חלון למפעל החכם | מאמרים מקצועיים

מתקני ייצור "חכמים" ניזונים ממידע המופק ממערכות-חיישנים שונות המשולבות במכונות הייצור. חיישנים אלה הינם בעצם "מיקרו מערכות אלקטרומכניות" מיקרו מערכות אלקטרומכניות משפיעות על אופי ואיכות חיינו בתחומים רבים כגון: רכב, רפואה, תקשורת, אופטיקה, אחזקה ובטיחות. אחד השימושים הנפוצים הינו האפשרות ליישום אחזקה חזויה של מערכות מסתובבות כגון מנועים חשמליים, טורבינות, משאבות ועוד. כיצד זה מתבצע? יישום זה מתבסס על ידי מדי תאוצה. מד התאוצה מחובר לגוף המערכת המסתובבת ומקליט את חתימת רעידות המערכת. ניתוח ספקטרלי של האות מאפשר לאתר שינויים בחתימת הרעידות המעידים על בלאי של רכיבים במערכת. ניטור שינויים אלו במערכת מאפשר תכנון של פעולת האחזקה של המערכת מבעוד מועד, טרם התרחשות תקלת שבר, ומכאן המונח "אחזקה חזויה".

מהן מיקרו מערכות?

חיישנים אלו הם בעצם "מיקרו מערכות אלקטרומכניות" (Micro Electromechanical Systems – MEMS) הכוונה להתקנים זעירים שלא ניתן לראותם בעין, אך השפעתם על אופי ואיכות החיים שלנו גדולה מאוד. הממדים של מיקרו מערכות אלו נעים בין 1 ל-100 מיקרון, ובחלק מהמקרים עשויים להגיע לגודל הקטן מקוטר שערת אדם. פעולת מיקרו מערכות אלו מבוססת על תגובה מכנית של אלמנט זעיר, עובדה המבדלת אותן ממיקרו מערכות אלקטרוניות.

מיקרו מערכות אלקטרומכניות משפיעות על אופי ואיכות חיינו בתחומים רבים כגון: רכב, רפואה, תקשורת, אופטיקה, אחזקה ובטיחות. לדוגמה, מכוניות בטוחות יותר בזכות מיקרו מערכת אלקטרומכנית השולטת על פתיחת כרית אוויר בזמן התנגשות ומצילה חיים.

בתחום הרפואה, מיקרו מערכות אלקטרומכניות הפכו מכשירים דיאבטיים למדויקים יותר, ומכשירי שמיעה לקטנים, יעילים ואיכותיים יותר. מיקרו מערכות אלקטרומכניות מניעות מיקרו מראות שמהוות אלמנט עיקרי בפעולתם של מקרנים אופטיים המבטיחים תמונה חדה ואיכותית יותר, עם מגוון צבעים רחב מאוד. מיקרו חיישנים אינרציאליים כגון מדידי תאוצה ומיקרו ג'ירוסקופים גרמו לפריצת דרך בטכנולוגיות של מציאות מדומה, טלפונים ניידים ומשחקי מחשב אינטראקטיביים. גם בעולם הרחפנים יש שימוש ברכיבי מיקרו מערכות אלקטרומכניות במערכת בקרת הטיסה של הרחפן.

חיישנים ומשפעלים – מה ההבדל?

ניתן למיין מיקרו מערכות אלקטרומכניות על-פי שתי קטגוריות עיקריות: מיקרו חיישניים ומיקרו משפעלים. מיקרו חיישנים (sensors) מלקטים מידע על הסביבה; ומיקרו משפעלים (actuators) משפיעים על הסביבה. במקרה של חישה, האלמנט המכני מגיב מכנית לסביבה; לעומת זאת, בשפעול, האלמנט מחולל פעולה מכנית.

מבנה האלמנט המכני במיקרו מערכות אלקטרומכניות עשוי להיות מיקרו קורה, מיקרו פלטה דקה, מיקרו ממברנה, או שילוב של יותר ממבנה אחד. הפעולה או התגובה המכנית של מיקרו אלמנטים אלו מתבססת על אפקט מכני מסוג הזזה, מהירות או דפורמציה הניתנים למדידה מידית בעזרת צימוד האפקט המכני עם תופעה פיזיקלית אחרת חשמלית, מגנטית או אלקטרומגנטית. הצימוד בין תחומי פיזיקה שונים עם תחום המכניקה מגדיל משמעותית את פוטנציאל ההתקנים האלקטרומכניים ליישומים טכנולוגיים שונים. מיקרו מערכת מורכבת מתת-מערכת אלקטרונית (מעגל אלקטרוני) ותת-מערכת מכנית המיוצרות בסמיכות על אותן שכבות של סיליקון ומתכת. שתי מערכות אלו, האלקטרונית והמכנית, מיוצרות בו-זמנית כאשר מבצעים מיקרו תהליכים שונים. החלק המכני חש את שינוי הסביבה ומעביר שינוי זה כאות חשמלי לחלק האלקטרוני המעבד את האות ומוציא אותו למערכת המדידה, התקשורת בין החיישן למערכת נעשית בעזרת תקשורת ספרתית. ייצור שתי מיקרו מערכות, אלקטרונית ומכנית, יחדיו, על אותו שבב מאפשר מזעור הממדים של מיקרו מערכות אלקטרומכניות, תוך השגת אמינות ודיוק גבוהים במיוחד. יתרון נוסף של מיקרו מערכות שמורכבות מחלק מכאני וחלק אלקטרוני הוא גודלם הזעיר ומחיר זול של הרכיב, שמיוצר בטכנולוגיות ייצור של מוליכים למחצה.

