Explicación detallada de la tecnología MEMS y sus aplicaciones

¿Qué son los dispositivos MEMS y sus aplicaciones?

Los dispositivos MEMS (sistemas microelectromecánicos) se utilizan principalmente en las industrias automotriz y de electrónica de consumo. En el futuro, se espera que también sean más comunes en los mercados médico, industrial y aeroespacial. ¿Qué son exactamente los MEMS? ¿Cuáles son sus características? ¿Qué desafíos existen en el diseño y la fabricación de dispositivos MEMS? Este artículo responderá a estas preguntas.

¿Qué es MEMS?

Los sistemas microelectromecánicos (MEMS), también conocidos como microsistemas en Europa o micromaquinaria en Japón, son una clase de dispositivos que se caracterizan por su tamaño diminuto y su proceso de fabricación único. La longitud característica de los dispositivos MEMS varía de 1 milímetro a 1 micrómetro (1 micrómetro es mucho más pequeño que el diámetro de un cabello humano).

Los MEMS suelen utilizar contrapartes microscópicas de piezas y herramientas mecánicas comunes, como canales, orificios, ménsulas, membranas, cavidades y otras estructuras. Sin embargo, la fabricación de MEMS no es de naturaleza mecánica, sino que los dispositivos MEMS se producen mediante tecnologías de microfabricación de procesamiento por lotes similares a las que se utilizan en los circuitos integrados (CI).

Hoy en día, muchos productos utilizan tecnología MEMS, incluidos microintercambiadores de calor, cabezales de impresión de inyección de tinta, conjuntos de microespejos para proyectores de alta definición, sensores de presión y detectores infrarrojos.

¿Por qué necesitamos MEMS?

“Me hablaron de un motor diminuto del tamaño de una uña. Me dijeron que en el mercado hay un dispositivo con el que se puede escribir en la punta de un alfiler. Pero eso no es nada, es el paso más pequeño en una dirección en la que me voy a detener. Debajo de esto hay un mundo asombrosamente pequeño. Cuando miren hacia atrás desde el año 2000, se preguntarán por qué hubo que esperar hasta 1960 para que alguien comenzara a trabajar seriamente en esta dirección”.
— Richard Feynman, “Hay mucho espacio en el fondo”, presentado en la reunión de la American Physical Society en Caltech, el 29 de diciembre de 1959.

En su famosa charla “Hay mucho espacio en el fondo”, Richard Feynman describió cómo podríamos escribir toda la Enciclopedia Británica en la punta de una aguja. Pero podríamos preguntarnos: ¿por qué necesitamos crear estos objetos a una escala tan pequeña?

Los dispositivos MEMS pueden realizar muchas de las mismas tareas que sus homólogos de mayor tamaño y, al mismo tiempo, ofrecen varias ventajas exclusivas. La más obvia de ellas es la miniaturización. Como se mencionó anteriormente, los dispositivos MEMS son lo suficientemente pequeños como para producirse en masa mediante procesos de fabricación por lotes similares a los que se utilizan en la industria de los circuitos integrados. Esta fabricación en masa reduce significativamente el coste de la producción a gran escala. Además, los dispositivos MEMS suelen requerir cantidades muy pequeñas de material para su fabricación, lo que reduce aún más los costes.

Además de ser más rentables, los dispositivos MEMS también se pueden utilizar en áreas en las que las alternativas más grandes no pueden. Por ejemplo, en teléfonos inteligentes, cámaras, unidades de control de airbag o dispositivos compactos similares, sería imposible diseñar un acelerómetro utilizando bolas y resortes de metal tradicionales. Sin embargo, al reducir la escala en varios órdenes de magnitud, los dispositivos MEMS se pueden utilizar en aplicaciones en las que los sensores tradicionales no encajarían.

Otra ventaja de la tecnología MEMS es su facilidad de integración. Dado que los MEMS utilizan procesos de fabricación similares a los que se utilizan para los circuitos integrados de aplicación específica (ASIC), las estructuras MEMS se pueden integrar más fácilmente con la microelectrónica. Si bien la integración de MEMS con estructuras CMOS (semiconductores complementarios de óxido metálico) en un dispositivo verdaderamente integrado es un desafío, cada vez se hace más realidad. Muchos fabricantes están utilizando métodos híbridos para crear productos MEMS rentables y comercialmente exitosos.

