Mergulho Profundo em Mecanismos de Atuação e Sensoriamento MEMS: Guia para Projeto Avançado de Sensores

Resumo

Nas últimas duas décadas, o avanço em dispositivos de Sistemas Microeletromecânicos (MEMS) é altamente demandado para integrar sensores miniaturizados economicamente com tecnologia de fabricação. Um sensor é um sistema que detecta e responde a múltiplas entradas físicas convertendo-as em formas analógicas ou digitais. O sensor transforma essas variações em uma forma que pode ser utilizada como marcador para monitorar a variável do dispositivo. MEMS exibe excelente viabilidade em sensores miniaturizados devido à sua pequena dimensão, baixo consumo de energia, desempenho superior e fabricação em lote. Este artigo apresenta os desenvolvimentos recentes em mecanismos padrão de atuação e sensoriamento que podem servir dispositivos baseados em MEMS, espera-se que revolucione quase muitas categorias de produtos na era atual. Os princípios destacados de atuação, mecanismos de sensoriamento e aplicações reais também foram discutidos. A compreensão adequada dos mecanismos de atuação e sensoriamento para dispositivos baseados em MEMS pode desempenhar papel vital na seleção eficaz para projeto de aplicações novas e complexas.

Introdução

Sensores e atuadores são coletivamente denominados transdutores, que servem à função de transformar sinais ou potência de um domínio de energia para outro [1, 2]. Uma ampla gama de instrumentos de transdução converte sinais físicos em sinais elétricos (sensores). Além disso, os sinais de saída são processados por sistemas eletrônicos usando circuitos integrados (CIs), assim como convertendo sinais elétricos em sinais físicos (atuadores) [3]. Particularmente, sensores são dispositivos que detectam e monitoram fenômenos físicos (vibração, pressão, vazão) ou variações de composição (condutividade elétrica e potencial hidrogênio (pH)). Sensores convertem variações em forma particular que pode ser utilizada para marcar ou controlar variáveis medidas [4, 5], enquanto atuadores produzem movimento mecânico e força/torque. Em outras palavras, sensoriamento pode ser amplamente definido como processos de transdução de energia que resultam em percepção, enquanto atuação são processos de transdução que produzem ações. Sensores consistem em três partes: elemento sensor para detectar grandeza física e química, transdutor para converter o parâmetro detectado em sinal elétrico, dispositivo de leitura como computador para ler e interpretar o sinal convertido.

O desempenho de sensores é avaliado por parâmetros característicos como sensibilidade, resolução e exatidão. A sensibilidade determina o valor mínimo de concentração da substância alvo. Resolução refere-se à razão entre a magnitude máxima medida e a menor parte que pode ser determinada. Exatidão é a quantidade de incerteza na medição em relação a um padrão absoluto, podendo influenciar diretamente a análise qualitativa do sensor [6]. O limite de detecção (LOD) é a menor quantidade de substância que pode ser distinguida pelo sensor, representando a capacidade de identificar uma substância particular. O tempo de resposta é o período quando a concentração atinge certo limite e o sensor produz sinal de alerta; o tempo de recuperação é o período após a detecção para o material sensor recuperar seu estado basal.

Nas últimas décadas, avanços em tecnologias de fabricação de dispositivos microeletrônicos produziram sistemas de dispositivos precisos e de alto desempenho. A tecnologia foi comprimida ao ponto de fazer dispositivos tão minúsculos que não são perceptíveis ao olho humano. Sistemas microeletromecânicos (MEMS) envolvem a inovação de dispositivos minúsculos que podem representar modelos como sensores ou atuadores. O desenvolvimento contínuo em MEMS promete equipamentos eletrônicos miniaturizados otimizados e econômicos [7-9]. Dimensões típicas de dispositivos MEMS são geralmente medidas em dezenas ou centenas de mícrons. Utilizando os mesmos métodos de fabricação torna-se como construir microprocessadores. Atualmente, sensores e atuadores podem ser construídos em escala similar com chips de microprocessador. Em desenvolvimentos recentes, fabricação em lote de sensores de pressão, temperatura, inerciais etc. em microescala foi demonstrada para escala de lote usando unidade de manipulação de chip similar. A sobreposição precisa de um sistema em um chip pode permitir operação de sistemas complexos [10, 11].

MEMS é uma tecnologia fabricada usando materiais semicondutores e incorpora componentes mecânicos, sensores, atuadores e elementos eletrônicos em substrato de silício com tamanhos de característica variando de poucos milímetros a mícrons [12]. Esses sistemas podem realizar operações de sensoriamento, controle e atuação em microescala, operando individualmente ou em lote para produzir efeito em macroescala. A tecnologia MEMS considera a combinação de microeletrônica com tecnologia de micromecânica em wafer de Si típico em dispositivos semicondutores de óxido metálico típicos [13]. Recentemente, a tecnologia MEMS cresceu significativamente para reconhecer diferentes tipos de sensores e atuadores naturais. Além disso, tem sido utilizada em fabricação de sensores miniaturizados em grande número de aplicações devido a baixas potências [14], resposta rápida, fabricação em array em medidas mecânicas, facilidade, baixo custo e melhor sensibilidade. Significativamente, a razão superfície/volume do material sensor aumentou substancialmente, reduzindo a temperatura de operação de sensores baseados em óxido metálico e aumentando a demanda por materiais de expansão [15-17].

Recentemente, sensores baseados em óxido metálico como dióxido de titânio (TiO₂), dióxido de estanho (SnO₂) e óxido de zinco (ZnO) tornaram-se o tipo mais atraente para detecção de gases [18]. O princípio de funcionamento da técnica de semicondutor de óxido metálico (MOS) depende da mudança na resistividade de um semicondutor de óxido metálico usado como material aceitador quando exposto a gás analito durante detecção [19]. No entanto, a alta sensibilidade desses sensores só seria alcançada em temperaturas elevadas de operação [20], além de haver problemas de seletividade. Uma abordagem alternativa é combiná-los com outros componentes sensores, particularmente nanopartículas de metais nobres (Au, Ag, Pd, Pt), para superar as barreiras mencionadas, devido às vantagens extremas de sensibilização química e eletrônica [21-23].

Dispositivos MEMS podem ser fabricados na MEMSCAP US através dos procedimentos MUMPs (Multi-User MEMS). MUMPs é um programa lucrativo que dá criação prática de MEMS de prova de conceito para pesquisa industrial e acadêmica. A MEMSCAP fornece três procedimentos padrão como parte do pacote MUMPs: PolyMUMPs, processo de microfabricação de superfície de três camadas de polissilício; MetalMUMPs, processo de níquel eletrodepositado; e SOIMUMPs, processo de microfabricação silicon-on-insulator [24]. Procedimentos MEMS desenvolveram-se das tecnologias únicas de fabricação de dispositivos semicondutores: deposição, padronização e gravação de camadas de material [7, 25]. Os passos da tecnologia de fabricação MUMPs são mostrados no manual de regras de projeto [24]. Apesar da tecnologia de fabricação, sensores MEMS têm sido amplamente usados como instrumentação ou questões de conforto humano em aplicações industriais e domésticas. Devido às diversas condições de trabalho de sensores MEMS em diferentes campos de aplicação (uso interno a externo), diferentes tipos de sensores MEMS foram modelados baseados em vários princípios de funcionamento e materiais sensores diferentes. Sensores MEMS são essenciais em sistemas de detecção de gases, incluindo sensores de umidade e gases tóxicos [19].

