MEMS - Sistemas Microeletromecânicos

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Desenvolvidos a partir dos anos 80, sistemas microeletromecânicos (ou simplesmente MEMS – Micro Electro Mechanical Systems) vêm apresentando rápida evolução em virtude da vasta gama de possíveis aplicações e são considerados uma das tecnologias mais promissoras do século XXI. Podendo ser utilizada de celulares a projetos aeroespaciais e biotecnologia, essa classe de dispositivos causou uma revolução eletrônica nas últimas décadas através da combinação da microeletrônica baseada em silício com a tecnologia de microusinagem. Assim, o objetivo deste artigo é introduzir os MEMS, esta fascinante tecnologia, capaz de modificar a vida como a conhecemos ou apenas agregar funcionalidades que tornarão seu sistema embarcado realmente embarcado.

 

MEMS: Fusão entre eletrônica e mecânica em escala micrométrica

 

Criado utilizando técnicas que se tornaram a base para a difusão desta tecnologia nos dias atuais, o primeiro dispositivo MEMS foi desenvolvido em 1967 pelo engenheiro americano Harvey C. Nathanson. Esse dispositivo, conhecido como Transistor de Porta Ressonante [1], tratava-se, resumidamente, de um sintonizador e seletor de frequências ativado eletrostaticamente, utilizado em circuitos de sintonia RF. Esta invenção o concedeu uma patente, dentre as mais de 50 existentes em seu nome, no ramo da eletrônica de estado sólido.

 

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Figura 1: Geometria e conexões elétricas do Transistor de Porta Ressonante [1] 

 

No entanto, somente ao final dos anos 80 é que a tecnologia MEMS realmente alavancou. Isso deve-se à evolução e ao amadurecimento de técnicas de fabricação da microeletrônica que acabaram despertando a criatividade de pesquisadores sobre a possibilidade de se inserir em um chip mais do que somente funções eletrônicas. Esses fatores, por sua vez, suscitaram na indústria o interesse por este tipo de dispositivo, graças à identificação de potenciais aplicações em áreas emergentes como telecomunicações, automobilística, médica, biomédica, eletrônica de consumo, instrumentação, controle de processos, aeronáutica e aeroespacial.

 

Mas, afinal, o que são MEMS?

 

O professor Paul Saffo, cuja pesquisa se concentra no futuro da engenharia, descreve a tecnologia MEMS como sendo a essência da computação analógica, capaz de sentir e reagir a estímulos externos naturais, se aproximando muito mais da realidade, ao invés do comportamento binário e artificial da computação digital. Saffo prevê que haverá cada vez mais usos para estes dispositivos inteligentes, capazes de responder ao ambiente de forma dinâmica e analógica. Imagine asas de aviões que sejam capazes de se remodelar quando em meio à turbulência. É a isso que Saffo se refere!

 

E como ele chegou a esta conclusão? Isso ficará cada vez mais claro a partir de agora.

 

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Figura 2: Curiosity, um dos sistemas eletromecânicos em macro escala mais avançados e confiáveis já criados pelo homem [3]

 

A tecnologia MEMS é um processo de natureza multidisciplinar, uma combinação de conceitos da microeletrônica, engenharia mecânica, ciência dos materiais, física e química, reunidos para produzir sistemas integrados em um único chip, gerando dispositivos capazes de desempenhar funções de sensoriamento, controle e atuação.

 

Através do uso de técnicas de microfabricação, que nada mais são do que manipulações do silício e outros substratos usando processos de microusinagem, é realizada a integração de estruturas mecânicas (sendo elas móveis ou não), sensores, atuadores e eletrônica, tornando possível a sintetização de sistemas completos em escala micrométrica. Basicamente, a microeletrônica é o cérebro destes sistemas, responsável por toda a capacidade de processamento, já a tecnologia MEMS acrescenta olhos, ouvidos e músculos a dispositivos antes regidos, exclusivamente, pelas equações de Maxwell. Enquanto circuitos integrados tradicionais são desenvolvidos explorando as propriedades elétricas do silício, MEMS também consideram suas propriedades mecânicas [4].

 

A microusinagem do silício, idealizada por Nathanson, tornou-se o processo fundamental para fabricação de dispositivos microeletromecânicos e, em particular, de sensores e atuadores miniaturizados.

