Un MEMS (sistema micro-elettromeccanico) è una macchina in miniatura che ha sia componenti meccaniche che elettroniche. La dimensione fisica di un MEMS può variare da diversi millimetri a meno di un micrometro, una dimensione molte volte più piccola della larghezza di un capello umano.
L’etichetta MEMS è usata per descrivere sia una categoria di dispositivi micromeccatronici che i processi utilizzati per la loro fabbricazione. Alcuni MEMS non hanno nemmeno parti meccaniche, eppure sono classificati come MEMS perché miniaturizzano le strutture utilizzate nei macchinari convenzionali, come molle, canali, cavità, fori e membrane. Poiché alcuni dispositivi MEMS convertono un segnale meccanico misurato in un segnale elettrico o ottico, possono anche essere indicati come trasduttori. In Giappone, i MEMS sono più comunemente noti come micromacchine, e nei paesi europei, i MEMS sono più comunemente indicati come tecnologia dei microsistemi (MST).
Come sono costruiti i MEMS
I MEMS sono composti da parti come microsensori, microprocessori, microattuatori, unità di elaborazione dati e parti che possono interagire con pezzi esterni.
A differenza dei dispositivi meccatronici convenzionali, i MEMS sono spesso fabbricati con le stesse tecniche di fabbricazione in serie utilizzate per creare circuiti integrati (IC) e molti prodotti MEMS commerciali sono integrati e confezionati insieme agli IC. La fabbricazione dei MEMS permette ai microsensori, che raccolgono dati, e ai microattuatori, che convertono l’energia in movimento, di integrarsi sullo stesso substrato.
Anche se i MEMS hanno un basso costo di produzione per dispositivo, il confezionamento può essere una sfida. Ogni MEMS deve essere confezionato in modo che i circuiti elettrici o ottici e gli altri componenti del dispositivo rimangano liberi dalla contaminazione dell’aria e dell’acqua, pur essendo in grado di interagire con l’ambiente circostante e di accogliere il movimento.
Esempi di MEMS
Il piccolo sistema su un chip (SOC) che regola automaticamente l’orientamento dello schermo di uno smartphone è un esempio di un MEMS con cui molte persone interagiscono ogni giorno. Man mano che i MEMS diventano più piccoli, richiedono meno energia e sono meno costosi da produrre, si prevede che giocheranno un ruolo importante nell’Internet delle cose (IoT) wireless e nella domotica.
Altre applicazioni commerciali dei MEMS includono:
- Sistemi di riscaldamento e raffreddamento guidati da sensori per i sistemi di gestione degli edifici.
- Micro-array di specchi per sistemi di proiezione ad alta definizione.
- Polvere intelligente per il rilevamento dei cambiamenti ambientali nelle camere bianche di produzione molecolare (nanotecnologia).
- Micronozzle per controllare il flusso di inchiostro nelle stampanti a getto d’inchiostro.
- Giroscopi, barometri, accelerometri e microfoni minuscoli per supportare le applicazioni mobili.
- Sensori di pressione monouso per l’uso nel settore sanitario.
- Dispositivi ottici di commutazione che permettono a un segnale ottico di controllare un altro segnale ottico.
Il MEMS sottostante è una pompa da insulina monouso e indossabile per la gestione del diabete, progettato da Debiotech e STMicroelectronics. Secondo Debiotech, il chip è una pila di 3 strati incollati insieme: una piastra di silicio su isolante (SOI) con strutture microlavorate della pompa e due piastre di copertura di silicio con fori passanti. Un attuatore piezoelettrico sul chip muove la membrana in un movimento alternato per comprimere e decomprimere il fluido nella camera di pompaggio.
Storia dei MEMS
L’idea di creare i MEMS è iniziata negli anni ’80; tuttavia, i mezzi per produrre i MEMS (le infrastrutture di progettazione e produzione) non erano abbastanza disponibili fino agli anni ’90. Uno dei primi tipi di MEMS prodotti erano per i controllori degli air-bag e le testine di stampa a getto d’inchiostro. Alla fine degli anni ’90, un proiettore è stato realizzato utilizzando micromirri (che utilizza i MEMES). Gran parte del supporto originale per i MEMS venne dalla Defense Advanced Research Projects Agency Research and Development Electronics Technology Office.
Con il tempo, i microsensori cominciarono a essere usati per un gran numero di tipi di sensori, compresi i sensori di temperatura, pressione, campi magnetici e radiazioni. In molti casi, i sensori che utilizzavano i MEMS erano molto più efficienti in termini di prestazioni rispetto alle controparti più grandi.
Oggi la maggior parte delle persone interagisce quotidianamente con i MEMS. Ogni nuova automobile che esce da una catena di montaggio ha almeno 50 MEMS; sono componenti essenziali in vari sistemi di sicurezza obbligatori, tra cui airbag, controllo elettronico della stabilità (ESC) e sistemi di monitoraggio della pressione dei pneumatici (TPMS).
MEMS vs. NEMS
Mentre MEMS sta per sistema micro-elettromeccanico, NEMS sta per sistema nano-elettromeccanico. NEMS sarebbe usato nella nanotecnologia, che è una tecnologia che può manipolare la materia su scala nanometrica (intorno al livello atomico o molecolare). Un approccio top-down alla nanotecnologia utilizza dispositivi che condividono molte tecniche simili ai MEMS. I MEMS e i NEMS sono talvolta indicati come tecnologie separate, ma possono essere considerati come dipendenti l’uno dall’altro, poiché le tecnologie NEMS sono necessarie per i NEMS. Per esempio, un microscopio a scansione a punta di tunnel (STM), che può rilevare gli atomi, è un dispositivo MEMS.
Questo video del MEMS & Sensors Industry Group fornisce un’introduzione alla tecnologia MEMS.