MEMS é um domínio amplo cobrindo quase todos os aspectos de nossa vida atual, como sensores e atuadores. Os domínios emergentes de microeletrônica, incluindo quase todas as categorias de produtos em formas miniaturizadas, contribuíram para rápido desenvolvimento no campo de técnicas de atuação e sensoriamento em seus processos de produção e integração. A eficácia de uma aplicação alvo é criticamente dependente da seleção adequada de um atuador específico. Além disso, a eficiência básica do atuador depende de fatores como métodos de potência e controle, compatibilidade, grau de empacotamento necessário e custo-efetividade. Este artigo fornece análise completa das tecnologias de atuação e sensoriamento MEMS investigadas para aplicações funcionais, com ênfase em muitas formas comuns de transdução, para promover o avanço desta área emergente abordando esses fatores principais. O restante do artigo está organizado da seguinte forma. Seção II introduz Sistemas Micro-Eletro-Mecânicos. Seção III apresenta revisão breve dos mecanismos de atuação (diferentes princípios e abordagens para atuar dispositivos MEMS incluem: atuação eletrostática, eletrotérmica, eletromagnética e piezoelétrica). Seção IV introduz visão geral dos mecanismos de sensoriamento incluindo piezorresistivo, capacitivo e óptico, e seção V apresenta discussão sobre perspectivas de dispositivos baseados em MEMS, finalmente seção VI fornece conclusões e tendências futuras.

Sistemas Micro-Eletro-Mecânicos

A primeira aparição do que hoje é conhecido como tecnologia MEMS remonta a 1º de abril de 1954, quando Smith (1954) publicou artigo no Bell Telephone Lab como Physical Review. Esta é a primeira descrição de alguns efeitos sensíveis a tensão em silício e germânio, chamados piezorresistores [26]. MEMS não é a abreviação principal especialmente razoável devido à enorme expansão e variedade de dispositivos e sistemas miniaturizados (o campo não é apenas micro, elétrico e sistemas mecânicos). No entanto, a abreviação MEMS é mais comumente utilizada para indicar todo o campo (todos os dispositivos resultantes de micromecânica exceto CI), também escrito como micro-eletro-mecânico, Microeletromecânico ou microeletrônico e MEMS nos Estados Unidos) [3]. Diferentes nomes para esta área geral de miniaturização envolvem Tecnologia de Microssistemas (MST) famosa na Europa [27], e Micromecânica famosa na Ásia [28]. Dispositivos MEMS envolvem amplo escopo de domínios para medir informação do ambiente circundante e convertê-la em sinais elétricos úteis. Existem seis domínios de energia principais de interesse:

1. Domínio elétrico (envolve campo elétrico, corrente, tensão, resistência, carga, capacitância, indutância, constante dielétrica, polarização e frequência).

2. Domínio químico (inclui composição, taxa de reação, concentração, pH e potencial de oxidação ou redução).

3. Domínio mecânico (envolve comprimento, largura, área, todas derivadas temporais como velocidade, aceleração, vazão mássica, volume, força, pressão, torque, comprimento de onda acústico e intensidade acústica).

4. Domínio térmico (inclui temperatura, vazão, calor, calor específico, entropia e estado de qualquer matéria).

5. Domínio radiativo (envolve intensidade, fase, polarização, comprimento de onda, reflectância, transmitância e índice de refração).

6. Domínio magnético (inclui intensidade de campo, permeabilidade, densidade de fluxo e momento magnético).

Esses domínios de energia e parâmetros comumente encontrados neles são resumidos na (Tabela 1). A energia total dentro de um sistema pode coexistir em vários domínios e deslocar-se entre vários domínios sob as circunstâncias certas [1, 29].

Categorização de dispositivos MEMS

De acordo com a operação do chip projetado, MEMS pode ser dividido em diferentes categorias. Pode ser usado para executar sensoriamento para medir, monitorar e detectar gases perigosos. Outra classificação é usar MEMS como dispositivo de ação que atua sobre o corpo ou com materiais do corpo, como fluidos, ou atuando fora do corpo, como dispositivos usados em sistemas de liberação de fármacos. Dispositivos MEMS foram incorporados em quatro categorias distintas baseadas nas áreas de aplicação principais (Fig. 1), que incluem: fluídico, radiofrequência (RF), óptico, e bio MEMS [10, 30-33].

Para a maioria das tecnologias atuais, sensores MEMS são um novo campo preferido para muitas aplicações práticas desde eletrônicos de consumo à indústria aeronáutica. A característica mais importante de MEMS é a capacidade de comunicar eficazmente com componentes elétricos em chips semicondutores, e a indústria de sensores foi revolucionada usando tecnologia MEMS combinando funções eletrônicas e ações mecânicas [34], normalmente têm baixo consumo de energia e alta sensibilidade devido ao tamanho pequeno [35, 36]. Dispositivos de sensores baseados em MEMS têm muitas vantagens que os tornam importantes em várias aplicações. Estas incluem baixo custo devido à potencialidade de fabricação em array [37, 38], baixo consumo de energia [37-40] e tamanho pequeno [38-42]. Também, MEMS tem muitas outras vantagens como leveza, alta resolução, desempenho estável e facilidade de integração com outros dispositivos e sistemas. Reduções de dispositivo micromecânico para micromecânico foram melhoradas em várias áreas, por exemplo, sensores inerciais, sensores químicos, impressoras jato de tinta, giroscópios, satélites, comunicações RF, smartphones, sensores de pressão, acelerômetros, instrumentação biomédica [43], aplicações militares, sensores de movimento e força [44]. Além disso, o baixo custo e simplicidade do processo de fabricação desempenham papel crucial na fabricação comercial [45].

De acordo com o princípio de funcionamento, dispositivos sensores podem ser divididos em duas categorias baseadas no princípio: modo estático e dinâmico de operação do dispositivo [46, 47]. Quando dispositivos MEMS baseiam-se no modo estático, um sinal de frequência não é incluído. Também, a viga é defletida devido à massa de adsorção superficial, causando resultados temporários de tensão e deformação estrutural. Pode ser detectado ópticamente ou sensado por mudanças no piezorresistor. Certas ligações químicas surgem na superfície do dispositivo, e a nanomecânica interna pode curvar a viga de detecção MEMS [46]. No modo dinâmico, para obter desempenho ótimo do dispositivo, uma frequência de ressonância mecânica deve ser estimulada. A amplitude máxima alcançável pelo sistema vibratório e excitar ressonância máxima em sistema específico é chamada frequência de ressonância. Na qual a frequência de ressonância é afetada por dois parâmetros principais: constante da mola da viga e sua massa efetiva, mudando de acordo com estes parâmetros. Este é o princípio de funcionamento para utilizar a mudança na frequência de ressonância como meio de detecção. O fator de qualidade deve ser alto para obter sensibilidade e resolução desejadas [48, 49]. É necessário entender e comparar esses mecanismos pois são a base da operação de dispositivos baseados em MEMS e detecção de sinal de saída.

Técnicas de Atuação

A técnica de atuação é o termo dado ao mecanismo que transforma energia de entrada em movimento de microestrutura. Existem diferentes princípios e abordagens para atuar dispositivos MEMS [7, 50-55], os mais importantes incluem: atuação eletrostática [56-64], eletrotérmica [4, 44, 65-68], eletromagnética [7, 69], e piezoelétrica [48, 70] (Fig. 2). Dispositivos sensor CMOS-MEMS complementares são projetados para trabalhar com atuação eletrostática usando capacitores de placas paralelas ou atuação eletrotérmica usando microaquecedor. Por outro lado, dispositivos sensor PolyMUMPs e MetalMUMPs são projetados para usar atuação eletrotérmica usando microaquecedores embutidos [71].

Técnicas de atuação de dispositivo sensor baseado em MEMS

Dispositivos baseados em MEMS poderiam ser atuados aplicando força senoidal F(t) através de um dos métodos de atuação mencionados. A Equação (1) é usada para encontrar a equação geral do movimento já que M é a massa total da placa superior, b é o coeficiente de amortecimento, k constante da mola da viga flexível,

$$M\ddot{\gamma} + b\dot{\gamma} + k\gamma = F(t)$$ (1)

onde F representa a amplitude da força de acionamento externa na direção z, \(\ddot{\gamma}\), \(\dot{\gamma}\) e γ são a aceleração, velocidade e deslocamento da massa, respectivamente.

