Fri. Dec 2nd, 2022

Este artículo explora las características básicas y las aplicaciones comunes de una tecnología que se ha incorporado en una amplia variedad de dispositivos electrónicos de alto rendimiento.

Siempre aprecio un nombre que sea verdaderamente informativo y, a este respecto, el término "sistemas microelectromecánicos" (MEMS) no decepciona, es una definición tan concisa como un nombre.

Entonces, ¿qué significa MEMS?

MEMS se refiere a la tecnología que permite que las estructuras mecánicas se miniaturicen y se integren completamente con los circuitos eléctricos, lo que resulta en un solo dispositivo físico que en realidad se parece más a un sistema, donde "sistema" indica que los componentes mecánicos y los componentes eléctricos están trabajando juntos para implementar la funcionalidad deseada. Por lo tanto, es un sistema eléctrico y mecánico micro (es decir, muy pequeño).

Mecánico a eléctrico a (micro) mecánico

Los componentes y sistemas mecánicos generalmente se consideran menos avanzados tecnológicamente que las soluciones comparables basadas principalmente en fenómenos eléctricos, pero esto no significa que el enfoque mecánico sea universalmente inferior. El relé mecánico, por ejemplo, es mucho más antiguo que los dispositivos basados ​​en transistores que proporcionan una funcionalidad similar, pero los relés mecánicos todavía son ampliamente utilizados.

Sin embargo, los dispositivos mecánicos típicos siempre tendrán la desventaja de ser irremediablemente voluminosos en comparación con los componentes electrónicos que se encuentran en los circuitos integrados. Las limitaciones de espacio de una aplicación dada pueden hacer que los componentes eléctricos sean favorecidos o requeridos, incluso cuando una implementación mecánica hubiera resultado en un diseño más simple o de mayor rendimiento.

La tecnología MEMS representa una solución conceptualmente sencilla para este dilema: si modificamos los dispositivos mecánicos para que no solo sean muy pequeños sino que también sean totalmente compatibles con los procesos de fabricación de circuitos integrados, podemos, hasta cierto punto, tener lo mejor de ambos. mundos ".

Este es un engranaje físico y una cadena. Esta maquinaria se mueve y funciona como esperaría que un engranaje y una cadena se muevan y funcionen. Sin embargo, los eslabones de la cadena son unos 50. µm de largo, es decir, menor que el diámetro de un cabello humano. Imagen cortesía de Laboratorios Nacionales Sandia.

¿Qué hace un MEMS?

En la sección anterior, dije que la tecnología MEMS es una conceptualmente solución directa Como es de esperar, idear la idea de un dispositivo mecánico microscópico es mucho más fácil que construirlo.

Usamos el verbo "a máquina" para describir el trabajo de convertir una pieza de metal en un componente mecánico como un engranaje o una polea. En el mundo MEMS, el término equivalente es "a micromáquina". Las estructuras mecánicas diminutas en un dispositivo MEMS se fabrican modificando físicamente el silicio (u otro material de sustrato) usando técnicas especializadas sobre las cuales no sé casi nada. Estas estructuras mecánicas de silicio se combinan luego con circuitos integrados de silicio, y el sistema electromecánico resultante se incluye en un embalaje y se vende como un solo dispositivo.

Como se explicó en un artículo sobre MEMS publicado por la Universidad de Loughborough en Inglaterra, los dispositivos MEMS utilizan estructuras, sensores y actuadores micromaquinados. Los sensores permiten que un MEMS detecte cambios térmicos, mecánicos, magnéticos, electromagnéticos o químicos que pueden convertirse por circuitos electrónicos en datos utilizables, y los actuadores crean cambios físicos en lugar de simplemente medirlos.

Ejemplos de dispositivos MEMS

Veamos un ejemplo de la funcionalidad y estructura interna de un dispositivo MEMS.

Vigas de interruptor en voladizo micromaquinado. Imagen cortesía de Dispositivos analógicos.

