MEMS คือระบบเครื่องกลและอิเล็กทรอนิกส์ขนาดจิ๋วที่ใช้ในอุปกรณ์ต่าง ๆ เช่น สมาร์ทโฟน รถยนต์ และเครื่องมือแพทย์ การทดสอบ MEMS Sensors และ Actuators มีความสำคัญมาก เพราะต้องตรวจสอบความแม่นยำ ความเสถียร และความทนทานต่อสภาพแวดล้อมจริง การ Testing ใช้ทั้งการทดสอบทางไฟฟ้า ทางกล และการจำลองสภาพแวดล้อม เพื่อให้มั่นใจว่าอุปกรณ์สามารถทำงานได้อย่างปลอดภัย เชื่อถือได้ และมีประสิทธิภาพในการใช้งานจริง

บทนำ 

เวลาพูดถึงเทคโนโลยี เพื่อนๆ ก็คงจะนึกถึงโทรศัพท์มือถือ รถไฟฟ้า หรืออุปกรณ์อัจฉริยะล้ำๆ กันใช่ไหม แต่เคยสงสัยไหมว่ามีอะไรทำงานอยู่ข้างในบ้าง ภายในในอุปกรณ์พวกนี้มีชิ้นส่วนที่เล็กมาก ๆ ที่ทำงานอยู่ตลอดเวลา เจ้าพวกนี้แหละที่เราเลือกมันว่า MEMS หรือ Micro-Electro-Mechanical Systems

MEMS ก็เป็นเหมือนเครื่องจักรที่จิ๋วแต่แจ๋วบนชิปอิเล็กทรอนิกส์ ขนาดของมันเล็กมากจนบางชิ้นเล็กกว่าเม็ดฝุ่น แต่กลับทำงานที่ซับซ้อนได้เก่งสุด ๆ ไม่ว่าจะเป็น การตรวจจับการเคลื่อนไหว การรับรู้แรงสั่นสะเทือน การวัดความดัน หรือแม้แต่การสร้างความเคลื่อนไหวเล็ก ๆ ด้วยตัวเองได้อีกด้วย เพราะอย่างนั้นเอง ทุกวันนี้ MEMS เลยอยู่แทบทุกที่รอบตัวเรา เริ่มตั้งแต่มือถือที่เราถืออยู่ รถยนต์ เครื่องบิน โดรน ไปจนถึงอุปกรณ์ทางการแพทย์ และถ้าเพื่อนๆ ยังนึกภาพกันไม่ออก ตัวอย่างที่ง่ายที่สุดคือ เมื่อเวลาหมุนมือถือแล้วการแสดงผลบนหน้าจอมันจะหมุนตาม นั่นคือที่มาจาก MEMS Sensor หรือเวลาที่รถเกิดอุบัติเหตุ แล้วถุงลมนิรภัยเด้งออกมาในเสี้ยววินาที ซึ่งก็มี MEMS เป็นตัวตรวจจับแรงกระแทกด้วยเช่นกัน

ประเภทของ MEMS

MEMS แบ่งได้หลักๆ เป็นสองกลุ่ม คือ Sensors และ Actuators โดยที่ Sensors จะเป็นฝั่งที่ทำหน้าที่คอยรับรู้สิ่งต่างๆ รอบตัวมัน เช่น การตรวจจับแรง การหมุน หรือการตรวจวัดอุณหภูมิ ส่วน Actuators จะเป็นฝั่งที่คอยตอบสนอง เช่น การสั่น การขยับ เป็นต้น แต่ปัญหาก็คือ ยิ่งมันเล็กมากเท่าไร การให้มันทำงานแม่นยำก็ยิ่งยากมากขึ้นเท่านั้น เพราะความผิดพลาดเพียงแค่นิดเดียวก็อาจจะทำให้ระบบทั้งหมดทำงานผิดพลาดได้เลย จึงเป็นเหตุผลว่าทำไมการทำ Testing หรือการทดสอบ MEMS ถึงเป็นสิ่งที่สำคัญมากๆ  ลองนึกภาพว่า เราใช้ GPS ในรถ แล้วเซนเซอร์ภายในคำนวณผิด ถึงจะแค่นิดเดียวก็ทำให้เราเลี้ยวผิดทางได้หรือถ้าเกิดกับเรื่องใหญ่ๆ อย่างเช่น เซนเซอร์ในเครื่องมือแพทย์ เราคงไม่อยากนึกภาพตามเลยว่าแค่ความคลาดเคลื่อนแค่นิดเดียว จะสร้างผลที่ร้ายแรงได้ขนาดไหน