Atuadores eletrostáticos são bastante difundidos; têm tempo de resposta rápido e baixo consumo de energia [72]. Por outro lado, atuadores usando princípio eletrotérmico são populares; têm grande força de acionamento e deslocamento sob baixa tensão de acionamento. Atuadores eletromagnéticos têm méritos como resposta rápida, grande deslocamento. Atuadores usando princípio piezoelétrico têm alta sensibilidade embora pequena força de acionamento e deslocamento por unidade de tensão. Portanto, boa compreensão do princípio que ocorre é essencial para obter dispositivo de alto desempenho com uma dessas abordagens de atuação.

Atuação Eletrostática

A principal fonte da atuação eletrostática é o campo elétrico do capacitor, e baseia-se na força atrativa entre duas placas paralelas com cargas opostas [12]. A atuação eletrostática baseia-se na lei de Coulomb que descreve a força recíproca entre duas cargas a certa distância gerada entre placas fixa e móvel. A atuação eletrostática é considerada um dos mecanismos mais populares para atuar dispositivos MEMS. Têm design simples, tempo de resposta rápido, facilidade de fabricação e baixo consumo de energia. No entanto, a não-linearidade e o valor elevado da tensão de acionamento é o principal problema deste tipo de atuador [72]. Alguns tipos de atuação eletrostática devem ser cuidadosamente considerados ao estudar MEMS sob atuação eletrostática. As formas mais prevalentes baseiam-se em capacitor consistindo de duas placas paralelas simples ou estrutura de pente consistindo de múltiplos dedos interdigitados ou não interdigitados [72, 73]. Um método convencional [74] é a atuação de placas paralelas na qual a placa móvel superior tem certa polaridade, e a placa fixa inferior tem polaridade oposta (Fig. 3). O deslocamento e vibração da placa móvel dependem da diferença de tensão entre as duas placas. Quando a polaridade das cargas são similares, haverá deslocamento repulsivo entre placas fixa e móvel, mas quando as duas placas têm cargas diferentes, a placa móvel será atraída para a placa fixa. Atuação resulta quando o tipo de cargas na placa móvel são alteradas periodicamente [50, 56, 74].

Capacitor de placas paralelas para atuação eletrostática [75]

Instabilidade de pull-in é um dos principais problemas quando a placa paralela é acionada eletrostaticamente porque a placa fixa está logo abaixo da microviga e o atrito estático causa colapso do dispositivo [74, 76]. Atuadores de pente consistem em dois conjuntos de pentes de estruturas de dedos interdigitados (Fig. 4). São comumente colocados na mesma placa paralela ao substrato onde um dedo de pente é fixo, e o outro conectado a estruturas flexíveis (ex: molas) para mover-se para e longe da placa fixa [72]. Quando tensão diferente é aplicada entre o pente móvel e dedos de pente fixo, a força eletrostática dos campos de franja atrai os dois pentes juntos por força senoidal externa fixa. Comumente, capacitores de placas paralelas são mais fortes que atuadores de pente por unidade de área porque têm maior capacitância de sobreposição entre placas fixa e móvel do atuador. No entanto, projetistas preferem atuadores de pente devido a duas razões principais: produz deslocamento maior (algumas dezenas de micrômetros disponíveis), e a força é relativamente não relacionada ao deslocamento. No geral, a atuação eletrostática encontrou amplas aplicações em atuador micromecânico [77], aplicação em biossensor [56], sensoriamento de umidade [57], aplicações de sensoriamento de partículas e massa [50, 78], sistema de nanoposicionamento MEMS [58], aplicações de chaves RF MEMS [13, 79], ruído de loop fechado de osciladores MEMS [60], navegação (GPS automotivo) [62, 80], giroscópios [81], detecção de biomarcadores em ar exalado [82] e sensores de gás sensíveis à massa [63]. Além disso, modelo teórico de dispositivo sensor CMOS-MEMS capacitivo e atuado eletrostaticamente para triagem não invasiva de diabetes também foi relatado. Onde triagem diabética foi conduzida através de detecção de vapor de acetona em ar exalado (EB), usando polímero quitosana como material sensor. Especificamente, sensibilidade otimizada relatada cerca de 0,042, 0,066, 0,13, 0,18 e 0,26 pm/ppm [83].

Esquemático das configurações de atuação por pente eletrostático [84, 85], a atuador de pente interdigitado longitudinal; b atuador transversal

Para excitar um dispositivo MEMS em condição ressonante ou modo de vibração, uma acionamento alternativo deve ser realizado aplicando tensão CA entre as duas placas de estator e rotor. Os modos de acionamento padrão são mostrados a seguir [49]: tensão alternativa simples (V₁sinωt), tensão alternativa com polarização CC (V₀ + V₁sinωt) e acionamento push-pull (Fig. 5). Acionamento push-pull é geralmente considerado a melhor solução porque forças estruturais podem ser aplicadas a ambos os lados do rotor. Push-pull é acionamento ideal apropriado para esquema de pente [49].

Ressonador de pente a Acionamento por tensão alternativa simples, b tensão alternativa com polarização CC, e c esquema de acionamento push-pull [86]

Atuação Eletrotérmica

Técnicas eletrotérmicas são mostly utilizadas em acionamentos MEMS enquanto raramente em aplicações de sensoriamento [72]. A técnica eletrotérmica é essencialmente apropriada para configuração flexível para gerar movimento com deslocamento desejado. Acionamento é conduzido por corrente CA aplicada através dos terminais do microaquecedor embutido devido à força térmica resultante como resposta à diferença de temperatura das diferentes camadas [66]. O microaquecedor é feito de componentes de diferentes camadas de material e opera em temperaturas elevadas. Quando corrente CA é aplicada, a temperatura do dispositivo sobe; devido à incompatibilidade no coeficiente de expansão térmica (CTE) dos diferentes materiais, o material expande, causando tensão térmica que faz o dispositivo curvar [72]. Por outro lado, a abordagem de resfriamento pode ser acessível através de condução ao substrato e convecção ao ar circundante (ou líquido).

Essas mudanças de temperatura afetam o dispositivo de duas formas, conforme relatado em [44, 87]: (1) mudanças dimensionais no dispositivo ou tensões geradas dentro do dispositivo, e (2) propriedades do material do dispositivo variam com temperatura. A técnica de corrente precisa ser compactada ao microaquecedor. Microaquecedor gera calor desejado devido a corrente específica aplicada ao resistor pode resultar em baixa dissipação de potência e tempo de resposta rápido. A força eletrotérmica pode ser descrita por (2) [88].

$$F_{th} = \alpha_{T} AE(T - T_{0})$$ (2)

onde α_T é o CTE, E é o módulo de Young da viga, A é a área de seção transversal da viga, T é a temperatura final, e T₀ é temperatura inicial antes do aquecimento. Vários materiais têm sido usados em projetos de microaquecedor. Por exemplo, para melhor desempenho, precisão, ampla faixa de temperatura e estabilidade, platina e ouro serão as melhores decisões para o microaquecedor [89]. No entanto, são caros [90]. Utilizar microaquecedores em sensores MEMS precisa de sensor de temperatura embutido para converter calor produzido em saída útil. Para sensores de temperatura, platina está disponível na faixa -200 °C a 800 °C e níquel em -100 a 260 °C [90]. Segundo relatos, alumínio também é bom material para sensoriamento de temperatura [91]. A Figura 6 mostra os mecanismos comuns de atuação eletrotérmica que incluem Atuador U-Beam (braço quente/frio), atuador bimorfo (atuador bi-material), e atuadores de flambagem (Atuador V-Beam ou vigas shuttle).

