Explicação detalhada da tecnologia MEMS e suas aplicações

O que são dispositivos MEMS e suas aplicações?

Dispositivos MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) são usados ​​principalmente nas indústrias automotiva e de eletrônicos de consumo. No futuro, espera-se que eles se tornem mais prevalentes também nos mercados médico, industrial e aeroespacial. O que exatamente é MEMS? Quais são suas características? Quais são os desafios no design e na fabricação de dispositivos MEMS? Este artigo responderá a essas perguntas.

O que é MEMS?

Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS), também conhecidos como Microsystems na Europa ou Micro-Machinery no Japão, são uma classe de dispositivos caracterizados por seu tamanho minúsculo e processo de fabricação exclusivo. O comprimento característico dos dispositivos MEMS varia de 1 milímetro a 1 micrômetro — 1 micrômetro é muito menor do que o diâmetro de um fio de cabelo humano.

MEMS frequentemente usam equivalentes microscópicos para peças e ferramentas mecânicas comuns. Isso pode incluir canais, furos, cantilevers, membranas, cavidades e outras estruturas. No entanto, a fabricação de MEMS não é mecânica por natureza. Em vez disso, os dispositivos MEMS são produzidos usando tecnologias de microfabricação de processamento em lote semelhantes às usadas em circuitos integrados (ICs).

Hoje, muitos produtos utilizam tecnologia MEMS, incluindo microtrocadores de calor, cabeçotes de impressão jato de tinta, matrizes de microespelhos para projetores de alta definição, sensores de pressão e detectores infravermelhos.

Por que precisamos de MEMS?

“Eles me falaram sobre um pequeno motor do tamanho de uma unha. Eles me disseram que há um dispositivo no mercado através do qual você pode escrever na ponta de um alfinete. Mas isso não é nada — é o menor passo em uma direção que vou parar. Abaixo disso há um mundo espantosamente pequeno. Quando eles olharem para trás, do ano 2000, eles vão se perguntar por que demorou até 1960 para alguém começar a trabalhar seriamente nessa direção.”
— Richard Feynman, “There’s Plenty of Room at the Bottom”, apresentado na reunião da American Physical Society no Caltech, em 29 de dezembro de 1959.

Em sua famosa palestra, “There's Plenty of Room at the Bottom” (Há muito espaço no fundo), Richard Feynman descreveu como poderíamos escrever a Enciclopédia Britânica inteira na ponta de uma agulha. Mas podemos perguntar: por que precisamos criar esses objetos em uma escala tão pequena?

Os dispositivos MEMS podem executar muitas das mesmas tarefas que seus equivalentes maiores, ao mesmo tempo em que oferecem várias vantagens exclusivas. A mais óbvia delas é a miniaturização. Conforme mencionado anteriormente, os dispositivos MEMS são pequenos o suficiente para serem produzidos em massa usando processos de fabricação em lote semelhantes aos usados ​​na indústria de circuitos integrados. Essa fabricação em massa reduz significativamente o custo da produção em larga escala. Além disso, os dispositivos MEMS normalmente exigem quantidades muito pequenas de material para fabricação, reduzindo ainda mais os custos.

Além de serem mais econômicos, os dispositivos MEMS também podem ser aplicados em áreas onde alternativas maiores não podem. Por exemplo, em smartphones, câmeras, unidades de controle de airbag ou dispositivos compactos semelhantes, seria impossível projetar um acelerômetro usando esferas e molas de metal tradicionais. No entanto, ao reduzir a escala em várias ordens de magnitude, os dispositivos MEMS podem ser usados ​​em aplicações onde sensores tradicionais não caberiam.

Outra vantagem da tecnologia MEMS é sua facilidade de integração. Como os MEMS usam processos de fabricação semelhantes aos usados ​​para ASICs (Application-Specific Integrated Circuits), as estruturas MEMS podem ser mais facilmente integradas com microeletrônica. Embora integrar MEMS com estruturas CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) em um dispositivo verdadeiramente integrado seja desafiador, isso está sendo cada vez mais realizado. Muitos fabricantes estão usando métodos híbridos para criar produtos MEMS econômicos e comercialmente bem-sucedidos.