เพราะด้วยเหตุผลนี้ MEMS ทุกชิ้นเลยไม่ได้แค่ผลิตเสร็จแล้วส่งขายทันที แต่มันต้องผ่านการทดสอบอย่างเข้มข้นมาก่อน เช่น การวัดค่าได้แม่นยำจริงไหม ตอบสนองเร็วแค่ไหน เมื่อใช้งานไปนาน ๆ แล้วค่าจะเพี้ยนหรือไม่ และถ้าต้องเจอกับความร้อน ความชื้น ฝุ่น และแรงสั่นสะเทือน ยังจะสามารถถทำงานได้เหมือนเดิมหรือเปล่า พูดง่ายๆ คือ การ Testing เหมือนเป็นการจำลองชีวิตจริงให้ MEMS เพื่อดูว่าถ้าเอาไปใช้งานจริงแล้วมันจะรอดหรือไม่ แต่การจะทำสอบอาจจะก็ยากหน่อย เพราะ MEMS มีขนาดเล็กมาก ชิ้นส่วนบางอย่างก็เล็กจนแทบมองไม่เห็น การตรวจสอบเลยต้องละเอียดระดับไมโครเมตรกันเลยทีเดียว

การทดสอบ MEMS Sensors

หลายๆ คนอาจจะนึกไม่ถึงว่าเจ้า MEMS Sensors นั้นเป็นประเภทที่เราเจอได้บ่อยที่สุด เพราะมันคือสิ่งที่คอยรับข้อมูลจากโลกภายนอก ตัวอย่างเช่น Accelerometer ที่ใช้ตรวจจับความเร่งและการเคลื่อนไหว ในเวลาทดสอบ วิศวกรก็จะเอาเซนเซอร์ไปติดกับเครื่องที่สามารถหมุนหรือสั่นได้ จากนั้นก็จะจำลองการเคลื่อนไหวหลายๆ แบบ แล้วดูว่าเซนเซอร์อ่านค่าออกมาตรงกับความจริงไหม อีกหนึ่งตัวอย่างก็คือ Gyroscope ซึ่งใช้ตรวจจับการหมุนซึ่งเซนเซอร์ประเภทนี้มีความสำคัญอย่างมาก ในโดรน อุปกรณ์เล่นเกม หรือระบบนำทางของรถยนต์ เพราะมันจะส่งผลกับความลื่นไหลของการใช้งานได้โดยตรง และในเวลาทดสอบ วิศวกรจะนำไปหมุนด้วยความเร็วต่างๆ เพื่อดูว่ามันสามารถวัดการหมุนได้แม่นยำแค่ไหน

บางครั้งเซนเซอร์ก็ไม่ได้เสียแบบพังไปเลย แต่มันจะค่อยๆ เพี้ยนไปทีละนิด เช่น ตอนอยู่ในห้องเย็นอ่านค่าได้ปกติ แต่พออุณหภูมิสูงขึ้นกลับอ่านค่าผิด ด้วยเหตุนั้นเองการ Testing ต้องทดสอบในหลายๆสภาพแวดล้อมเพื่อให้แน่ใจว่าค่าที่ได้นั้นจะไม่เพี้ยน

นอกจากนั้น เซนเซอร์ไมโครโฟน MEMS ก็เป็นอีกตัวอย่างที่ใกล้ตัวมาก เพราะทุกครั้งที่เราคุยโทรศัพท์หรือสั่งงานด้วยเสียง ก็จะมีเจ้า MEMS Microphone คอยทำงานอยู่เบื้องหลังนั่นเอง และการจะทดสอบไมโครโฟนก็ไม่ได้มีแค่พูดใส่แล้วฟังว่าเสียงออกไหม แต่ต้องปล่อยเสียงหลายความถี่เข้าไป เพื่อดูว่าไมโครโฟนรับเสียงได้ครบหรือไม่ เสียงแตกไหม หรือยังทำงานได้ดีในที่ที่มีเสียงรบกวนมาก ๆ เพราะในชีวิตจริง คนเราไม่ได้คุยโทรศัพท์อยู่ในห้องเงียบๆ เสมอไป บางคนคุยอยู่ริมถนน บนรถไฟ หรือในห้างที่เสียงดังมาก ดังนั้นเซนเซอร์ต้องแยกเสียงพูดออกจากเสียงรอบข้างให้ได้

