MEMS

Os sistemas microelectromecánicos (MEMS), tamén escritos como sistemas micro-electromecánicos (ou sistemas microelectrónicos e microelectromecánicos) e os micromecatrónicos e microsistemas relacionados constitúen a tecnoloxía dos dispositivos microscópicos, especialmente aqueles con pezas móbiles. Fúndense a escala nanométrica en sistemas nanoelectromecánicos (NEMS) e nanotecnoloxía. As MEMS tamén se denominan micromáquinas en Xapón e tecnoloxía de microsistemas (MST) en Europa. Os MEMS compóñense de compoñentes de entre 1 e 100 micrómetros de tamaño (é dicir, de 0,001 a 0,1 mm) e os dispositivos MEMS xeralmente varían de 20 micrómetros a milímetro (é dicir, de 0,02 a 1,0 mm), aínda que os compoñentes están dispostos en matrices ( por exemplo, dispositivos micromirror dixitais) poden superar os 1000 mm2. Normalmente consisten nunha unidade central que procesa datos (un chip de circuíto integrado como o microprocesador) e varios compoñentes que interactúan coa contorna (como os microsensores). Debido á gran relación superficie-volume de MEMS, as forzas producidas polo electromagnetismo ambiental (por exemplo, cargas electrostáticas e momentos magnéticos) e a dinámica de fluídos (por exemplo, tensión superficial e viscosidade) son consideracións de deseño máis importantes que con dispositivos mecánicos a maior escala. A tecnoloxía MEMS distínguese da nanotecnoloxía molecular ou da electrónica molecular porque esta última tamén debe considerar a química da superficie.

Apreciouse o potencial das máquinas moi pequenas antes de que existise a tecnoloxía que as podería facer (ver, por exemplo, a famosa conferencia de Richard Feynman de 1959 Hai moito espazo no fondo). O MEMS fíxose práctico unha vez que se podía fabricar usando tecnoloxías de fabricación de dispositivos semicondutores modificados, normalmente usadas para fabricar electrónicos. Estes inclúen moldaxe e revestimento, gravado en húmido (KOH, TMAH) e gravado en seco (RIE e DRIE), mecanizado por descarga eléctrica (EDM) e outras tecnoloxías capaces de fabricar pequenos dispositivos.

Historial

A tecnoloxía MEMS ten raíces na revolución do silicio, que se pode remontar a dous importantes inventos de semicondutores de silicio de 1959: o chip de circuíto integrado monolítico (IC) de Robert Noyce en Fairchild Semiconductor e o MOSFET (efecto de campo semicondutor de óxido de metal (transistor, ou transistor MOS) de Mohamed M. Atalla e Dawon Kahng en Bell Labs. A escala MOSFET, a miniaturización de MOSFET en chips IC, levou á miniaturización da electrónica (como predí a lei de Moore e a escala de Dennard). Isto sentou as bases para a miniaturización de sistemas mecánicos, co desenvolvemento da tecnoloxía de micromáquina baseada na tecnoloxía de semicondutores de silicio, xa que os enxeñeiros comezaron a darse conta de que os chips de silicio e os MOSFET podían interactuar e comunicarse cos arredores e procesar cousas como produtos químicos, movementos e luz. Un dos primeiros sensores de presión de silicio foi isotropamente micromecanizado por Honeywell en 1962.

Un primeiro exemplo de dispositivo MEMS é o transistor de porta resoante, unha adaptación do MOSFET, desenvolvido por Harvey C. Nathanson en 1965. Outro exemplo inicial é o resonistor, un resoador monolítico electromecánico patentado por Raymond J. Wilfinger entre 1966 e 1971. Durante os anos 70 a principios dos 80, desenvolvéronse varios microsensores MOSFET para medir parámetros físicos, químicos, biolóxicos e ambientais.