Esquemático da atuação eletrotérmica a Atuador U-Beam (braço quente/frio), b atuador bimorfo (atuador bi-material), c e d atuadores de flambagem (Atuador V-Beam e vigas shuttle) [67, 92]

Atuadores U-beam também são conhecidos como braços quente/frio, onde o atuador é feito de braço estreito (quente), braço largo (frio) âncora e pads de contato [67, 92]. É primariamente utilizado para incitação no plano ou horizontal comparativa com o substrato. O princípio de funcionamento depende de aplicar tensão diferencial sobre os pads de contato, corrente flui através dos braços, e os braços quentes (maior resistência) aquecem mais densidade de corrente que o braço frio (menor resistência). Um braço quente mais estreito é, portanto, mais quente e expandirá mais que um braço mais grosso. O braço quente produz grandes tensões térmicas. Essa deformação diferencial entre ambos os braços faz todo o dispositivo defletir.

Um atuador bimorfo, também referido como bi-material, consiste de dois materiais termicamente expansivos diferentes unidos. Diferente dos dois primeiros atuadores, o atuador bimorfo [93] é tipicamente usado para atuação fora do plano. À medida que a corrente passa pela viga, a temperatura do material aumenta. Esta temperatura produzirá expansão maior em um material que no outro porque tem coeficiente de expansão térmica diferente, resultando em tensão térmica e curvatura do dispositivo.

Atuadores de flambagem térmica consistem de viga-V ou viga shuttle [94], âncoras e pads de contato, também primariamente usados para atuação no plano ou lateral. À medida que corrente flui entre a viga, elevação de temperatura da viga causa expansão térmica devido ao aquecimento Joule que ocorre, que tende a expandir e mover o shuttle ou empurrar a viga central do dispositivo para frente na direção mais simples e menos resistente.

Na implementação real, a maioria dos dispositivos MEMS com atuação térmica são vibrados em frequências próximas à frequência natural, então é essencial calcular a frequência natural dos dispositivos. A tecnologia eletrotérmica torna-se mais prevalente devido à sua grande força de acionamento e deslocamentos baseados na expansão térmica dos dois materiais de camada sob tensão de excitação muito baixa, que não pode ser realizada por outras estratégias quando medidas similares são utilizadas [85, 95]. A atuação eletrotérmica exibe múltiplas vantagens como grande deslocamento [95], facilidade de fabricação [72], grande força, e tensão aplicada relativamente baixa [52]. Por outro lado, requerem grande quantidade de corrente e amplificador de baixa tensão. Além disso, consome alta potência devido ao aquecimento Joule. Mais uma limitação é sensibilidade à temperatura ambiente. Finalmente, a temperatura de excitação e calor aumentado devido à atuação eletrotérmica podem induzir vários inconvenientes para eletrônicos vizinhos junto com a fase de empacotamento do sistema [72].

Numerosos tipos de atuação eletrotérmica foram desenvolvidos e estudados; Braço quente/frio [96-98], bi-material ou bimorfo [98, 99] e atuador de flambagem térmica [98, 100]. Referência [101] investigou vibrações de microcantilever sob atuação térmica usando atuador bimorfo. Referência [102] sugeriu procedimento estruturado para atuação térmica de anel de micro polissilício (RTA) fabricado utilizando processos MUMPs. Microcantilever baseado em atuação térmica foi projetado. Assumiram sistema em vácuo ou fluido (gás) líquido e sugeriram solução analítica [103]. Dennis et al. [44] fabricaram sistema (CMOS-MEMS) com microaquecedores embutidos operados em temperaturas relativamente altas (40-80 °C) para medir níveis de umidade usando nanopartículas de dióxido de titânio (TiO₂) como material sensor. O sensor operou em modo dinâmico usando atuação eletrotérmica e sinal de saída avaliado usando sensor piezorresistivo (PZR) conectado a circuito ponte Wheatstone. A tensão de saída do sensor de umidade sobe de 0,585 a 30,580 mV conforme umidade aumenta de 35% UR a 95% UR. A sensibilidade do sensor de umidade aumenta linearmente de 0,102 mV/% UR a 0,501 mV/% UR com aumento de temperatura de 40 a 80 °C e histerese máxima de 0,87% UR encontrada em umidade relativa de 80%. Em contribuição notável, Almur et al. [104] modelaram sistema de sensoriamento de vapor de acetona MetalMUMPs baseado em atuação eletrotérmica e sensoriamento capacitivo. A mudança de tensão de saída aumentou linearmente com aumento da concentração de vapor de acetona de 100 a 500 ppm com sensibilidade de concentração de 0,65 mV/ppm. Devido à camada espessa de níquel da tecnologia MetalMUMPs usada, o dispositivo tem massa muito alta (4,7 × 10⁻⁸ kg) e baixa sensibilidade de massa (0,118 MHz/pg).

Atuação Eletromagnética

A operação eletromagnética tem sido utilizada por muito tempo no sensoriamento e acionamento de aplicações de grande escala (como alto-falantes). Esta técnica demanda eletricidade para estimular o efeito magnético. Usa a força eletromagnética (também chamada força de Lorentz após o físico holandês Hendrik A. Lorentz 1895) para produzir campo magnético no ressonador aplicando corrente alternada na bobina ou indutor integrado no ressonador (Fig. 7). Força de Lorentz é definida como a força gerada em uma carga pontual como resultado das forças elétrica e magnética combinadas na carga [72]. Atuação eletromagnética também foi utilizada como guia para outras técnicas de atuação, por exemplo, eletrostática [33] e eletrotérmica [34]. Nesta técnica, quando um condutor conduzindo corrente elétrica I pode ser aplicado a campo magnético externo B, isso induzirá força de Lorentz F_L como declarado por (3) [72].

$$\vec{F}_{L} = L\vec{I} \times \vec{B}$$ (3)

onde L indica comprimento do condutor e × refere-se à operação de produto vetorial. A corrente no elemento condutor localizado dentro do campo magnético gera força eletromagnética em direção perpendicular à corrente e ao campo magnético. Esta força é diretamente proporcional à corrente, densidade de fluxo magnético e comprimento da microviga. Devido à interação gerada pela corrente entre o ímã e o campo magnético, um deslocamento mecânico na microviga será gerado como resultado da corrente aplicada à microbobina. Por exemplo, atuação eletromagnética foi usada para estimular microviga quando exposta a campo magnético externo fazendo corrente fluir através da microviga, como visto na Fig. 7a. Similarmente, à medida que corrente alternada flui através do dispositivo na microviga, esta abordagem pode ser usada para excitar ressonador fora do plano (Fig. 7b). Forças de Lorentz de valor igual e direções opostas são produzidas se a bobina for depositada em estrutura da microviga. As direções opostas da corrente fluindo através das diferentes partes da bobina correspondem a estas forças. Tais forças se equilibram. Figura 7c, no entanto, pode induzir movimento líquido usado para atuar a microviga [72].