การทดสอบ MEMS Actuators

ถ้า Sensors คืออุปกรณ์ที่ใช้รับรู้ เจ้าตัว Actuators ก็คืออุปกรณ์ที่ใช้ลงมือทำนั่นเอง หน้าที่ของมันคือสร้างการเคลื่อนไหวหรือแรงตอบสนองบางอย่าง ตัวอย่างง่ายที่สุดคือ ระบบสั่นในโทรศัพท์มือถือของเรานั่นเอง เวลามีแจ้งเตือนเข้าแล้วโทรศัพท์มือถือสั่น นั่นแหละคือ MEMS Actuator ที่กำลังทำงานอยู่ การจะทดสอบอุปกรณ์ประเภทนี้จะเน้นไปที่การดูว่า มันตอบสนองเร็วหรือสั่นแรงเกินไปหรือเปล่า หรือทำงานได้สม่ำเสมอหรือไม่ ให้เพื่อนๆ ลองจินตนาการกันดูเล่นๆ ว่า ถ้ามือถือสั่นเตือนเราช้าเกินไป ตอนสายโทรศัพท์เข้า คงน่าหงุดหงุดหงิดน่าดู เพราะฉะนั้นวิศวกรเลยต้องหาจุดที่พอดีให้ได้มากที่สุด ไม่ช้าไป ไม่แรงไป

อีกตัวอย่างที่น่าสนใจมากแต่หลายๆ คน อาจไม่ทันสังเกต นั่นคือหัวพ่นหมึกในเครื่องพิมพ์ Inkjet นั่นเอง มันก็ได้เจ้า MEMS actuator เนี่ยแหละในการช่วยควบคุมการพ่นหมึกออกมาเป็นหยดที่มีขนาดเล็กมากๆ เพราะถ้าพ่นผิดจังหวะนิดเดียว ภาพที่พิมพ์ออกมาอาจเบลอทันที ดังนั้นการทดสอบเลยต้องทำกันแบบละเอียดมาก ทั้งเรื่องขนาดหยดหมึก ความเร็วในการพ่น และความแม่นยำของตำแหน่ง บางครั้งยังต้องทดสอบด้วยว่ามันสามารถเปิดปิดได้หลายล้านครั้งโดยไม่เสียหรือไม่ เพราะอุปกรณ์จริงถูกใช้งานหนักทุกวัน 

สิ่งที่ทำให้การ Testing MEMS ยากมาก

เรื่องที่ท้าทายที่สุดของ MEMS คือขนาดเล็กจิ๋วของมันนั่นเอง ลองนึกภาพว่าคุณต้องตรวจสอบสิ่งที่เล็กกว่าเม็ดทรายหลายเท่า แค่จะมองให้เห็นก็ยากแล้ว นี่ยังไม่รวมถึงการวัดการเคลื่อนไหวเล็กๆ ระดับไมโครเมตรอีก เจ้าเพื่อนคนเก่งตัวจิ๋วของเราคนนี้ดูแลยากจริงๆ เพราะแบบนี้ ห้องทดสอบ MEMS ในหลายๆที่เลยดูเหมือนห้องทดลองในหนังไซไฟ ที่มีทั้งกล้องจุลทรรศน์ เลเซอร์ และเครื่องมือวัดความละเอียดสูงเต็มไปหมด บางครั้งแค่โต๊ะสั่นนิดเดียวก็ทำให้ค่าที่วัดคลาดเคลื่อนได้แล้ว เพราะอย่างนั้นห้อง Testing เลยต้องมีการควบคุมสภาพแวดล้อมที่เข้มงวดมาก  ทั้งอุณหภูมิ ความชื้น และแรงสั่นสะเทือน

อีกหนึ่งเรื่องที่ทำให้เกิดความยากคือ การรวมทั้งระบบไฟฟ้าและระบบกลไกเข้าไว้ด้วยกัน หมายความว่าเวลาเกิดปัญหา วิศวกรต้องไล่หาว่า ปัญหามาจากวงจรไฟฟ้า หรือมาจากชิ้นส่วนกลไกขนาดจิ๋วด้านในกันแน่ ซึ่งบางครั้งก็มองแทบไม่เห็นเลย นี่เลยเป็นเหตุผลว่าทำไมการวิเคราะห์ความเสียหายของ MEMS ถึงซับซ้อนกว่าชิปอิเล็กทรอนิกส์ทั่วไปมาก

