa pohnú zhruba o 0,3 mikrometra (0,0003 mm). Vydržia pri tom niekoľko miliárd cyklov, takže ich životnosť nie je žiadny problém.
Cesta MEMS tu nekončí a v blízkej budúcnosti môžeme miniatúrne mechanické technológie začať vídať takisto v rámci smartfónových reproduktorov a optických sústav ich fotoaparátov, avšak nejaký ten rôčik do tejto éry ešte ubehne. Každopádne súčasné MEMS, prítomné v smartfónoch a inej elektronike nám pekne ukazujú, že krásny svet mechaniky je tu s nami aj naďalej.