Esquemático da atuação eletromagnética usando forças de Lorentz a atuador no plano, b e c atuador fora do plano [72]

A técnica eletromagnética envolve muitos méritos sobre outros tipos de técnicas de atuação. As principais vantagens incluem grande deslocamento sem influência de efeito não-linear [105], tensões mais baixas devido a serem baseadas em corrente em vez de tensão [7], alta taxa de reprodutibilidade, também têm mais características como resposta rápida, alta precisão, e mérito para controle fácil. Para aplicações MEMS, a técnica eletromagnética é a melhor escolha para alcançar máxima razão força de acionamento/tamanho do dispositivo [106]. No entanto, ainda sofrem de algumas desvantagens devido ao uso de corrente enorme resultando em alto consumo de potência, também sua fabricação é complicada (normalmente precisam de partes indutivas para produzir fluxo magnético também possibilidade de incluir fabricação de bobinas, e deposição de material magnético) [7]. Este fato combinado com dificuldades construtivas limitou aplicações de atuação magnética. No entanto, existem exemplos de aplicações bem-sucedidas na literatura como em dispositivos chaves MEMS [7], chaves ópticas, e micro scanners [69], giroscópios [107], ou relés [108]. Muitas pesquisas também são baseadas em atuação magnética [109]. Microssensores magnéticos utilizando processo CMOS comercial 0,35 µm foi investigado [110]. Em contribuição adicional, Barba et al. [111] projetaram cantilevers MEMS atuados eletromagneticamente propostos para minimizar fenômenos parasitas usando silício dopado com boro. Em outro trabalho seminal, dispositivo CMOS-MEMS atuado eletromagneticamente e piezoelétricamente e sensado piezorresistivamente foi modelado para sensoriamento de umidade usando ZnO NRs (6 µm/quitosana SAMs) como material sensor [83]. A sensibilidade foi 83,3 ppm [112].

Atuação Piezoelétrica

Efeito piezoelétrico indica a capacidade de um material particular produzir tensão elétrica em resposta a tensão mecânica aplicada. Piezoeletricidade foi descoberta pelos irmãos Curie em 1880, e 'Piezo' vem do grego significando 'prensar' ou 'empurrar'. Atuador piezoelétrico definido como transdutores que converte potencial aplicado em movimento mecânico ou deformação baseada na influência piezoelétrica [72]. Materiais piezoelétricos como quartzo, óxido de zinco, titanato de chumbo zircônio (material cerâmico piezoelétrico PZT), e polivinilideno difluoreto (PVDF) são comumente usados em aplicações de sensor e atuador em macroescala bem como em aplicações MEMS nos últimos anos, mas o sensoriamento é limitado devido à falta de resposta CC [49]. Materiais piezoelétricos atuam eletricamente como isoladores e requerem ser colocados entre dois eletrodos condutores para coletar carga ou aplicar campo elétrico (usando eletrodo interdigitado ou estrutura sanduíche) [113].

Em dispositivos MEMS, o princípio básico do método de atuação piezoelétrica baseia-se em usar camada piezoelétrica fina depositada como parte da viga MEMS entre flexíveis (Fig. 8). Quando tensão é aplicada à camada piezoelétrica, o material piezoelétrico expande de acordo com a polarização da tensão aplicada, causando curvatura axial ao longo do comprimento da viga flexível [114].

Esquemático do atuador piezoelétrico [72]

Em geral, atuadores piezoelétricos exibem muitas vantagens como alta força de saída, boa largura de banda operacional, tamanho muito compacto, leveza, baixo consumo de energia, e resposta rápida [114, 115]. Suas características são bem conhecidas e usadas há décadas. A maioria dos primeiros sensores usa atuação piezoelétrica e ainda estão em uso hoje. No entanto, pequenos deslocamentos de atuadores são uma desvantagem principal, e sua alta sensibilidade à temperatura [72], área de trabalho não-linear e histerese limitam sua ampla gama de aplicações [49]. Materiais piezoelétricos são muito frágeis. Raramente podem ser utilizados sozinhos mas frequentemente conectados a estrutura flexível para aplicações de atuação e sensoriamento. Existem vários trabalhos baseados em atuação piezoelétrica [2, 48, 114, 116] estudaram o potencial de usar microcantilever piezorresistivo para aplicação ambiental, particularmente sensoriamento de umidade. Mahdavi et al. [117] propuseram nova classe de medições precisas de ponto de orvalho aproveitando ressonadores de Piezoelétrico-fino-em-Silício (TPoS) usando ZnO NRs (6 µm/quitosana SAMs). A sensibilidade foi 16,9-83,3 ppm na faixa de tempo de resposta de 46 s/167 s. Sensibilidade a carregamento de massa baseada em excitação piezoelétrica investigada para sensoriamento químico [118, 119] relataram transdução piezoelétrica de ressonadores de silício modo flexural para alcançar compensação de temperatura eficiente. Sensor de gás de ressonância usando MEMS piezoelétrico para aplicações de defesa foi relatado [120].

Discussão das Técnicas de Atuação

Diferentes tipos de atuadores MEMS requerem diferentes eletrônicos de acionamento. Conforme mencionado neste artigo, existem diferentes princípios e abordagens para atuar dispositivos MEMS. Os mais importantes incluem: atuação eletrostática, eletrotérmica, eletromagnética, e piezoelétrica. Atuadores eletrostáticos são campo tradicional e considerado um dos mecanismos mais populares para atuar dispositivos MEMS. Têm design simples, tempo de resposta rápido, facilidade de fabricação e baixo consumo de energia. No entanto, a não-linearidade e o valor elevado da tensão de acionamento é o principal problema. Atuadores eletrotérmicos fornecem resistência muito baixa às suas fontes de acionamento e requerem altas correntes em vez de altas tensões para movê-los. Amplificadores de alta tensão não são particularmente adequados para uso em atuadores MEMS eletrotérmicos. Em vez disso, fonte de sinal de baixa tensão e alta corrente é necessária. Claro, isso também pode funcionar se a corrente de saída do amplificador de alta tensão for grande o suficiente para acionar o atuador eletrotérmico, mas não é solução particularmente eficiente energeticamente ou custo-efetiva. Para aplicações MEMS, tecnologia eletromagnética é a melhor escolha para alcançar máxima razão força de acionamento/tamanho do dispositivo. No entanto, ainda sofrem de desvantagens devido ao uso de corrente enorme resultando em alto consumo de potência, também sua fabricação é complicada (normalmente precisam de partes indutivas para produzir fluxo magnético também possibilidade de incluir fabricação de bobinas, e deposição de material magnético). Atuadores piezoelétricos também requerem amplificadores de alta tensão, mas como são tipicamente usados para ressonância, os requisitos de acionamento em termos de tensão são tipicamente menores que os requeridos para outros atuadores. A pesquisa recente de dispositivos sensores baseados em MEMS que podem ser atuados usando as quatro técnicas básicas de atuação usadas nos últimos anos para muitas aplicações, como mostrado na Tabela 2. Pode ser claramente observado padrão de desenvolvimento crescente no campo de micro-montagem e micromanipulação para dispositivos sensores baseados em MEMS categorizados baseados em técnicas de atuação. Atualmente, ampla gama de aplicações foi identificada para dispositivos sensores baseados em MEMS que fornecem alta sensibilidade e resolução. Os sistemas de sensoriamento estão ficando mais robustos e confiáveis devido à configuração de integração.

Mecanismos de Sensoriamento para Sinal de Saída

O mecanismo de sensoriamento é usado para sensar a saída dos dispositivos MEMS. A base da técnica de sensoriamento baseia-se no uso de polímero depositado na camada sensora do dispositivo para absorver químico particular que cria variação na tensão, massa, características elétricas ou mecânicas da viga. Para estimar a mudança na massa, a frequência de ressonância do dispositivo pode ser medida baseada no incremento de massa detectado que é um de seus parâmetros. Por outro lado, quando o polímero absorve a massa, piezorresistor situado na superfície do elemento sensor pode ser usado para estimar a massa da viga. Outro método de detectar químicos suspeitos é usar termopares para medir mudanças de temperatura causadas pelo calor gerado pelo polímero absorvendo analito [49].

Para sensar a saída destes dispositivos MEMS métodos como piezorresistivo, capacitivo ou óptico são usados (Fig. 9) [123]. Diferentes mecanismos de sensoriamento têm diferentes vantagens e desvantagens ao mesmo tempo.