วิธีการ Testing ที่นิยมใช้

ในการทดสอบ MEMS จริงๆ มีหลายวิธีมาก และมักจะใช้หลายเทคนิคร่วมกัน แต่วิธีพื้นฐานที่สุดคือ Electrical Testing หรือการทดสอบทางไฟฟ้านั่นเอง โดยเป็นการตรวจสอบแรงดันไฟฟ้า กระแสไฟฟ้า และสัญญาณเอาต์พุต ว่าอยู่ในช่วงที่ออกแบบไว้หรือไม่ ซึ่งเป็นวิธีที่เร็วและเหมาะกับการตรวจสอบจำนวนมากในโรงงาน อีกวิธีก็คือ Mechanical Testing ซึ่งใช้ดูการเคลื่อนไหวจริงของชิ้นส่วน MEMS เช่น ใช้เลเซอร์ยิงไปที่ชิ้นส่วนแล้ววัดการสะท้อนกลับ เพื่อดูว่ามันขยับได้ถูกต้องไหม นอกจากนี้ยังมี Environmental Testing หรือการจำลองสภาพแวดล้อมจริงอีกด้วย เช่น เอา MEMS ไปไว้ในอุณหภูมิสูงจัด ต่ำจัด หรือความชื้นสูง เพื่อดูว่ายังทำงานได้ดีอยู่หรือเปล่า และบางอุปกรณ์ก็ถูกทดสอบหนักมาก เช่น การจำลองแรงกระแทกเหมือนตอนรถชน หรือการจำลองแรงสั่นสะเทือนเหมือนตอนเครื่องบินกำลังบิน เพราะมันเป็นอุปกรณ์ที่จะถูกใช้งานจริงในสถานการณ์จริงที่ค่อนข้างโหด จึงต้องมีการทดสอบว่ามันจะยังสามารถรับไหวหรือไม่

เทคโนโลยีใหม่ ๆ ที่เข้ามาช่วย Testing MEMS

ทุกวันนี้ MEMS ถูกใช้งานเยอะขึ้นมากๆ โดยเฉพาะในรถยนต์ไฟฟ้า อุปกรณ์ IoT และอุปกรณ์สุขภาพอัจฉริยะ ทำให้ระบบ Testing ต้องพัฒนาเร็วตามไปด้วย ในหลายๆ โรงงานเริ่มใช้ AI เข้ามาช่วยวิเคราะห์ผลการทดสอบกันแล้ว เพราะ AI สามารถมองเห็นรูปแบบความผิดปกติเล็ก ๆ ที่คนอาจจะมองไม่ออก บางที่ใช้ระบบกล้องอัจฉริยะตรวจสอบ MEMS แบบอัตโนมัติ เพราะในการผลิตจริง อาจต้องตรวจ MEMS หลายแสนชิ้นต่อวัน การใช้คนตรวจทีละชิ้นแทบเป็นไปไม่ได้เลย นอกจากนี้ยังมีแนวคิดที่น่าสนใจมากคือ Built-ณn Self-Test (BIST)หรือระบบที่ให้ MEMS ตรวจสอบตัวเองได้ เช่น เซนเซอร์สามารถสร้างสัญญาณทดสอบภายใน แล้วดูว่าระบบยังตอบสนองปกติหรือไม่ แนวคิดนี้สำคัญมากในอุปกรณ์ที่ต้องทำงานตลอดเวลา เช่น รถยนต์อัตโนมัติหรือเครื่องมือแพทย์ เพราะช่วยลดความเสี่ยงจากความผิดพลาดที่อาจเกิดขึ้นโดยไม่รู้ตัวได้อย่างดีเยี่ยม

บทสรุป

ถึงแม้ว่า MEMS จะมีขนาดเล็กมากจนบางครั้งเรามองแทบไม่เห็น แต่มันกลับเป็นหนึ่งในเทคโนโลยีหนึ่งที่สำคัญที่สุดของโลกยุคปัจจุบัน เพราะตั้งแต่โทรศัพท์มือถือในกระเป๋า รถยนต์ ไปจนถึงอุปกรณ์ทางการแพทย์ ล้วนต้องพึ่งพา MEMS ในการทำงานกันทั้งนั้น และยิ่งเทคโนโลยีเข้ามาเกี่ยวข้องกับชีวิตประจำวันมากขึ้น การ Testing ก็ยิ่งกลายเป็นเรื่องสำคัญมากขึ้นตามไปด้วยเพราะสุดท้ายแล้ว ต่อให้อุปกรณ์จะล้ำแค่ไหน ถ้ามันไม่แม่นยำหรือเชื่อถือไม่ได้ ก็ไม่มีใครกล้าใช้งานจริง ดังนั้น Testing MEMS เลยไม่ใช่แค่ขั้นตอนตรวจสอบธรรมดา แต่มันคือกระบวนการที่ทำให้เครื่องจักรจิ๋วเหล่านี้พร้อมออกไปทำงานในโลกจริงได้อย่างปลอดภัย แม่นยำ และเชื่อถือได้นั่นเอง