Tipos

Existen dous tipos básicos de tecnoloxía de conmutación MEMS: capacitiva e óhmica. Un conmutador MEMS capacitivo desenvólvese usando unha placa móbil ou un elemento sensible, que cambia a capacidade. Os interruptores óhmicos están controlados por voladizos controlados electrostaticamente. Os conmutadores MEMS óhmicos poden fallar pola fatiga metálica do actuador MEMS (voladizo) e polo desgaste dos contactos, xa que os voladizos poden deformarse co paso do tempo.

Materiais para a fabricación de MEMS

A fabricación de MEMS evolucionou a partir da tecnoloxía de proceso na fabricación de dispositivos semicondutores, é dicir, as técnicas básicas son deposición de capas de material, patróns por fotolitografía e gravado para producir as formas requiridas.

Silicio

O silicio é o material utilizado para crear a maioría dos circuítos integrados utilizados na electrónica de consumo na industria moderna. As economías de escala, a dispoñibilidade inmediata de materiais baratos de alta calidade e a capacidade de incorporar funcionalidades electrónicas fan que o silicio sexa atractivo para unha gran variedade de aplicacións MEMS. O silicio tamén ten vantaxes significativas xeradas polas súas propiedades materiais. En forma de monocristal, o silicio é un material hookeano case perfecto, o que significa que cando se flexiona practicamente non hai histérese e, polo tanto, case non hai disipación de enerxía. Ademais de facer un movemento moi repetible, isto tamén fai que o silicio sexa moi fiable xa que sofre moi pouca fatiga e pode ter unha vida útil de servizo entre miles e miles de millóns de ciclos sen romper. As nanoestruturas de semicondutores baseadas en silicio cobran cada vez máis importancia no campo da microelectrónica e, especialmente, do MEMS. Os nanocables de silicio, fabricados a través da oxidación térmica do silicio, teñen un interese adicional na conversión e almacenamento electroquímicos, incluíndo baterías de nanocables e sistemas fotovoltaicos.

Polímeros

Aínda que a industria electrónica proporciona unha economía de escala para a industria do silicio, o silicio cristalino segue sendo un material complexo e relativamente caro de producir. Pola súa banda, os polímeros pódense producir en grandes volumes, cunha gran variedade de características materiais. Os dispositivos MEMS pódense fabricar a partir de polímeros mediante procesos como moldaxe por inxección, estampación ou estereolitografía e son especialmente adecuados para aplicacións microfluídicas como cartuchos de proba de sangue desbotables.

Metais

Os metais tamén se poden usar para crear elementos MEMS. Aínda que os metais non teñen algunhas das vantaxes do silicio en termos de propiedades mecánicas, cando se usan dentro das súas limitacións, os metais poden presentar graos de fiabilidade moi altos. Os metais poden depositarse mediante galvanoplastia, evaporación e procesos de pulverización. Os metais de uso común inclúen ouro, níquel, aluminio, cobre, cromo, titanio, volframio, platino e prata.

Cerámica

Os nitruros de silicio, aluminio e titanio, así como o carburo de silicio e outras cerámicas aplícanse cada vez máis na fabricación MEMS debido a vantaxosas combinacións de propiedades do material. O AlN cristaliza na estrutura de wurtzita e, polo tanto, mostra propiedades piroeléctricas e piezoeléctricas permitindo sensores, por exemplo, con sensibilidade ás forzas normais e cortantes. TiN, pola súa banda, presenta unha alta condutividade eléctrica e un gran módulo elástico, o que fai posible a implementación de esquemas de accionamento MEMS electrostáticos con feixes ultra delgados. Ademais, a alta resistencia de TiN contra a biocorrosión cualifica o material para aplicacións en ambientes bioxénicos. A figura mostra unha imaxe microscópica electrónica dun biosensor MEMS cun feixe de TiN curvable fino de 50 nm sobre unha placa de terra de TiN. Ambos poden accionarse como electrodos opostos a un condensador, xa que o feixe está fixado en paredes laterais illantes electricamente. Cando un fluído está suspendido na cavidade, a súa viscosidade pode derivarse de dobrar o feixe por atracción eléctrica á placa de terra e medir a velocidade de flexión.