Un ejemplo de esto es el dispositivo de microespejos digitales (DMD) de Texas Instruments, que es fundamental para su tecnología DLP® (procesamiento digital de luz) y se utiliza ampliamente en proyectores comerciales y educativos y cines digitales. Cada microespejo de 16 micrómetros se activa electrostáticamente mediante la diferencia de potencial entre él y su unidad de almacenamiento CMOS subyacente. Las imágenes en escala de grises se crean mediante los estados de encendido/apagado de los espejos, y el color se agrega a través de un sistema de tres chips (uno para cada color primario) o un sistema de un solo chip con una rueda de color o una fuente de luz LED RGB.

Tal vez una de las características más fascinantes de la tecnología MEMS es cómo los diseñadores pueden aprovechar la física única de escalas tan pequeñas. Esto se analizará más adelante.

Aplicaciones de los MEMS

Por diversas razones, muchos productos MEMS han logrado un éxito comercial significativo y numerosos dispositivos se utilizan ampliamente en la actualidad. La industria automotriz es uno de los principales impulsores de la tecnología MEMS. Por ejemplo, los giroscopios de estructura de vibración basados ​​en MEMS, un dispositivo nuevo y asequible, se utilizan actualmente en sistemas de frenos antibloqueo o sistemas de control electrónico de estabilidad. Los acelerómetros, giroscopios y sensores inclinómetros MEMS de la serie SCX de Murata, así como aquellos que integran estas funciones en un solo chip, admiten aplicaciones automotrices de alta precisión. Los sensores de airbag basados ​​en MEMS han reemplazado a los sensores de colisión mecánicos en casi todos los automóviles desde la década de 1990. La Figura 2 muestra un acelerómetro MEMS simplificado, similar a los utilizados en los sensores de colisión. Un voladizo con un bloque de masa unido a uno o más puntos fijos actúa como un resorte. Cuando el sensor acelera a lo largo del eje de la viga, esta se mueve una cierta distancia, que se puede medir a través de cambios en la capacitancia entre los "dientes" de la viga y un conductor fijo externo.

Muchas impresoras de inyección de tinta comerciales e industriales utilizan cabezales de impresión basados ​​en MEMS, que almacenan gotas de tinta y las dispensan con precisión cuando es necesario; esta tecnología se conoce como gota a demanda (DoD). Las gotas de tinta se colocan sobre materiales piezoeléctricos (como el titanato de zirconato de plomo) y se aplica un voltaje para exprimir la tinta. Esto aumenta la presión en la cámara de tinta del cabezal de impresión, lo que hace que salga una pequeña cantidad de tinta por la boquilla.

Mientras tanto, algunas tecnologías MEMS están empezando a entrar en el mercado a gran escala. Los relés micromecánicos (MMR), como los desarrollados por Omron, son más rápidos, más eficientes y tienen niveles de integración sin precedentes. Omron ha aprovechado su experiencia en MEMS para lanzar al mercado nuevos sensores de temperatura: el sensor de temperatura MEMS sin contacto D6T. El sensor MEMS D6T integra un ASIC y elementos de termopila en un sensor de temperatura sin contacto compacto, que mide solo 18 × 14 × 8.8 mm (para un tipo de elemento 4 × 4).

Diseño y fabricación de MEMS

“Es interesante ver los problemas que encuentran las máquinas pequeñas. En primer lugar, si las presiones en las distintas partes permanecen iguales, la fuerza disminuye a medida que el área se reduce, por lo que el peso y la inercia se vuelven insignificantes. En otras palabras, la resistencia del material se vuelve más importante. Por ejemplo, a medida que reducimos el tamaño, a menos que la velocidad de rotación aumente proporcionalmente, la fuerza centrífuga causada por el volante deberá mantener la misma proporción de presión y expansión”.
— Richard Feynman, “Hay mucho espacio en el fondo”

Escalamiento y miniaturización

Una introducción al diseño y fabricación de MEMS suele comenzar con una revisión de la escalabilidad y la miniaturización. Por ejemplo, si nos preguntamos por qué no podemos simplemente reducir el tamaño de un compresor de aire o un ventilador de techo al tamaño de una pulga, la respuesta se encuentra en las leyes de la compresión. Un ventilador del tamaño de una pulga funciona de manera diferente a un ventilador 1,000 veces mayor que su tamaño normal porque las fuerzas involucradas cambian. El factor de escala, S, nos ayuda a entender lo que sucede en tal caso.

