Entendiendo MEMS: Sistemas Micro-Electro-Mecánicos, Tipos y Aplicaciones

Entendiendo MEMS: Sistemas Micro-Electro-Mecánicos, Tipos y Aplicaciones

El Sistema Micro-Electro-Mecánico, o MEMS, es un dispositivo o máquina miniatura que está compuesto por componentes tanto mecánicos como eléctricos, usando técnicas de microfabricación.

El término "MEMS" se usa a menudo para describir tanto una categoría de sistemas mecatrónicos micro como la tecnología de proceso empleada para fabricarlos. Algunos MEMS no tienen componentes mecánicos, pero como convierten ciertas señales mecánicas en eléctricas u ópticas, se clasifican como MEMS.

En Europa, los MEMS se conocen más comúnmente como tecnología de microsistemas, y en Japón se les denomina micromáquinas.

Tamaño de los MEMS

La dimensión física de los dispositivos MEMS puede variar desde 20 micrómetros hasta un milímetro. Están hechos de componentes entre 1 y 100 micrómetros de tamaño.

Mientras que los componentes individuales pueden ser más pequeños que el ancho de un cabello humano, múltiples módulos dispuestos en arrays pueden ocupar un área de más de 10 centímetros cuadrados.

Los dispositivos MEMS suelen contener unidades centrales de procesamiento de datos (como microprocesadores) e instrumentos diminutos que interactúan con el entorno (como microsensores).

Tipos de MEMS

Existen dos formas de tecnología de interruptores MEMS: óhmica y capacitiva.

1. Óhmicos Los interruptores MEMS se desarrollan usando voladizos electrostáticos. Como los voladizos se deforman con el tiempo, estos interruptores pueden fallar por desgaste de contacto o fatiga del metal.

2. Capacitivos Los interruptores son controlados por una placa móvil o elemento sensor que altera la capacitancia. Aprovechando sus características resonantes, pueden configurarse para superar a los dispositivos óhmicos en rangos de frecuencia específicos.

¿Cómo Se Construyen?

Mientras el interés en producir MEMS creció en la década de 1980, tomó casi dos décadas establecer la infraestructura de diseño y fabricación requerida para su desarrollo comercial. Uno de los primeros dispositivos producidos fueron cabezales de inyección de tinta y controladores de airbag.

Usando esta tecnología, los investigadores pudieron construir un proyector con micromirrors (que utiliza MEMS) a finales de la década de 1990. Con el tiempo, los microsensores se volvieron más populares: se integraron gradualmente en diferentes tipos de sensores, incluyendo sensores para radiación, campos magnéticos, temperatura y presión.

Hoy, los MEMS se usan en casi todos los dispositivos inteligentes, y se han vuelto mucho más eficientes (en términos de rendimiento y consumo de energía) que sus contrapartes más grandes. Están compuestos por partes como microprocesadores, microactuadores, microsensores, varias unidades de procesamiento de datos.

La fabricación de MEMS involucra las mismas técnicas que se usan para crear circuitos integrados y dispositivos semiconductores. Las técnicas básicas son:

• Deposición: Capas delgadas (entre 1 y 100 micrómetros) de material se depositan en una superficie especial.
• Patronado: Un patrón se transfiere a un material usando un proceso llamado litografía.
• Grabado: El material se disuelve ya sea en una solución química o usando iones reactivos para producir las formas requeridas.
• Preparación del Die: Una vez que los dispositivos MEMS están preparados en una oblea de silicio, los dies individuales se separan, y luego se realiza el corte de la oblea a través de un líquido refrigerante o un proceso láser en seco.

El silicio es el material más común usado para crear MEMS. Está fácilmente disponible, es barato y tiene ventajas sustanciales, especialmente en el campo de la microelectrónica. Por ejemplo, el silicio sufre muy poca fatiga y casi ninguna disipación de energía.

Algunos MEMS están hechos de metal mediante electroplating, evaporación y procesos de sputtering. Los metales que exhiben altos grados de fiabilidad incluyen oro, platino, plata, wolframio, cobre, titanio y aluminio.

Los polímeros también pueden usarse para fabricar dispositivos MEMS, ya que pueden producirse en grandes volúmenes, con diversas características de material.

¿En Qué se Diferencian los MEMS de los NEMS?

NEMS (abreviatura de nano-electro-mechanical systems) son una clase de dispositivos que presentan características eléctricas y mecánicas a nanoescala. NEMS forman el siguiente paso lógico de miniaturización desde MEMS.

En términos simples, los NEMS son similares a los MEMS pero más pequeños: tienen elementos estructurales críticos a 100 nanómetros o menos (escalas atómicas o moleculares).

Aunque NEMS y MEMS se refieren como tecnologías separadas, dependen la una de la otra. Por ejemplo, un microscopio de túnel de barrido, que detecta átomos, es un dispositivo MEMS.

En la tecnología MEMS, las fuerzas producidas por la dinámica de fluidos y el electromagnetismo ambiental juegan un papel importante. Mientras que en la tecnología NEMS, los mecanismos de detección basados en superficie y grandes efectos cuánticos mecánicos también son cruciales.

A diferencia de los MEMS, la tecnología NEMS utiliza materiales basados en carbono, específicamente diamante, nanotubos de carbono y grafeno. Debido a avances sustanciales en el crecimiento, manipulación, conocimiento de propiedades eléctricas y mecánicas del grafeno, los investigadores muestran más interés en el grafeno para dispositivos NEMS, como sensores de presión, resonadores, acelerómetros y más.

Ejemplos y Aplicaciones

A medida que los MEMS se vuelven más eficientes y menos costosos de construir, se espera que jueguen un papel crucial en el IoT (internet de las cosas) y la automatización del hogar. Las aplicaciones comerciales comunes de los MEMS son:

El acelerómetro en un smartphone | YouTube

• Acelerómetros en vehículos para diversos propósitos, como control de estabilidad electrónico y despliegue de airbag
• Sistemas de refrigeración y calefacción impulsados por sensores para sistemas de gestión de edificios
• Interruptor óptico usado para tecnología de conmutación y alineación para comunicaciones de datos
• Sensores de presión arterial desechables y sensores de presión de vehículos hechos de silicio
• Microcosechadores electrostáticos, electromagnéticos y piezoeléctricos (usados para cosecha de energía)
• Micrófonos pequeños, barómetros y giroscopios para soportar aplicaciones de smartphone
• Microboquillas usadas en impresoras de inyección de tinta para controlar el flujo de tinta.

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Mercado Global

Muchas empresas trabajan en proyectos MEMS. Las firmas más pequeñas ofrecen valor en soluciones innovadoras y manejan el gasto de fabricación personalizada con márgenes de venta altos. Las firmas más grandes fabrican principalmente piezas económicas de alto volumen o soluciones empaquetadas para mercados finales, como electrónica, biomédica y automóviles. Generalmente, tanto empresas pequeñas como grandes invierten en investigación y desarrollo para construir nueva tecnología MEMS.

Según Grand View Research Inc, el tamaño del mercado global de MEMS se estima que alcanzará US$28.84 mil millones para 2024. En 2015, se situaba en casi US$12 mil millones. Considerando la creciente popularidad de estilos de vida conectados, la electrónica de consumo se espera que sea el segmento dominante (con más del 40% de la participación de ingresos global).

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Los problemas de calibración y precisión pueden frenar el crecimiento del mercado. Pero la intensa competencia obligará a los actores de la industria a mantener los precios bajos en los próximos años.