Tecnoloxías de fabricación MEMS Micromáquina a granel

A micromáquina a granel é o paradigma máis antigo dos MEMS baseados en silicio. Todo o grosor dunha oblea de silicio utilízase para construír as estruturas micro-mecánicas. O silicio mecanízase mediante diversos procesos de gravado. A unión anódica de placas de vidro ou obleas de silicio adicionais úsase para engadir características na terceira dimensión e para a encapsulación hermética. A micromáquina a granel foi esencial para permitir sensores de presión e acelerómetros de alto rendemento que cambiaron a industria dos sensores nos anos 80 e 90.

Micromecanizado en superficie

O micromecanizado superficial utiliza capas depositadas na superficie dun substrato como materiais estruturais, en lugar de usar o propio substrato. A micromáquina de superficie creouse a finais dos anos oitenta para facer máis compatible a micromáquina de silicio coa tecnoloxía de circuítos integrados planos, co obxectivo de combinar MEMS e circuítos integrados na mesma oblea de silicio. O concepto orixinal de micromecanización superficial baseábase en delgadas capas de silicio policristalino modeladas como estruturas mecánicas móbiles e liberadas por gravado sacrificial da capa de óxido subxacente. Empregáronse electrodos de pente interdixitais para producir forzas no plano e detectar o movemento no plano capacitivamente. Este paradigma MEMS permitiu a fabricación de acelerómetros de baixo custo por exemplo. sistemas de airbags automotivos e outras aplicacións nas que o rendemento baixo e / ou os rangos elevados son suficientes. Analog Devices foi pioneiro na industrialización da micromáquina de superficie e realizou a co-integración de MEMS e circuítos integrados.

Oxidación térmica

Para controlar o tamaño dos compoñentes micro e nanoescala, a miúdo aplícase o uso dos chamados procesos etchless. Esta aproximación á fabricación de MEMS depende principalmente da oxidación do silicio, como se describe no modelo de Deal-Grove. Os procesos de oxidación térmica úsanse para producir diversas estruturas de silicio cun control dimensional altamente preciso. Dispositivos que inclúen peites de frecuencia ópticos e sensores de presión MEMS de silicio producíronse mediante o uso de procesos de oxidación térmica para afinar estruturas de silicio nunha ou dúas dimensións. A oxidación térmica ten un valor particular na fabricación de nanocables de silicio, que son amplamente empregados nos sistemas MEMS como compoñentes mecánicos e eléctricos.

Micromachinado de silicio con alta relación de aspecto (HAR)

Tanto a micromáquina de silicio a granel como a superficie utilízanse na produción industrial de sensores, boquillas de inxección de tinta e outros dispositivos. Pero en moitos casos a distinción entre estes dous diminuíu. Unha nova tecnoloxía de gravado, a gravación de ións reactivos profundos, permitiu combinar un bo rendemento típico da micromáquina a granel con estruturas de pente e un funcionamento en plano típico da micromáquina. Aínda que é común en micromáquinas de superficie ter un grosor de capa estrutural no intervalo de 2 µm, en micromáquinas de silicio HAR o espesor pode ser de 10 a 100 µm. Os materiais que se usan habitualmente na micromáquina de silicio HAR son o silicio policristalino groso, coñecido como epi-poli, e as obleas de silicio unido ao illamento (SOI), aínda que tamén se crearon procesos de obleas de silicio a granel (SCREAM). A unión dunha segunda oblea mediante unión de fritas de vidro, unión anódica ou unión por aliaxe úsase para protexer as estruturas MEMS. Os circuítos integrados normalmente non se combinan coa micromáquina HAR de silicio.

Aplicacións

Algunhas aplicacións comerciais comúns de MEMS inclúen:

Impresoras de inxección de tinta, que empregan piezoeléctricas ou exección de burbullas térmicas para depositar a tinta no papel. Acelerómetros en coches modernos para un gran número de fins, incluído o despregue de airbags e o control electrónico de estabilidade.