 

De uma maneira geral, sistemas microeletromecânicos são formados pelos seguintes componentes:

  

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Figura 3 - Componentes da Tecnologia MEMS

 

 

 

Um dispositivo MEMS é caracterizado, principalmente, pela presença de sensores ou atuadores em conjunto com a microeletrônica, ou ainda, pela união de todos estes componentes simultaneamente em um mesmo dispositivo.

 

Os micro sensores são responsáveis por detectar as mudanças físicas do meio, sejam elas mecânicas, térmicas, magnéticas, químicas ou eletromagnéticas, e convertê-las em um sinal elétrico proporcional. A microeletrônica, por sua vez, processa essa informação e aciona os microatuadores de forma que eles possam criar uma resposta a esta mudança, convertendo sinais elétricos em energia mecânica. Microatuadores são largamente empregados em impressoras do tipo inkjet e em sistemas de foco automático de câmeras digitais.

  

Micro sensores e microatuadores são o que há de mais importante em um dispositivo MEMS. Estes componentes são os transdutores de um sistema microeletromecânico, responsáveis pela conversão de uma forma de energia em outra. Muitos destes transdutores foram desenvolvidos pela indústria microeletrônica, como, por exemplo, sensores de temperatura e luz, mas suas funcionalidades são potencializadas quando utilizados em MEMS.

 

Dependendo do mecanismo de sensibilidade e das grandezas observadas, estes transdutores podem ser mecânicos, térmicos, magnéticos, químicos ou de radiação [6]. Dentre estes, talvez os mais conhecidos sejam os que exercem a função de sensores mecânicos, como o acelerômetro (capaz perceber variações de aceleração), o giroscópio (permite medir a velocidade de rotação e movimentos angulares), sensores de pressão e strain gauges (capazes de medir deformações)

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Figura 4: Um motor de silício MEMS comparado a um fio de cabelo humano [5]

 

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Figura 5: À esquerda, o projetor digital de luz da Texas Instruments utilizado em projetores de video; À direita, um microfone MEMS, utilizado em smartphones e tablets


  

MEMS e suas aplicações na indústria

 

Nas últimas décadas, a tecnologia MEMS passou de uma área de pesquisa que despertava curiosidade para uma indústria multibilionária. Hoje, este tipo de dispositivo pode ser encontrado em uma diversidade de aplicações:

 

Tabela 1: Aplicações típicas de MEMS [7]

AutomotivaEletrônicaMédicaComunicaçõesDefesa
Sensores internos de navegaçãoSmartphones e vídeo gamesSensores de pressão arterialComponentes de redes de fibra ópticaSistemas de orientação de mísseis
Sensor do compressor do ar condicionadoCabeças de impressão de impressoras jato-de-tintaEstimuladores muscularesChaves, filtros e relês para sinais RFVigilância
Sensores de frenagem e controle de suspensãoProjetores de vídeoSensores implantadosOsciladores controlados por tensão (VCO)Sistema de armas
Sensores de nível de combustível e pressão de vaporesSistemas de armazenamento de dadosPrótesesDivisores e acopladoresSensores embarcados
Sensores de sistemas airbagDetecção de terremotosMarca-passosLasers sintonizáveisControle de aeronaves

 

A indústria automotiva, por exemplo, desempenhou um papel fundamental no processo de validação dos MEMS e da tecnologia de microusinagem, graças ao uso bem sucedido de mais de 60 milhões desses dispositivos logo nos primeiros 10 anos. Carros com alta tecnologia embarcada chegam a utilizar mais de 70 dispositivos MEMS distribuídos no sistema ABS (anti-lock braking system), suspensão ativa, sistema de controle de navegação, monitoramento de vibrações, sensores de combustível, redução de ruído, detecção de capotamento, cinto de segurança etc.