Mecanismos de sensoriamento de dispositivos sensores baseados em MEMS

Por exemplo, sensoriamento óptico tem boa viabilidade; no entanto, é muito caro para implementar comparado a técnicas capacitivas e piezorresistivas [124]. Técnicas capacitivas e piezorresistivas são os métodos comuns usados para sensar sinal de saída. Dispositivo CMOS-MEMS foi projetado para abranger tanto técnicas piezorresistivas quanto capacitivas devido às características da tecnologia CMOS 0,35 µm usada para projetá-lo. Em contraste, dispositivos PolyMUMPs e MetalMUMPs foram projetados para usar apenas técnicas de sensoriamento capacitivo.

Sensoriamento Piezorresistivo

Piezorresistivo é princípio de sensoriamento comum usado em dispositivos MEMS. Essencialmente, o princípio de materiais piezorresistivos baseia-se na mudança de resistência quando sua deformação muda em resposta a tensão aplicada. Esta mudança pode ser observada na resistência elétrica do material do dispositivo como consequência de mudança de tensão superficial devido à curvatura. O valor de resistência do piezorresistor com resistividade ρ de um resistor, comprimento l e área de seção transversal A é dado por (4) [29].

$$R = \frac{\rho l}{A}$$ (4)

A mudança ΔR na resistência é proporcional à deformação aplicada pode ser definida em (5) [29, 125].

$$\Delta R = G\varepsilon R$$ (5)

onde G é o fator de gauge funcionando como constante de proporcionalidade do piezorresistor, ε é a deformação no material, e R é a resistência do piezorresistor. Um elemento piezorresistivo comporta-se diferentemente para componentes de deformação longitudinal e transversal apresentados por [29]. Segundo (5), a resistência de um piezorresistor pode variar devido a mudanças na geometria (comprimento e seção transversal) ou na propriedade do material (resistividade). Detecção piezorresistiva depende da diferença na resistividade do material quando tensão é aplicada. Em material piezorresistivo, a mudança de resistividade por aplicação de tensão tem efeito muito maior na resistência que a mudança na resistividade por mudança na geometria (sensores que dependem da mudança de resistência devida à geometria são chamados extensômetros) [72]. (Fig. 10) mostra diferentes orientações de resistor e direções de carregamento de força externa [88].

a Piezorresistência longitudinal domina, b e c piezorresistência transversal domina apresentado [29]

A principal desvantagem deste mecanismo de sensoriamento é a forte dependência de temperatura da resistividade. Para limitar este impacto, normalmente, uma coleta de quatro piezorresistivos projetados é utilizada para formar ponte Wheatstone. Isso limita a dependência de temperatura [72]. Além disso, as pequenas mudanças no sinal elétrico gerado por extensômetros são traduzidas e medidas como tensões utilizando esta ponte Wheatstone [49]. Ponte Wheatstone utiliza quatro resistores arranjados na ponte dos quatro braços (Fig. 11). Baseado na quantidade desses resistores ativos (atuando como transdutor), ponte ativa simples (transdutor único), ponte semi-ativa (transdutores duplos), e ponte totalmente ativa (transdutores quádruplos) da ponte Wheatstone podem ser utilizados conforme relatado [72]. A ponte ativa simples também chamada Ponte Quarto utiliza apenas um componente ativo que muda devido a ambiente físico, por exemplo, pressão, força, temperatura, enquanto os demais resistores serão passivos e assim por diante. Sistemas MEMS têm sido usados como temperatura, calorímetro, e em combinação com a ponte Wheatstone, sensores permitem flutuações de base. Sistema de ponte térmica é uma das plataformas de sensoriamento mais conhecidas entre MEMS. Na configuração de ponte Wheatstone acionada por CA (Fig. 11b), pesquisadores utilizaram termometria baseada em resistência para analisar mudanças de temperatura com resolução de micro-Kelvin. Em visão geral, a metade direita da ponte compreende resistor sensor no ramo inferior com resistência associada no topo, enquanto o lado esquerdo é definido como o correspondente. Resistores fixos com coeficiente de temperatura de resistência relativamente baixo são usados com valores de resistência, escolhidos para melhorar estabilidade e resolução baseados em estudo anterior [126].

Tipos esquemáticos de ponte Wheatstone, a ponte quarto, b meia-ponte, e c configurações ponte completa [72]

Piezorresistor de silício e patches de polissilício são geralmente utilizados em sensores MEMS. A resistividade do silício depende de sua estratégia de dopagem. Tipo N dopado com silício é menos sensível que tipo P. Isso levanta limitação às fabricações. Nesta situação, transversal no plano e longitudinal no plano serão os elementos mais significativos [72]. Para materiais semicondutores como silício, os fatores de gauge longitudinal e transversal devidos à mudança de geometria são bastante pequenos comparados aos seus valores devidos à mudança de resistividade, daqui por diante a mudança na geometria pode ser ignorada, e os fatores de gauge longitudinal e transversal devidos apenas à mudança de resistividade são encontrados usando (6) e (7), respectivamente [127].

$$G_{L} = \pi_{L} E$$ (6) $$G_{T} = \pi_{T} E$$ (7)

onde E é módulo de Young do material piezorresistivo. π_L e π_T são coeficientes piezorresistivos longitudinal e transversal, respectivamente, para grãos de polissilício orientados arbitrariamente, e seus valores são dados na Tabela 3 [19].

Atualmente, o efeito piezorresistivo tem sido utilizado como detecção bio ou química [48], propósito de sensoriamento de umidade [4], aplicações de chaves [59], detecção de biomarcadores em ar exalado [82], micro scanners [69], sensoriamento de pressão [128], e sensores de gás sensíveis à massa [63]. Zope et al. [117] desenvolveram ressonador piezoelétrico sensado resistivamente e acionado termicamente composto predominantemente de material CMOS para aplicações de sensoriamento de massa. Sensibilidade de massa de 24,96 kHz/ng foi relatada. A resolução de massa extraída de 16,3 fg também foi observada, mostrando grande potencial para servir como sensor de aerossol.

Sensoriamento Capacitivo

O mecanismo de sensoriamento capacitivo baseia-se na medição das mudanças da capacitância entre os dedos do estator e rotor ou entre a placa fixa e placa móvel [88]. Sensoriamento capacitivo é o método dominante para aplicações micromecanizadas devido à sua compatibilidade com todas as abordagens de fabricação e rigidez [129, 130]. Sensoriamento capacitivo tem muitas características atrativas incluem alta sensibilidade, baixo consumo de energia, simplicidade no design, baixo drift e baixa dependência de temperatura. Além disso, a medição do sinal de saída pode ser facilmente fabricada no die PolyMUMPs usando sensoriamento capacitivo. Apenas uma única placa paralela pode ser usada para sensar capacitivamente as variações na frequência natural ou amplitude dos dispositivos MEMS (como dispositivo CMOS-MEMS e dispositivo PolyMUMPs) ou aplicando dedo de pente (como dispositivo MetalMUMPs).

Para dispositivo CMOS-MEMS e dispositivos PolyMUMPs, quando não há atuação (Fig. 12a), a capacitância sensada estática inicial (C_s0) entre a placa fixa inferior e a placa móvel superior é calculada usando (8) [19].

$$C_{s0} = \frac{{\varepsilon A_{s}}}{{z_{0}}}$$ (8)

onde ε é a permissividade relativa dos dielétricos, A_s é a área das placas sensadas e z_0 é o espaçamento entre placas fixa e móvel. Quando a placa móvel é deslocada por z (Fig. 12b) o espaçamento inicial muda, e portanto a capacitância também mudará, e é encontrada por (9).

$$C_{s}(z) = \frac{{\varepsilon A_{s}}}{{z_{0} - z}} = C_{s0} \frac{{z_{0}}}{{z_{0} - z}}$$ (9)

Capacitor de placas paralelas mostrando a condição inicial e b após deslocar placa móvel [19]

Ao mesmo tempo, para dispositivos MetalMUMPs, a saída pode ser detectada capacitivamente utilizando design de dedos de pente diferencial. Como aparece na Fig. 13, existem dois arranjos de dedos de pente fixos para ter capacitância diferencial.