Um exemplo disso é o Digital Micromirror Device (DMD) da Texas Instruments, que é o núcleo da tecnologia DLP® (Digital Light Processing) e amplamente usado em projetores comerciais e educacionais e cinemas digitais. Cada microespelho de 16 micrômetros é eletrostaticamente acionado pela diferença de potencial entre ele e sua unidade de armazenamento CMOS subjacente. Imagens em escala de cinza são criadas pelos estados ligado/desligado dos espelhos, e a cor é adicionada por meio de um sistema de três chips (um para cada cor primária) ou um sistema de chip único com uma roda de cores ou fonte de luz LED RGB.

Talvez uma das características mais fascinantes da tecnologia MEMS seja como os designers podem explorar a física única dessas escalas tão pequenas. Isso será explorado mais adiante.

Aplicações de MEMS

Por várias razões, muitos produtos MEMS alcançaram sucesso comercial significativo, e vários dispositivos são amplamente utilizados atualmente. A indústria automotiva é um dos principais impulsionadores da tecnologia MEMS. Por exemplo, giroscópios de estrutura de vibração baseados em MEMS, um dispositivo novo e acessível, são usados ​​atualmente em sistemas de frenagem antibloqueio ou sistemas de controle eletrônico de estabilidade. Os acelerômetros, giroscópios e sensores de inclinômetro MEMS da série SCX da Murata, bem como aqueles que integram essas funções em um único chip, oferecem suporte a aplicações automotivas de alta precisão. Os sensores de airbag baseados em MEMS substituíram os sensores mecânicos de colisão em quase todos os carros desde a década de 1990. A Figura 2 mostra um acelerômetro MEMS simplificado, semelhante aos usados ​​em sensores de colisão. Um cantilever com um bloco de massa preso a um ou mais pontos fixos atua como uma mola. Quando o sensor acelera ao longo do eixo do feixe, o feixe se move uma certa distância, que pode ser medida por meio de mudanças na capacitância entre os "dentes" do feixe e um condutor externo fixo.

Muitas impressoras jato de tinta comerciais e industriais usam cabeçotes de impressão baseados em MEMS, que armazenam gotículas de tinta e as dispensam precisamente quando necessário — essa tecnologia é conhecida como drop-on-demand (DoD). As gotículas de tinta são colocadas em materiais piezoelétricos (como titanato de zirconato de chumbo) e uma voltagem é aplicada para comprimir a tinta. Isso aumenta a pressão na câmara de tinta do cabeçote de impressão, forçando uma pequena quantidade de tinta para fora do bico.

Enquanto isso, algumas tecnologias MEMS estão apenas começando a entrar no mercado em larga escala. Relés micromecânicos (MMRs), como os desenvolvidos pela Omron, são mais rápidos, mais eficientes e têm níveis de integração sem precedentes. A Omron alavancou sua expertise em MEMS para trazer ao mercado novos sensores de temperatura: o sensor de temperatura MEMS sem contato D6T. O sensor MEMS D6T integra um ASIC e elementos de termopilha em um sensor de temperatura sem contato compacto, medindo apenas 18×14×8.8 mm (para um tipo de elemento 4×4).

Projeto e fabricação de MEMS

“É interessante os problemas que máquinas pequenas encontram. Primeiro, se as pressões nas várias partes permanecerem as mesmas, a força diminui conforme a área encolhe, então o peso e a inércia se tornam insignificantes. Em outras palavras, a resistência do material se torna mais importante. Por exemplo, conforme reduzimos o tamanho, a menos que a velocidade de rotação aumente proporcionalmente, a força centrífuga causada pelo volante precisará manter a mesma proporção de pressão e expansão.”
— Richard Feynman, “Há muito espaço no fundo”

Escala e Miniaturização

Uma introdução ao design e fabricação de MEMS geralmente começa com uma revisão de escala e miniaturização. Por exemplo, se perguntarmos por que não podemos simplesmente encolher um compressor de ar ou ventilador de teto até o tamanho de uma pulga, a resposta está nas leis da compressão. Um ventilador do tamanho de uma pulga opera de forma diferente de um ventilador 1,000 vezes maior que seu tamanho normal porque as forças envolvidas mudam. O fator de escala, S, nos ajuda a entender o que acontece em tal caso.