 

Em um comércio liderado pela Bosch, os 10 principais fabricantes de MEMS para este setor da indústria representam 90% do mercado:

 

Tabela 2: 10 maiores fabricantes de MEMS para a indústria automotiva [8]

RankCompanhiaReceita em 2013 (em milhões de dólares)Receita em 2012 (em milhões de dólares)Crescimento
1Bosch74065313.3%
2Denso233296-21.3%
3Sensata2172008.5%
4Freescale2141997.5%
5Analog Devices1911768.5%
6Infineon17415115.2%
7Panasonic166211-21.3%
8Murata1371277.9%
9Delphi6263-1.6%
10GE Sensing494022.5%
 Outros2872860.3%

 

O sistema airbag foi uma das primeiras aplicações comerciais da tecnologia MEMS. Através do uso de acelerômetros responsáveis por medir a rápida desaceleração do veículo em caso de colisão, a CPU do veículo aciona o sistema que infla as bolsas de ar quase que instantaneamente. A tecnologia inicialmente utilizada em sistemas airbag era exclusivamente mecânica, complexa, pesada e cara. Hoje o sensoriamento é feito através de um único circuito integrado alojado dentro da coluna de direção, custando bem menos.

 

O acelerômetro é, essencialmente, um dispositivo capacitivo ou piezo-resistivo que consiste de uma massa de prova suspensa. Através da ação de forças que provoquem uma aceleração desta massa de prova, placas microusinadas sofrem deflexão, indicando esse fenômeno. A partir daí, as propriedades físicas do material são responsáveis pela conversão desta deflexão em sinais elétricos. Quanto maior a aceleração, maior a deflexão das placas e maior será o sinal elétrico correspondente. Esse componente será tratado de forma mais detalhada em artigos futuros.

 

Se considerarmos os fabricantes de MEMS para diversas aplicações, a Bosch será somente a quarta colocada. Como maiores fornecedores de dispositivos MEMS temos a STMicroelectronis, a Texas Instruments e a Hewlett Packard. A ST, por exemplo, divulgou na semana passada ter alcançado a incrível marca de 5 bilhões de sensores MEMS vendidos. Mais impressionante que a quantidade é saber que esses sensores são destinados à indústria dos games, smartphones, tablets, sistemas de navegação, tecnologia vestível e, claro, a internet das coisas (IoT), além de aplicações que requerem eletrônica de alta confiabilidade, tais como automotiva, saúde e bem-estar, para reconhecimento de gestos precisos, como detecção de assinatura, ou ainda avaliar a qualidade dos movimentos executados por um paciente quando submetido a sessões de fisioterapia.

 

Ainda não convencido de quão próximo você pode estar da tecnologia MEMS? Veja na imagem a seguir quantos sensores podem ser embarcados em um único smartphone e as funcionalidades que eles agregam a esse produto, antes conhecido simplesmente como telefone celular:

 

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Figura 6: Tendências de sensores e aplicações para smartphones. Fonte: Qualcomm

 

Processos de Fabricação

 

O processo de fabricação de MEMS é bem semelhante ao processo já utilizado pela indústria microeletrônica para a fabricação de circuitos integrados, como apresentado no fluxograma abaixo:

 

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Figura 7: Similaridades entre os processos de fabricação de circuitos integrados e de MEMS

 

A fotolitografia é uma técnica que permite que o layout do circuito integrado seja transferido da fotomáscara para o substrato de silício através da exposição a raios ultravioleta. No entanto, este processo é capaz de criar somente sensores simples. Para a criação de sensores avançados, atuadores ou sistemas complexos, outras técnicas são requeridas.

 

As técnicas para fabricação de microestruturas podem ser de dois tipos: processos específicos para microssistemas de alta razão de aspecto (HARM, High-Aspect-Ratio Micromachining) e processos compatíveis com a microeletrônica [10]. O primeiro geralmente compromete a integração com a eletrônica, logo, apenas microssistemas híbridos (sistemas compostos por mais de um chip, separando-se a eletrônica das estruturas mecânicas) podem ser realizados. Neste tipo de fabricação destaca-se o processo LIGA, uma técnica de litografia que utiliza Raios X [11].

 

Se tratando dos métodos compatíveis com os processos de fabricação de circuitos integrados, dois podem ser citados: a microusinagem de volume e a microusinagem de superfície. Ambos permitem a criação de sistemas monolíticos, nos quais sistemas completos são integrados em um único chip. A principal diferença entre esses dois métodos é que, enquanto a microusinagem de volume remove material do substrato para criação das estruturas mecânicas, a microusinagem de superfície trabalha com a deposição de finas camadas de materiais sobre o substrato para criação de estruturas tridimensionais.