Configuração de dedos de pente para dispositivo MetalMUMPs mostrando a condição inicial e b deslocamento do dedo de pente vibratório [19]

Para condição inicial, quando dispositivo não é atuado (Fig. 13a), a capacitância detectada estática C_0 para cada conjunto de dedos fixos-vibratórios pode ser calculada por (10).

$$C_{0} = n\frac{{\varepsilon l_{f} w_{f}}}{d}$$ (10)

onde l_f e w_f são comprimento e largura da área de sobreposição dos dedos de pente vibratório e fixo, respectivamente. d é o espaçamento entre dedos fixos e vibratórios e n é o número de dedos de pente vibratórios. Quando o dispositivo é movido por y em direção ao dedo de pente fixo um como aparece (Fig. 13b), as capacitâncias C_1 e C_2 serão mudadas e dependendo desse deslocamento, seus valores podem ser calculados usando (11) e (12), respectivamente.

$$C_{1}(x) = n\frac{{\varepsilon l_{f} w}}{d - y}$$ (11) $$C_{2}(x) = n\frac{{\varepsilon l_{f} w}}{d + y}$$ (12)

O sinal de saída do dispositivo será medido como tensão devido à mudança na capacitância de sensoriamento upon atuação usando circuito de leitura capacitiva MS3110 que traduz a mudança na capacitância para mudança de tensão de saída em resposta à temperatura dos microaquecedores. Atualmente, efeitos capacitivos são usados em ressonadores MEMS [60], aplicação em biossensor [56], sensor de umidade [57], triagem de diabetes [66], Navegação (GPS automotivo) [62], acelerômetro de baixo ruído [131], e chaves capacitivas RF MEMS [132].

Detecção Óptica

Mecanismo de sensoriamento óptico depende da detecção de mudanças na luz transmitida comparada à luz recebida. A detecção de espécies compostas por estratégia de transmissão espectral é amplamente reconhecida. Sensores ópticos são notáveis devido à sua seletividade já que não depende de nenhuma reação química ou atividades de catalisador químico. Identificação de poluentes do ar é reconhecida usando características das espécies ópticas (absorção, índice de refração, espalhamento Raman, fluorescência, e reflexão). Sensores ópticos utilizam medições de emissão e absorção primariamente através de diferentes tecnologias como espectroscopia de transformada de Fourier infravermelho (FTIR), ressonância de plasma de superfície (SPR), espectroscopia de absorção óptica diferencial (DOAS), espectroscopia de absorção de diodo laser (LDAS), espectroscopia de cavidade ring-down (CRDS), espectroscopia infravermelho não dispersiva (NDIR), detecção de luz e alcance (LIDAR), fluorescência UV e quimioluminescência para sensoriamento de poluentes do ar em amostras de ar. Normalmente, a luz cruzará, será modificada ou refletida por algum espaço tendo o meio relevante (Fig. 14). Lei de Beer-Lambert pode governar a detecção óptica de poluentes do ar conforme:

$$I = I_{0} *e^{-\alpha l}$$ (13)

onde a luz transmitida através da amostra é I, I_0 é a luz recebida, α representa a absorvidade, l representa o comprimento do caminho.

Representação esquemática de sensor óptico MEMS [133]

No entanto, a maioria das aplicações para MEMS ópticos estão em comunicações; existem vários usos em diferentes campos [134]. A literatura cobriu numerosas tentativas de introduzir detecção óptica de poluentes do ar. Alguns desses sensores são usados para reconhecer químicos. Isso mostra o papel multifuncional desses sensores. Espectrometria infravermelha é caso de técnica que pode ser utilizada para sensoriamento óptico [135]. Em contribuição notável, Huang e colaboradores também demonstraram [136] simulação de acelerômetro óptico MEMS integrado. Os resultados de simulação efetivos demonstraram: frequência de ressonância de 562,85 Hz, sensibilidade mecânica de 781,64 nm/g, sensibilidade do sistema óptico de 1,23, resolução de 1,037 µg, e baixa sensibilidade cruzada. O acelerômetro proposto pode ser usado para melhorias em dispositivos de navegação inercial MEMS. Outro modelo é sensor óptico Fabry-Perot [137]. Basicamente, os princípios deste sensor baseiam-se em trazer gás para uma câmara e pouco tempo depois passar luz através da câmara. Devido às mudanças na peça substancial, a luz experimentando não será exatamente equivalente sem o gás. Esta luz é analisada, e dos resultados, confirmação pode ser feita sobre o tipo de gás testado. O teste bem-sucedido de sensor óptico MEMS para localização de catecol foi relatado [133]. A medição de absorbância de oxidação de catecol foi realizada por luz azul (472 nm) acoplada através de dispositivo MEMS. A luz foi transmitida de laser azul de espaço livre operando em modo de onda contínua e focada em fibra multimodo utilizando arranjo manual para organizar. Luz recebida foi acoplada por meio de fibra óptica a espectrofotômetro conectado USB que auxiliou coleta de dados computadorizada utilizando software.

Discussão dos Mecanismos de Sensoriamento

Em vista de diferentes princípios de funcionamento, os mecanismos de sensoriamento mencionados podem ser divididos em três tipos: piezorresistivo, capacitivo e óptico. Existem benefícios e desvantagens para diferentes mecanismos de sensoriamento ao mesmo tempo. Por exemplo, sensoriamento óptico tem boa viabilidade; no entanto, é muito caro para implementar comparado a técnicas capacitivas e piezorresistivas. Como resultado, técnicas piezorresistivas e capacitivas são os métodos comuns usados para sensar sinal de saída. Qualquer pequena mudança na tensão poderia ser detectada usando técnica piezorresistiva. Principal desvantagem da técnica de sensoriamento piezorresistivo é a alta dependência de temperatura da resistividade. Na Tabela 3, apresentam trabalho recente e progresso (últimos 5 anos), incluindo mecanismos de atuação e sensoriamento, materiais sensores, tecnologia de fabricação e aplicação. O microchip miniaturizado apresentado (na Tabela 4) pode ser utilizado para sensoriamento de gás e umidade, triagem de saúde humana, navegação inercial com boa repetibilidade, alta resolução, alta sensibilidade, e resposta rápida. Além disso, sensores MEMS têm sido comprovados como meio efetivo para sensores combinados com circuitos eletrônicos on-chip. Pode portanto funcionar não apenas como chip sensor portátil mas também ser vinculado como parte da rede Internet das Coisas (IoT) para rastreamento remoto e em tempo real de umidade de alta sensibilidade.

Discussão

Desenvolvimentos recentes são sobre novas tecnologias que podem colher energia do ambiente, porque fontes de micro/nano potência auto-suficientes sustentáveis são campo emergente de nanoenergia, que envolve nanomateriais e nanotecnologia ao colher energia para alimentar sistemas micro/nano [139]. Carga triboelétrica é produzida apenas na superfície dependente do atrito físico entre dois materiais separados. O nanogerador triboelétrico (TENG) é dispositivo que transforma energia mecânica em separação de contato ou deslizamento relativo entre dois materiais com polaridades opostas. TENG baseia-se no efeito de acoplamento entre triboeletricidade e indução eletrostática no qual seu progresso atualizado e aplicações potenciais como nova tecnologia de energia e como sensores ativos auto-alimentados. A abordagem sugerida usa transferência de energia biomecânica para eletricidade de atividade humana [139, 140]. Entre eles, estudo bem-sucedido foi investigado para conversão para energia vestível de dispositivos biométricos portáteis e sensores auto-alimentados baseados em triboeletricidade (carga produzida na superfície de toque) [141-144].

