¿Qué es MEMS (sistema microelectromecánico)? Tipos y aplicación

El sistema microelectromecánico, o MEMS, es un dispositivo o máquina en miniatura que está hecho de componentes mecánicos y eléctricos, utilizando técnicas de microfabricación.

El término "MEMS" se utiliza a menudo para describir tanto una categoría de sistemas micro mecatrónicos 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 conocen como micromáquinas.

Tamaño de MEMS

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

Si bien los componentes individuales pueden ser más pequeños que el ancho de un cabello humano, varios módulos dispuestos en matrices pueden ocupar un área de más de 10 centímetros cuadrados.

Los dispositivos MEMS generalmente contienen unidades centrales de procesamiento de datos (como microprocesadores) y pequeños instrumentos que interactúan con el entorno (como microsensores).

Tipos de MEMS

Hay dos formas de tecnología de conmutación MEMS:óhmica y capacitiva.

1. Óhmico Los interruptores MEMS se desarrollan utilizando voladizos electrostáticos. Dado que los voladizos se deforman con el tiempo, estos interruptores pueden fallar por desgaste de los contactos o fatiga del metal.

2. Capacitivo los interruptores son controlados por una placa móvil o un elemento sensor que altera la capacitancia. Al explotar sus características resonantes, se pueden configurar para superar a los dispositivos óhmicos en rangos de frecuencia específicos.

¿Cómo se construyen?

Si bien el interés en producir MEMS creció en la década de 1980, se necesitaron casi dos décadas para establecer la infraestructura de diseño y fabricación necesaria para su desarrollo comercial. Uno de los primeros dispositivos producidos fueron los cabezales de impresión de inyección de tinta y los controladores de bolsas de aire.

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

Hoy en día, los MEMS se utilizan 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 implica las mismas técnicas que se utilizan para crear circuitos integrados y dispositivos semiconductores. Las técnicas básicas son

• Deposición :Se depositan capas delgadas (entre 1 y 100 micrómetros) de material sobre una superficie especial.
• Patrones :Un patrón se transfiere a un material mediante un proceso llamado litografía.
• Grabado :El material se disuelve en una solución química o usando iones reactivos para producir las formas requeridas.
• Preparación de matrices :Una vez que los dispositivos MEMS se preparan en una oblea de silicio, se separan las matrices individuales y luego se realiza el corte en cubitos de la oblea a través de un líquido refrigerante o un proceso de láser seco.

El silicio es el material más utilizado para crear MEMS. Está fácilmente disponible, es económico 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 procesos de galvanoplastia, evaporación y pulverización catódica. Los metales que exhiben altos grados de confiabilidad incluyen oro, platino, plata, tungsteno, cobre, titanio y aluminio.

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

¿En qué se diferencian los MEMS de los NEMS?

Los NEMS (abreviatura de sistemas nanoelectromecánicos) son una clase de dispositivos que presentan características eléctricas y mecánicas a nanoescala. NEMS forma el siguiente paso lógico de miniaturización de MEMS.

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

Si bien NEMS y MEMS se denominan tecnologías independientes, dependen el uno del otro. Por ejemplo, un microscopio de barrido con punta de túnel, 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, el mecanismo de detección basado en la superficie y los grandes efectos de la mecánica cuántica también son cruciales.

A diferencia de MEMS, la tecnología NEMS utiliza materiales a base de carbono, específicamente diamante, nanotubos de carbono y grafeno. Debido a los avances sustanciales en el crecimiento, la manipulación y el conocimiento de las propiedades eléctricas y mecánicas del grafeno, los investigadores se están interesando más 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 MEMS son:

El acelerómetro en un teléfono inteligente | YouTube

• Acelerómetros en vehículos para diversos fines, como control electrónico de estabilidad y despliegue de bolsas de aire
• Sistemas de calefacción y refrigeración impulsados ​​por sensores para sistemas de gestión de edificios
• El interruptor óptico utilizado para la tecnología de conmutación y la alineación para las comunicaciones de datos
• Sensores de presión arterial desechables y sensores de presión de vehículos hechos de silicona
• Micro cosechadoras electrostáticas, electromagnéticas y piezoeléctricas (utilizadas para la recolección de energía)
• Pequeños micrófonos, barómetros y giroscopios para admitir aplicaciones de teléfonos inteligentes
• Micronozzles utilizados en impresoras de inyección de tinta para controlar el flujo de tinta.

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Mercado global

Muchas empresas están trabajando en proyectos MEMS. Las empresas más pequeñas ofrecen valor en soluciones innovadoras y manejan los gastos de fabricación personalizada con altos márgenes de venta. Las empresas más grandes fabrican principalmente piezas económicas de gran volumen o soluciones empaquetadas para mercados finales, como la electrónica, la biomedicina y la automoción. Por lo general, tanto las pequeñas como las grandes empresas invierten en investigación y desarrollo para crear nueva tecnología MEMS.

Según Grand View Research Inc, se estima que el tamaño del mercado global de MEMS alcanzará los 28.840 millones de dólares estadounidenses en 2024. En 2015, se situó en casi 12.000 millones de dólares estadounidenses. Teniendo en cuenta la creciente popularidad de los estilos de vida conectados, se espera que la electrónica de consumo sea el segmento dominante (con más del 40% de la participación en los ingresos globales).

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