Los sistemas microelectromecánicos ( MEMS ) son dispositivos que combinan componentes mecánicos y eléctricos interconectados de tamaño micrométrico. Los sistemas microelectromecánicos consisten en elementos mecánicos, sensores , electrónicos , actuadores y dispositivos microelectrónicos ubicados sobre un sustrato común de silicio [1] .
El componente mecánico puede ser un espejo en miniatura, un elemento del sistema de escaneo (por ejemplo, para la tecnología DLP ), un sensor de inercia que puede determinar los movimientos característicos que realiza el usuario con su dispositivo y otros tipos de dispositivos.
Los dispositivos MEMS generalmente se fabrican sobre un sustrato de silicio utilizando tecnología de micromecanizado , similar a la tecnología utilizada para fabricar circuitos integrados de un solo chip . Las dimensiones típicas de los elementos micromecánicos oscilan entre 1 micrómetro y 100 micrómetros, mientras que los tamaños de los chips MEMS oscilan entre 20 micrómetros y un milímetro.
Actualmente, las tecnologías MEMS ya se están utilizando para la fabricación de varios microcircuitos. Por lo tanto, los osciladores MEMS en algunas aplicaciones reemplazan [2] a los osciladores de cuarzo . Las tecnologías MEMS se utilizan para crear una variedad de actuadores y sensores en miniatura , como acelerómetros , sensores de velocidad angular , giroscopios [3] , sensores magnetométricos , sensores barométricos, analizadores ambientales (por ejemplo, para análisis de sangre operativos), transductores de radiorrecepción [ 4] .
La tecnología MEMS se puede implementar utilizando una variedad de diferentes materiales y técnicas de fabricación, cuya elección dependerá del dispositivo que se cree y del sector del mercado en el que operará.
El silicio es el material utilizado para crear la mayoría de los circuitos integrados utilizados en la electrónica de consumo en el mundo actual. El predominio, la disponibilidad de materiales baratos de alta calidad y la capacidad de usarse en circuitos electrónicos hacen que el silicio sea atractivo para su uso en la fabricación de MEMS.
El silicio también tiene ventajas significativas sobre otros materiales debido a sus propiedades físicas. El monocristal de silicio obedece la ley de Hooke casi a la perfección . Esto significa que durante la deformación no está sujeto a histéresis y, en consecuencia, la energía de deformación prácticamente no se disipa.
Además, el silicio es muy confiable en movimientos ultrafrecuentes, ya que tiene muy poca fatiga y puede operar en el rango de miles de millones a billones de ciclos sin romperse.
Los principales métodos para obtener todos los dispositivos MEMS basados en silicio son la deposición de capas de material, estructurando estas capas mediante fotolitografía y grabado para crear la forma deseada.
Una característica de los dispositivos MEMS hechos de silicio es la fragilidad y, como advierten los fabricantes, los dispositivos no deben lavarse en un baño ultrasónico. Esto conduce a deformaciones extremas y destrucción de elementos en resonancia.
Aunque la industria electrónica proporciona una demanda a gran escala de productos de la industria del silicio, el silicio cristalino sigue siendo un material difícil y relativamente caro de fabricar. Los polímeros, por otro lado, se pueden producir en grandes volúmenes, con una amplia variedad de características materiales. Los dispositivos MEMS se pueden fabricar a partir de polímeros mediante procesos como el moldeo por inyección, el estampado o la estereolitografía; son particularmente adecuados para su uso en la fabricación de dispositivos microfluídicos tales como cartuchos de análisis de sangre desechables.
Un giroscopio es un dispositivo que puede responder a cambios en los ángulos de orientación de un objeto en relación con un sistema de referencia inercial y determinar su posición en el espacio. El elemento sensible del giroscopio integral son dos masas móviles (pesos) que están en movimiento continuo sobre una suspensión elástica en direcciones opuestas. La fuente de oscilaciones de la masa en movimiento son los motores electrostáticos de peine. La masa móvil, junto con los electrodos, ubicados sobre el sustrato, forman condensadores , que forman parte del circuito diferencial que genera una señal proporcional a la diferencia de capacidades del condensador.
La aceleración lineal afecta por igual tanto a las masas en movimiento como al sustrato, por lo que no aparece la señal a la salida del circuito diferencial. Tan pronto como hay un cambio en la velocidad angular relativa al eje de rotación, la fuerza de Coriolis comienza a actuar sobre las masas en movimiento , desviando las masas en movimiento en direcciones opuestas. En consecuencia, la capacitancia de un capacitor aumenta, mientras que la del otro disminuye, lo que genera una señal de diferencia proporcional a la magnitud de la aceleración angular. Así, se lleva a cabo la transformación de la velocidad angular del giroscopio en un parámetro eléctrico, cuyo valor es detectado por un sensor especial [5] .
Sensores capacitivos de aceleración de superficie (acelerómetros) : detectan la aceleración en un plano paralelo a la superficie de los chips de chips en los que están instalados. El principio de funcionamiento de los sensores de aceleración capacitivos se basa en un cambio en la capacitancia de un microcondensador, una de cuyas placas es móvil. Las placas móviles del sistema de capacitores están suspendidas elásticamente en abrazaderas y, en presencia de aceleración a lo largo del eje de sensibilidad (que se muestra con flechas), las capacitancias de las celdas elementales cambian. La magnitud y el signo de los cambios son registrados por un circuito electrónico integrado en el mismo chip que el sensor. El voltaje de salida del microcircuito es proporcional a la aceleración y su signo depende de la dirección de la aceleración. En estado estacionario horizontal o en movimiento a velocidad constante, la tensión de salida es de 1,8 V, con una aceleración máxima de ±50 g, la tensión de salida alcanza los 1,8 ± 0,95 V [6] .
Hay dos formas de tecnología de conmutación MEMS: óhmica y capacitiva.
1. Los interruptores MEMS óhmicos están diseñados con voladizos electrostáticos. Debido a que los voladizos se deforman con el tiempo, estos interruptores pueden fallar debido al desgaste de los contactos o la fatiga del metal .
2. Los interruptores capacitivos están controlados por una placa móvil o un elemento sensor que cambia la capacitancia . Usando sus características resonantes, pueden ajustarse para superar a los dispositivos óhmicos en ciertos rangos de frecuencia [7] .