Consideremos un rectángulo con un área igual al producto de su longitud por su ancho. Si el rectángulo se reduce por un factor de 100 (es decir, tanto la longitud como el ancho se dividen por 100), su área se reducirá por un factor de (1/100)^2 = 1/10,000 XNUMX. Por lo tanto, el factor de escala para el área es S². De manera similar, el factor de escala para el volumen es S³, lo que significa que a medida que la escala se reduce, el impacto del volumen se vuelve mucho mayor que el impacto del área de la superficie.

En una escala dada, considerar cuidadosamente los factores de escala de diferentes fuerzas puede revelar los fenómenos físicos más relevantes. La tensión superficial escala con S¹, la presión y las fuerzas electrostáticas con S², las fuerzas magnéticas con S³ y la gravedad con S⁴. Esto explica por qué un zapatero puede caminar sobre el agua y por qué el rendimiento de los cojinetes de bolas es diferente al de un sistema estelar binario. Si bien los modelos matemáticos completos son necesarios para cualquier diseño, los factores de escala nos guían en el diseño de dispositivos del tamaño de MEMS.

Modelado de subsistemas

Dado que los dispositivos submilimétricos suelen ser poco intuitivos, el modelado es esencial en el diseño de MEMS. En términos generales, un sistema MEMS completo es demasiado complejo para ser modelado como un todo, por lo que el sistema suele dividirse en varios subsistemas.

Un enfoque para el modelado de subsistemas es la clasificación por función, como sensores, actuadores, componentes microelectrónicos y estructuras mecánicas. El modelado de elementos concentrados sigue este enfoque, representando las partes físicas del sistema como componentes separados idealizados. Los circuitos eléctricos se modelan de la misma manera, utilizando resistencias, capacitores, diodos y varios elementos complejos idealizados. En muchos casos, los ingenieros eléctricos simplifican el modelado de circuitos utilizando las leyes de Kirchhoff en lugar de las ecuaciones de Maxwell.

De manera similar a la electrónica, los sistemas se pueden modelar de manera abstracta mediante diagramas de bloques. En este nivel, se dejan de lado las propiedades físicas de cada componente y solo se utilizan funciones de transferencia para describir el sistema. Este tipo de modelo MEMS es más adecuado para la teoría de control, una herramienta vital para el diseño de alto rendimiento.

Integración de diseño

Si bien el diseño de circuitos integrados estándar suele seguir una serie de pasos, el diseño de MEMS es diferente: el diseño, la disposición, los materiales y el encapsulado están intrínsecamente entrelazados. Como resultado, los diseñadores de MEMS deben ser especialmente hábiles para garantizar que un sistema completo funcione bien, desde la microescala hasta el dispositivo terminado.

El diseño de MEMS a menudo implica una combinación de ingenieros mecánicos y eléctricos. Este equipo interdisciplinario aborda la tarea como si se tratara de un sistema integrado, que incluye el acoplamiento de subsistemas mecánicos, eléctricos, térmicos, ópticos, fluídicos y biológicos. Por lo tanto, el diseño de MEMS a veces se considera un desafío de integración de sistemas en lugar de uno meramente mecánico o electrónico.

Conclusión

La tecnología MEMS ha revolucionado muchas industrias al brindar soluciones miniaturizadas y rentables para diversas aplicaciones. Desde sensores y actuadores hasta cámaras basadas en MEMS, estos dispositivos están posibilitando la innovación en los sectores automotriz, electrónico, de atención médica y más. A medida que la tecnología MEMS continúa avanzando, podemos esperar más avances en diseño, eficiencia y funcionalidad en todas las industrias.