Entendendo MEMS: Sistemas Microeletromecânicos, Tipos e Aplicações

Entendendo MEMS: Sistemas Microeletromecânicos, Tipos e Aplicações

Sistema Microeletromecânico, ou MEMS, é um dispositivo ou máquina miniatura feita de componentes mecânicos e elétricos, usando técnicas de microfabricação.

O termo "MEMS" é frequentemente usado para descrever tanto uma categoria de sistemas micro-mecatrônicos quanto a tecnologia de processo empregada para fabricá-los. Alguns MEMS não têm componentes mecânicos, mas como convertem certos sinais mecânicos em elétricos ou ópticos, são classificados como MEMS.

Na Europa, MEMS são mais comumente conhecidos como tecnologia de microsistemas, e no Japão, é referido como micromáquinas.

Tamanho dos MEMS

A dimensão física dos dispositivos MEMS pode variar de 20 micrômetros a um milímetro. São feitos de componentes entre 1 e 100 micrômetros de tamanho.

Embora componentes individuais possam ser menores que a largura de um fio de cabelo humano, múltiplos módulos arranjados em arrays podem ocupar uma área de mais de 10 centímetros quadrados.

Dispositivos MEMS geralmente contêm unidades centrais de processamento de dados (como microprocessadores) e minúsculos instrumentos que interagem com o ambiente (como microsensores).

Tipos de MEMS

Existem duas formas de tecnologia de chave MEMS: ôhmica e capacitiva.

1. Ôhmica chaves MEMS são desenvolvidas usando cantiléveres eletrostáticos. Como cantiléveres se deformam com o tempo, estas chaves podem falhar por desgaste de contato ou fadiga do metal.

2. Capacitivas chaves são controladas por uma placa móvel ou elemento sensor que altera a capacitância. Explorando suas características ressonantes, podem ser configuradas para superar dispositivos ôhmicos em faixas de frequência específicas.

Como São Construídos?

Embora o interesse em produzir MEMS cresceu na década de 1980, levou quase duas décadas para estabelecer a infraestrutura de design e manufatura necessária para seu desenvolvimento comercial. Um dos primeiros dispositivos produzidos foram cabeças de impressão a jato de tinta e controladores de airbag.

Usando esta tecnologia, pesquisadores conseguiram construir um projetor com micromirrors (que utiliza MEMS) no final da década de 1990. Com o tempo, microsensores tornaram-se mais populares: foram gradualmente integrados em diferentes tipos de sensores, incluindo sensores para radiação, campos magnéticos, temperatura e pressão.

Hoje, MEMS são usados em quase todos os dispositivos inteligentes, e tornaram-se muito mais eficientes (em termos de desempenho e consumo de energia) que seus equivalentes maiores. São compostos de partes como microprocessadores, microatuadores, microsensores, várias unidades de processamento de dados.

A fabricação de MEMS envolve as mesmas técnicas usadas para criar circuitos integrados e dispositivos semicondutores. As técnicas básicas são:

• Deposição: Camadas finas (entre 1 e 100 micrômetros) de material são depositadas em uma superfície especial.
• Padronização: Um padrão é transferido para um material usando um processo chamado litografia.
• Gravação: O material é dissolvido em solução química ou usando íons reativos para produzir as formas necessárias.
• Preparação do Die: Uma vez que dispositivos MEMS são preparados em uma wafer de silício, dies individuais são separados, e então o dicing da wafer é realizado através de líquido de resfriamento ou processo a laser seco.

Silício é o material mais comum usado para criar MEMS. Está prontamente disponível, é barato e tem vantagens substanciais, especialmente no campo da microeletrônica. Por exemplo, o silício sofre muito pouca fadiga e quase nenhuma dissipação de energia.

Alguns MEMS são feitos de metal através de processos de eletrodeposição, evaporação e sputtering. Metais que exibem altos graus de confiabilidade incluem ouro, platina, prata, tungstênio, cobre, titânio e alumínio.

Polímeros também podem ser usados para fabricar dispositivos MEMS, pois podem ser produzidos em grandes volumes, com várias características de material.

Como MEMS Diferem de NEMS?

NEMS (abreviação de sistemas nano-eletro-mecânicos) são uma classe de dispositivos com características elétricas e mecânicas na nanoescala. NEMS formam o próximo passo lógico de miniaturização a partir de MEMS.

Em termos simples, NEMS são semelhantes a MEMS, mas menores: têm elementos estruturais críticos em ou abaixo de 100 nanômetros (escalas atômicas ou moleculares).

Embora NEMS e MEMS sejam referidos como tecnologias separadas, dependem um do outro. Por exemplo, um microscópio de ponta de tunelamento, que detecta átomos, é um dispositivo MEMS.

Na tecnologia MEMS, forças produzidas por dinâmica de fluidos e eletromagnetismo ambiente desempenham papel importante. Já na tecnologia NEMS, mecanismos de detecção baseados em superfície e grandes efeitos quânticos mecânicos também são cruciais.

Diferente de MEMS, a tecnologia NEMS utiliza materiais baseados em carbono, especificamente diamante, nanotubos de carbono e grafeno. Devido a avanços substanciais no crescimento, manipulação, conhecimento de propriedades elétricas e mecânicas do grafeno, pesquisadores estão se interessando mais em grafeno para dispositivos NEMS, como sensores de pressão, ressonadores, acelerômetros e mais.

Exemplos e Aplicações

À medida que MEMS se tornam mais eficientes e menos caros de construir, espera-se que desempenhem papel crucial na IoT (internet das coisas) e automação residencial. As aplicações comerciais comuns de MEMS são:

O acelerômetro em um smartphone | YouTube

• Acelerômetros em veículos para vários propósitos, como controle eletrônico de estabilidade e acionamento de airbag
• Sistemas de resfriamento e aquecimento baseados em sensores para sistemas de gestão predial
• Chave óptica usada para tecnologia de comutação e alinhamento para comunicações de dados
• Sensores de pressão arterial descartáveis e sensores de pressão veicular feitos de silício
• Microcoletores eletrostáticos, eletromagnéticos e piezoelétricos (usados para coleta de energia)
• Pequenos microfones, barômetros e giroscópios para suportar aplicações de smartphone
• Micronozzles usados em impressoras a jato de tinta para controlar o fluxo de tinta.

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Mercado Global

Muitas empresas estão trabalhando em projetos MEMS. Firmas menores oferecem valor em soluções inovadoras e lidam com o custo de fabricação personalizada com altas margens de venda. Firmas maiores fabricam principalmente peças baratas de alto volume ou soluções empacotadas para mercados finais, como eletrônicos, biomédicos e automóveis. Geralmente, tanto empresas pequenas quanto grandes investem em pesquisa e desenvolvimento para construir nova tecnologia MEMS.

Segundo a Grand View Research Inc, o tamanho do mercado global de MEMS é estimado para atingir US$28,84 bilhões até 2024. Em 2015, estava em quase US$12 bilhões. Considerando a crescente popularidade de estilos de vida conectados, eletrônicos de consumo devem ser o segmento dominante (com mais de 40% da participação de receita global).

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Questões de calibração e precisão podem desacelerar o crescimento do mercado. Mas a intensa competição forçará players da indústria a manter preços baixos nos próximos anos.