 

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Figura 8: Atuador giratório acionado eletrostaticamente, fabricado através da técnica de microusinagem de superfície [12]


 

Quando as dimensões desses dispositivos ficam abaixo de 1 mícron, eles passam a ser designados pelo termo NEMS (Nano Electro Mechanical Systems). O problema é que nestes casos é necessário empregar-se técnicas de produção totalmente diferentes. Devido ao processo de escalamento destes dispositivos, efeitos físicos, antes secundários, tornam-se centrais, pois a física clássica passa a ser incapaz de descrever e prever os efeitos observados, sendo a mecânica quântica a principal regente da nanotecnologia.

 

O encapsulamento é um fator crítico quando tratamos de dispositivos microeletromecânicos devido à sua sensibilidade ao stress mecânico. E isso tende a se tornar ainda mais relevante quando consideramos os NEMS. O encapsulamento deve ser capaz de proteger as partes mecânicas e eletrônicas ao mesmo tempo que permite uma interface entre o dispositivo e o meio físico.

 

Você pode encontrar maiores informações sobre esses métodos de fabricação nas referências indicadas.

 

 

Conclusões

 

O tamanho e a massa de um sensor podem alterar de forma significativa as características do objeto a ser monitorado, o que nos convence ainda mais sobre as vantagens da utilização de MEMS no desenvolvimento de sistemas embarcados.

 

MEMS é uma tecnologia de fabricação, uma nova metodologia para se desenvolver e criar dispositivos mecânicos complexos e sistemas totalmente integrados utilizando processos de fabricação em alta escala. Esta tecnologia representa uma drástica mudança de paradigma no que diz respeito ao projeto e fabricação de circuitos integrados. Talvez, um dos fatores que mais contribuam para seu crescente avanço seja a saturação encontrada na evolução dos circuitos digitais, fazendo com que esforços muito grandes tenham que ser empregados na obtenção de resultados cada vez menores. Está cada vez mais difícil acompanhar a Lei de Moore e, quanto mais o tempo passa, mais nos aproximamos do dia em que o silício deixará de ser a menina dos olhos da microeletrônica e venha a ser substituído, talvez pelo grafeno.

 

Apesar de só permitir a produção de dispositivos em larga escala há menos de 30 anos, a tecnologia MEMS vem avançando a passos largos graças, principalmente, ao interesse da indústria por estes sistemas integrados. Para se ter uma ideia, pesquisas passadas sugerem que memórias baseadas em MEMS tenham uma performance superior quando comparadas a memórias convencionais [14].

 

MEMS representam uma área de pesquisa muito extensa. Como só é possível abordar uma coisa de cada vez, os próximos artigos serão prioritariamente focados em uma subclasse da tecnologia MEMS, talvez a mais interessante delas: os sensores inerciais.

 

Quais novidades surgirão em função desta que foi considerada a maior evolução tecnológica depois da microeletrônica baseada em silício? Deixe sua opinião nos comentários!

 

 

Referências bibliográficas

 

[1] H.C. NATHANSON, H. C., et al. The resonant Gate Transistor, IEEE Transactions on Electron Devices, March 1967, Vol. 14, I, pp 117 - 133.

[2] SAFFO, P. Sensors: The Next Wave of Infotech Innovation.Disponível em: http://www.saffo.com/essays/sensors-the-next-wave-of-infotech-innovation/

[3] Jet Propulsion Laboratory. Disponível em: http://www.jpl.nasa.gov/

[4] PETERSEN, K. E. Silicon as a Mechanical Material, Proceedings of the IEEE, May 1982, Vol. 70, No. 5, p. 420-457.

[5] Sandia National Labs. Disponível em: http://mems.sandia.gov/

[6] LEE, K. B. Principles of Microelectromechanical Systems. Wiley – IEEE Press. 1ª ed, 2011.

[7] MEMSCAP. Disponível em: http://www.memscap.com/

[8] Bosch is World’s Top Auto MEMS Supplier; top 10 account for nearly 90 percent of industry total. Disponível em: http://press.ihs.com/press-release/automotive/bosch-worlds-top-auto-mems-supplier-top-10-account-nearly-90-percent-indust

[9] STMicroelectronics Tops Five Billion MEMS Sensors Shipped. Disponível em: http://www.st.com/web/en/press/t3603d

[10] VARADAN, V. K.; JIANG, X.; VARADAN, V. V. Microstereolithography and other Fabrication Techniques for 3D MEMS. John Wiley & Sons. 1ª ed, 2001.