Este gráfico transporta la estructura física de las vigas de interruptor en voladizo micromaquinado. Hay cuatro haces de conmutación y cada uno tiene cinco contactos (el uso de múltiples contactos es una técnica para reducir la resistencia en el estado). Las vigas de conmutación son accionadas por una tensión aplicada.

Imagen cortesía de Dispositivos analógicos.

Aquí vemos el interruptor MEMS (a la derecha) y los circuitos del controlador asociado (a la izquierda), interconectados y alojados en un paquete QFN. El circuito del controlador permite que un dispositivo digital típico, como un microcontrolador, controle efectivamente el interruptor, ya que hace todo lo necesario para generar una señal de activación de alto voltaje que promueve la operación efectiva y confiable del interruptor.

Aplicaciones MEMS: ¿Cuándo se utilizan los dispositivos MEMS?

La tecnología MEMS se puede incorporar en una amplia variedad de componentes electrónicos. Las compañías que hacen estos componentes presumiblemente afirmarían que una implementación de MEMS es superior a lo que se usó antes de que la versión de MEMS estuviera disponible. Sería difícil verificar una cantidad suficiente de estas afirmaciones para justificar una declaración generalizada en la línea de "Los dispositivos MEMS ofrecen un rendimiento significativamente mejor que los dispositivos que no son MEMS". Sin embargo, mi impresión general es que, en muchas situaciones, MEMS es un importante paso adelante. y, si el rendimiento o la facilidad de implementación es una prioridad en su diseño, primero vería los dispositivos MEMS.

En el contexto de la ingeniería eléctrica, la tecnología MEMS se ha incorporado en cuatro categorías de productos:

  • Audio
  • Sensores
  • Interruptores
  • Osciladores

Puede haber algunos productos menos comunes que no encajan en una de estas categorías; Si está al tanto de algo que pasé por alto, no dude en hacérnoslo saber en los comentarios.

Audio

En el dominio de audio, tenemos micrófonos MEMS y altavoces MEMS. Las características básicas de un micrófono MEMS se transmiten en el siguiente diagrama.

Sensores

Los sensores son la aplicación dominante de las técnicas MEMS; Hay giroscopios MEMS, inclinómetros, acelerómetros, sensores de flujo, sensores de gas, sensores de presión y sensores de campo magnético.

Interruptores

Los interruptores controlados eléctricamente son, en mi opinión, una aplicación particularmente interesante de la tecnología MEMS. El ADGM1004, sobre el que escribí en este artículo, es fácil de controlar, funciona con frecuencias de señal de 0 Hz a más de 10 GHz, tiene menos de 1 nA de corriente de fuga en el estado apagado y proporciona una vida útil de activación de al menos una mil millones de ciclos.

La combinación de un resonador micromaquinado con circuitos de excitación y circuitos de mantenimiento da como resultado un oscilador MEMS. Si desea investigar un componente MEMS real, puede consultar un artículo de noticias de 2017 en el que hablé sobre el oscilador MEMS SiT2024B de SiTime.

Diagrama cortesía de SiTime.

Osciladores

No tengo mucha experiencia con los osciladores MEMS, pero creo que podrían ser una excelente opción en aplicaciones exigentes; En el artículo mencionado anteriormente sobre el SiT2024B, señalo que, según la información de SiTime, un oscilador MEMS puede superar en gran medida a los osciladores basados ​​en cuarzo.

Conclusión

Muchos dispositivos electrónicos incorporan la tecnología MEMS, y es probable que se encuentre con un componente de MEMS tarde o temprano, si no cada vez que diseña una placa. Espero que este artículo haya proporcionado una buena visión general de qué es MEMS y cómo se utiliza en el diseño electrónico.

By Maria Montero

Me apasiona la fotografía y la tecnología que nos permite hacer todo lo que siempre soñamos. Soñadora y luchadora. Actualmente residiendo en Madrid.