Considere um retângulo com uma área igual ao produto de seu comprimento e largura. Se o retângulo for reduzido por um fator de 100 (ou seja, tanto o comprimento quanto a largura forem divididos por 100), sua área encolherá por um fator de (1/100)^2 = 1/10,000. Portanto, o fator de escala para a área é S². Da mesma forma, o fator de escala para o volume é S³ — o que significa que, à medida que a escala encolhe, o impacto do volume se torna muito maior do que o impacto da área da superfície.

Em uma determinada escala, considerar cuidadosamente os fatores de escala de diferentes forças pode revelar os fenômenos físicos mais relevantes. A tensão superficial escala com S¹, a pressão e as forças eletrostáticas com S², as forças magnéticas com S³ e a gravidade com S⁴. Isso explica por que um strider aquático pode andar sobre a água e por que o desempenho dos rolamentos de esferas é diferente daquele de um sistema estelar binário. Embora modelos matemáticos completos sejam necessários para qualquer projeto, os fatores de escala nos guiam no projeto de dispositivos do tamanho de MEMS.

Modelagem de Subsistemas

Como dispositivos submilimétricos geralmente não são intuitivos, a modelagem é essencial no design de MEMS. Em termos gerais, um sistema MEMS completo é complexo demais para ser modelado como um todo, então o sistema é tipicamente dividido em múltiplos subsistemas.

Uma abordagem para modelagem de subsistema é a classificação por função, como sensores, atuadores, componentes microeletrônicos e estruturas mecânicas. A modelagem de elementos concentrados segue essa abordagem, representando as partes físicas do sistema como componentes separados idealizados. Os circuitos elétricos são modelados da mesma forma, usando resistores, capacitores, diodos e vários elementos complexos idealizados. Em muitos casos, engenheiros elétricos simplificam a modelagem de circuitos usando as leis de Kirchhoff em vez das equações de Maxwell.

Similar à eletrônica, os sistemas podem ser modelados abstratamente usando diagramas de blocos. Neste nível, as propriedades físicas de cada componente são colocadas de lado, e apenas funções de transferência são usadas para descrever o sistema. Este tipo de modelo MEMS é mais adequado para a teoria de controle, uma ferramenta vital para design de alto desempenho.

Integração do projeto

Enquanto o design padrão de CI normalmente segue uma série de etapas, o design de MEMS é diferente; o design, layout, materiais e embalagem são intrinsecamente interligados. Como resultado, os designers de MEMS devem ser especialmente adeptos a garantir que um sistema completo funcione bem, desde a microescala até o dispositivo finalizado.

O design de MEMS geralmente envolve uma mistura de engenheiros mecânicos e elétricos. Essa equipe interdisciplinar aborda a tarefa como faria com um sistema integrado, que inclui o acoplamento de subsistemas mecânicos, elétricos, térmicos, ópticos, fluídicos e biológicos. Portanto, o design de MEMS às vezes é visto como um desafio de integração de sistemas, em vez de apenas mecânico ou eletrônico.

Conclusão

A tecnologia MEMS revolucionou muitas indústrias ao fornecer soluções miniaturizadas e econômicas para várias aplicações. De sensores e atuadores a câmeras baseadas em MEMS, esses dispositivos estão permitindo inovação em automóveis, eletrônicos, saúde e muito mais. À medida que a tecnologia MEMS continua a avançar, podemos esperar mais avanços em design, eficiência e funcionalidade em todas as indústrias.