[11] EHRFELD, W.; GÖTZ, F.; MÜNCHMEYER, D.; SCHELB, W.; Schmidt, D. LIGA process: sensor construction techniques via X-ray lithography. In: IEEE Solid-State Sensor and Actuator Workshop, 1988, pp. 1-4.

[12] BARNES, S. M.; MILLER, S. L.; RODGERS, M. S.; BITSIE, F. Torsional Ratcheting Actuating System.Sandia National Laboratories.

[14] LEE, S. W.; PARK, S. J.; CAMPEBELL, E. E. B.; PARK, Y. W. A fast and low-power microelectromechanical system-based non-volatile memory device. Nature Communications, March 2011.

Imagem de destaque - Fonte: Darpa. http://www.darpa.mil/Our_Work/MTO/Programs/Micro-Technology_for_Positioning,_Navigation_and_Timing_%28Micro-PNT%29.aspx Direitos de reprodução da Imagem ( http://www.darpa.mil/Privacy_Security_Notice.aspx )

 

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Henrique Torres
Engenheiro por vocação, me formei em Engenharia Elétrica com ênfase em Eletrônica pelo Centro Universitário da FEI em 2011. Desde então, venho trabalhando com desenvolvimento de hardware e firmware para sistemas embarcados, tendo adquirido experiência em processamento de sinais Radar, física de dispositivos semicondutores, projeto de sistemas embarcados em FPGA, com descrição e implementação de microcontroladores e periféricos em VHDL, entre outras. Amante do conhecimento, tenho por objetivo iniciar meu mestrado e, posteriormente, o doutorado, para então poder trabalhar com pesquisa e ensino. Quero fazer a diferença na vida das pessoas como Professor, Engenheiro e Pesquisador, educando e realçando a beleza do mundo através de minhas habilidades e virtudes, com o auxílio de minha família e meu violoncelo.

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FABIANO FRUETTFabio CarneiroHenrique TorresAndre TenorioAnderson Cesarino Recent comment authors
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FABIANO FRUETT
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FABIANO FRUETT

Henrique, parabéns pelo artigo.

Anderson Cesarino
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Anderson Cesarino

Excelente artigo!!!

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[…] solução pode contemplar uma vasta gama de possíveis aplicações, incluindo os Sistemas Microeletromecânicos (MEMS) – considerados uma das tecnologias mais promissoras do século XXI – para manufatura […]

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[…] solução pode contemplar uma vasta gama de possíveis aplicações, incluindo os Sistemas Microeletromecânicos (MEMS) – considerados uma das tecnologias mais promissoras do século XXI – para manufatura […]

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[…] de sistemas sobre os quais estas forças são exercidas, sensores estes baseados na tecnologia MEMS [2]. Devido ao grande número de aplicações, estes sensores se tornaram um dos sistemas […]

Fabio Carneiro
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Fabio Carneiro

Henrique parabéns pela matéria, gostei mesmo! Apenas verifique na tabela 2, o nome Bosch está Bosh. Abraço

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[…] A placa mais completa, a FRDM-FXS-MULTI-B [5], possui todos os sensores e ainda inclui um módulo Bluetooth BlueRadio [7]. Ela não possui microcontrolador e foi criada pensando em ser utilizada em conjunto com a placa Freedom FRDM-K25Z, a primeira placa Freedom Board lançada. Possui uma interface com Cartao SD, o que permite que essa placa fique capturando dados por um longo tempo e armazenando os dados colhidos nesse cartão, sem necessidade de um hardware externo extra. E, claro, essas placas são recheadas de MEMS. Para ler mais sobre MEMS, confira o artigo de Henrique Torres [0]. […]

Andre Tenorio
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( André Tenório )

Muito legal! Parabéns!

Henrique Torres
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Henrique Torres

André, muito obrigado!
Continue nos acompanhando para ter acesso aos próximos artigos sobre sensores inerciais.
Grande abraço!