שימושים שכיחים ברכב

אחת ההצלחות הראשונות של מיקרו מערכות אלקטרומכניות היא מד תאוצה אינרציאלי המותקן כיום בכל רכב על-מנת להפעיל ו/או לשחרר את כרית האוויר ברגע התנגשות הרכב. בזכות חיישן זה ניצלו חיים רבים ע"י הפעלת כרית אוויר המונעת חבטה ישירה בגוף הנהג או הנוסעים ברכב. איור 1 מתאר סכמתית חלק מכני של מיקרו מערכת המורכבת מגוף בצורת מסרק עם אלקטרודות המחוברות לעוגן בצידם, כמתואר ע"י החלק הכחול והאפור, בהתאמה.

איור 1: תיאור סכמתי של הרכיב המכני של מיקרו מד תאוצה. החלק הכתום (מסרק) מתאר את המסה הנעה של מד התאוצה, המסה אחוזה לגוף החיישן בעזרת קפיצים (נראים בקצוות). החלק הירוק מתאר אצבעות מקובעות לגוף החיישן. C1 ו- C2, הם קבלים שהקיבול שלהם משתנה בעקבות התאוצה שפועלת על המסה.

המסרק מהווה מסה תלויה ע"י שני קפיצים צדדיים המורכבים ממיקרו קורות אלסטיות. המסה המרכזית ואצבעות המסרק מיוצרים מחומר מוליך חשמלית ומהווים אלקטרודה ניידת. בזמן התנגשות רכב, התאוצה האופקית של המסה גדלה פתאומית וכתוצאה מכך כוח האינרציה הפועל על המסה גדל וגורם להזזה אופקית של המסה עם האלקטרודות (האצבעות) המחוברות אליה. השינוי במרחק גורם לשינוי פתאומי בערך הקיבול החשמלי של המערכת, ערך השינוי בקיבול החשמלי מועבר לרכיב האלקטרוני כאות חשמלי. הרכיב האלקטרוני במיקרו מערכת מעבד את האות ומשגר פקודה להפעלת כרית האוויר אם גודל השינוי חוצה ערך קריטי שנקבע מראש.

מתוך האתר: How To Mechatronics, הקליקו לצפיה בסרטון.

דוגמה לשפעול בעזרת מיקרו התקן

באיור 2 מתואר סכמתית עיקרון הפעולה של משפעל שמניע מיקרו מראה בהתקן DMD – Digital Micromirror Device המיוצר ע"י Texas Instruments. כמתואר, ניתן לקבוע אם נקודת כלשהי על המסך תהיה מוארת או לא ע"י שליטה בזווית ההטיה של המראה. זווית ההטיה של המראה נשלטת ע"י כוח חשמלי סטטי לפיתול ציר אלסטי אליו מחוברת המראה. המכניקה של הצירים האלסטיים וקביעת אופני הפעולה והתדרים העצמיים של המראה מהווים חלק קריטי בתכן המכני של המערכת.

איור 2: תיאור סכמתי לאופן פעולה של שתי מיקרו מראות בהתקן DMD המיוצר ע"י Texas Instruments. הטיית המראה קובעת אם האור המוחזר יוצג על נקודה במסך או על גבי גוף בולע אור.

מתוך המאמר: John D. Jackson, Visual Analysis of a Texas Instruments Digital Micromirror Device

טכנולוגיית הייצור של מיקרו מערכות מכניות צמחה מטכנולוגיית ייצור של מעגלים אלקטרונים מודפסים. הדגש בייצור מעגלים אלקטרונים הוא רכיבים אלקטרונים נייחים פסיביים מסוג נגדים, קבלים וטרנזיסטורים. הוספה של מיקרו מערכות מכניות של רכיבים מכנים בעלי יכולת לזוז, לנוע ולפתח דפורמציה או שקיעה תחת הפעלה של כוחות מאפשרים להפוך את ההתקן למערכת חישה או למשפעל.

לסיכום: עם ההתפתחות של המהפכה התעשייתית הרביעית שמתבססת על מידע עולה הצורך בשימוש באמצעי חישה לצורך מעקב אחרי תקינותם של אמצעי הייצור וכן אחר תקינותם של המוצרים. השימוש בחיישנים שמיוצרים בטכנולוגיות MEMS המקטינות את גודלו של החיישן ומוזילות את מחירו ביחד עם הגדלת ביצועי המדידה והאפשרויות לקישוריות עם מערכות אחרות הולכת וגדלה. החלק האלקטרוני של החיישן מאפשר עיבוד של האותות שהוא קולט וכן חיבור שלו ברשת תקשורת חוטית או אל חוטית. רכיבי ה-MEMS צורכים מעט הספק, מה שמאפשר הפעלה שלהם לאורך זמן רב עם מקור מתח קטן. קצב ההתפתחות והשילוב של מיקרו מערכות אלקטרומכניות הולך וגדל כפי שניתן לראות באיור 3. אם בשנות התשעים נכנסו מדי תאוצה לרכבים כחלק ממערכת כריות האוויר בהמשך התפתחו מערכות לבישות כמו שעונים חכמים המקושרים עם טלפונים ניידים. עוד התפתחו מערכות שמשלבות גם חישה וגם הפעלה כמו אוזניות אל-חוטיות. במערכות מציאות מדומה מותקנים חיישנים מבוססי מיקרו מערכות אלקטרומכניות למדידה ושידור התנוחה של חובש משקפי המציאות המדומה. פיתוחים נוספים של המיקרו מערכות האלקטרומכניות משולבים במערכות רובוטיות מתקדמות וכאמצעי חישה של תאוצות, מהירויות סיבוב, מצפן, מדידת טמפרטורה, מדידות לחץ ומדידות ספיקה ושימושים מגוונים נוספים.

איור 3: התפתחות השימושים של מיקרו מערכות אלקטרומכניות.

מתוך אתר חברת i-Micro News