• Para diminuir consumo de potência durante operação, sensores de acordar ou suplemento de quase zero-potência precisam ser propostos e investigados, significando que estes sensores não têm consumo de energia. Com estes componentes de MEMS, sensores MEMS podem trabalhar por longo período ou operar auto-alimentados.

• Olhando para sensores futuros, sensores com flexibilidade tornaram-se tópicos quentes de pesquisa recente nos últimos anos devido à sua versatilidade e grande potencial em aplicações de saúde/seres humanos. Sensores flexíveis são frequentemente usados em combinação com sensores vestíveis para ter suas vantagens únicas. Mais que apenas utilizar sensor flexível como vestível eletrônico para funções de observação, podem ser mesmo utilizados como interface homem-máquina para alcançar requisitos maiores. Com a melhoria da qualidade de vida humana, dispositivos vestíveis e interfaces homem-máquina foram reconhecidos como direções importantes para desenvolver sensores do futuro com flexibilidade suficiente e capacidades de sensoriamento versáteis. Dispositivos eletrônicos vestíveis podem ser simplesmente integrados com o corpo humano para estender nossas capacidades de percepção. Funções de sensor de dispositivos eletrônicos vestíveis incluem, mas não se limitam a, força, deformação, eletrofisiologia, monitores de frequência cardíaca, temperatura, rastreadores de fitness, etc. Com o serviço de vários dispositivos entre diferentes posições anatômicas, desenvolvimento de muitas aplicações do sensor do corpo humano pode ser facilitado de cuidados hospitalares a rastreamento de fitness e bem-estar, interfaces homem-máquina e reconhecimento e avaliação de estados cognitivos.

• Enquanto isso, combinando sensor MEMS com inteligência artificial (IA), a próxima geração de sensores fornecerá impacto evolutivo claro e ajudará humanos a interagir com outras coisas em várias circunstâncias de aplicação. Além disso, a rápida melhoria da comunidade moderna observou a expansão da associação entre pessoas com máquinas, demandando enormes dispositivos inteligentes homem-máquina. Em torno de grandes dados e detecção hipersensível, sensor MEMS utilizando estratégia de aprendizado de máquina estimula dramaticamente o aumento do sistema de sensoriamento inteligente da próxima geração. Este sistema interativo com sensor de próxima geração fornece consumidores com experiência mais abrangente. Pode ser usado para muitas aplicações práticas, como simulação de treinamento esportivo, entretenimento, reabilitação médica e assim por diante.

Conclusões e Tendências Futuras

É bem reconhecido que sensores baseados em MEMS desempenham papel chave no campo de miniaturização e microcircuitos eletrônicos. É necessário entender e comparar estes mecanismos pois são a base da operação de dispositivos baseados em MEMS e detecção de sinal de saída. Este artigo revisa vários mecanismos populares de atuação e sensoriamento relacionados a dispositivos MEMS que surgiram nas últimas décadas. Este artigo introduziu visão descritiva ao avanço dos mecanismos de atuação e sensoriamento de dispositivos sensores baseados em MEMS. As tendências atuais e restrições enquanto dando percepção valiosa no campo de tecnologias emergentes de atuação e sensoriamento. Discussão abrangente foi apresentada, sublinhando a significância dos mecanismos de atuação e sensoriamento, sua estrutura, princípios de funcionamento, classificação, fabricação e aplicações. Compreensão adequada dos mecanismos de atuação e sensoriamento para dispositivos sensores baseados em MEMS desempenha papel vital em sua seleção e aplicação efetiva em várias tecnologias inovadoras. Além disso, a seleção adequada de técnicas de atuação e sensoriamento em sensores MEMS baseada na aplicação desejada como sensibilidade, frequência de ressonância, tensão de entrada/saída, temperatura etc., levará a comercialização rápida e melhor estabilidade de produto.

Para realizar várias tarefas para diferentes aplicações como indústria e equipamentos eletrônicos, diferentes dispositivos MEMS com diferentes estruturas colaborados com diversos mecanismos de atuação e sensoriamento surgirão na vida real. Além disso, dispositivos MEMS não serão apenas usados para tarefas simples, mas também para trabalhos mais complexos. Ao mesmo tempo, dispositivos MEMS terão maior liberdade e podem atender necessidades de variedade de aplicações. No entanto, para perseguir maior precisão e miniaturização, a complexidade do projeto de dispositivos MEMS continuará a aumentar. Além disso, produtos MEMS têm relação próxima com o mercado. Pode-se prever que dispositivos MEMS realizarão mais funções, miniaturização e baixo custo, que é enorme desafio para outros produtos. Portanto, nos próximos anos, abordagens de fabricação MEMS desenvolver-se-ão a nível superior para atender demanda de mercado. Com o avanço de processos de fabricação de dispositivos MEMS, fabricantes de hardware únicos buscarão ciclos de fabricação mais curtos e velocidades de fabricação mais rápidas.

Uma das áreas centrais de tendência futura nesta área é pesquisa de confiabilidade e métodos de melhoria. Além disso, novos materiais e técnicas de fabricação custo-efetivas fornecerão importantes oportunidades para desenvolvimento. Foi demonstrado que a capacidade de projeto não é limitada a princípios padrão e pode melhorar desempenho qualitativo. Apesar das vantagens MEMS, poucos desafios ainda existem nos seguintes aspectos.

• Filmes finos MOS tradicionais por técnicas MEMS frequentemente mostram pouca sensibilidade a gases alvo devido à estrutura de superfície compacta e baixa cristalinidade.

• Em estudos recentes, tentaram integrar nanomateriais MOS de alto desempenho em microaquecedores. Ainda assim, é difícil controlar e depositar nanomateriais MOS baseados em suspensão na área de aquecimento suspensa de microaquecedores. No entanto, o baixo rendimento e grande desvio dispositivo-a-dispositivo atrapalham fabricação de sensores em grande escala.

• Também é complicado melhorar a adesão entre microaquecedores e materiais sensores para obter parâmetros estáveis, especialmente em temperaturas altas > 350 °C o que resulta em desempenho de sensoriamento diminuído e baixa estabilidade [14, 145].

• Fabricar filmes sensores com alta sensibilidade usando métodos compatíveis com MEMS é meta urgente.

• Rumo a nova era, diferentes desafios podem enfrentar sensores baseados em MEMS em termos de fornecimento de energia e inteligência durante operação, como desafios da flexibilidade de aplicações vestíveis, capacidades interativas amigáveis de aplicações interface homem-máquina, e análise de grandes dados.

Disponibilidade de Dados e Materiais

Não aplicável.

Abreviações

MEMS:

Sistema microeletromecânico

pH:

Potencial hidrogênio

CIs:

Circuitos integrados

LOD:

Limite de detecção

MUMPs:

Multi-user MEMS

MST:

Tecnologia de microssistemas

RF:

Radiofrequência

CMOS:

Semicondutor complementar de óxido metálico

CTE:

Coeficiente de expansão térmica

CA:

Corrente alternada

CC:

Corrente contínua

RTA:

Atuação térmica de anel

PVDF:

Polivinilideno difluoreto

GPS:

Sistema de posicionamento global

FTIR:

Espectroscopia de transformada de Fourier infravermelho

SPR:

Ressonância de plasma de superfície

DOAS:

Espectroscopia de absorção óptica diferencial

LDAS:

Espectroscopia de absorção de diodo laser

CRDS:

Espectroscopia de cavidade ring-down

NDIR:

Infravermelho não dispersivo

LIDAR:

Detecção de luz e alcance

IDE:

Eletrodos interdigitados

PZR:

Piezorresistivo

EFS:

Sensor de campo eletrostático

IA:

Inteligência artificial