La tecnologia MEMS

I Sistemi Micro-Elettro-Meccanici (MEMS) costituiscono una tecnologia di fabbricazione che permette la realizzazione di dispositivi e strutture meccaniche ed elettromeccaniche miniaturizzate attraverso processi di microfabbricazione derivati dall'industria dei semiconduttori. La dimensione caratteristica di questi dispositivi spazia dal sub-micron (inferiore a un millesimo di millimetro) fino ad alcuni millimetri, ponendoli molti ordini di grandezza al di sotto del diametro di un capello umano.

Il termine MEMS, predominante in Nord America, non è universale; in Europa si preferisce "Microsistemi" (MST), mentre in Giappone sono noti come "Micromacchine". Indipendentemente dalla nomenclatura, il criterio unificante è la presenza di elementi con una funzionalità meccanica intrinseca, che siano essi fissi (come canali, cavità o travi) o mobili (come ingranaggi, specchi o membrane).

I MEMS non sono semplicemente versioni in miniatura di macchine convenzionali; sono invece una nuova classe di dispositivi il cui comportamento è governato da leggi fisiche che, a scale così ridotte, divergono in modo significativo dalla nostra esperienza macroscopica. La loro fabbricazione avviene attraverso processi di microlavorazione – sia sottrattivi che additivi – come la fotolitografia, l'incisione umida e a secco, e la deposizione di vapori, rendendo impossibile una produzione meccanica tradizionale.

Il cuore funzionale dei MEMS sono i microsensori e microattuatori:

1. I microsensori convertono un segnale meccanico, termico, chimico, magnetico o ottico proveniente dall'ambiente in un segnale elettrico. Esempi includono accelerometri per rilevare l'inclinazione, sensori di pressione per monitorare i fluidi, e giroscopi per misurare la velocità angolare.
2. I microattuatori eseguono il processo inverso, trasformando un segnale elettrico in un'azione meccanica. Microvalvole che regolano flussi di gas, array di microspecchi che dirigono la luce nei proiettori DLP, e micropompe che gestiscono fluidi in laboratori su chip (LoC) ne sono esempi emblematici.

Sorprendentemente, questi dispositivi microlavorati spesso superano in prestazioni i loro equivalenti macroscopici. Un trasduttore di pressione MEMS, ad esempio, offre generalmente maggiore precisione, risoluzione e affidabilità di un sensore realizzato con tecniche di lavorazione meccanica di precisione.

Un ingranaggio e una catena MEMS

Il vero potenziale dei MEMS si realizza pienamente con l'integrazione. La visione ultima è quella di un "sistema completo su un chip" (System-on-Chip, SoC), dove microsensori, microattuatori, circuiti di elaborazione del segnale e, potenzialmente, componenti fotonici o nanotecnologici, coesistono su un unico substrato di silicio.

Questa integrazione può essere:

• Monolitica: Dove tutti gli elementi sono fabbricati sullo stesso wafer.
• Ibrida: Dove i componenti MEMS e IC sono prodotti separatamente e poi assemblati in un unico package.

L'integrazione diretta si è rivelata estremamente complessa, spingendo molti produttori verso soluzioni ibride per prodotti commercialmente validi. Tuttavia, la tendenza è verso una sempre maggiore integrazione monolitica.

Il vantaggio economico fondamentale dei MEMS risiede nel batch processing (lavorazione in lotti). Centinaia o migliaia di dispositivi vengono fabbricati simultaneamente su un unico wafer di silicio, proprio come avviene per i circuiti integrati. Questo metodo abbatte drasticamente il costo per dispositivo, rendendo economicamente fattibile la produzione di massa di sistemi meccanici estremamente complessi e performanti.

Quella dei MEMS è una tecnologia abilitante per innumerevoli settori. La loro pervasività è spesso invisibile ma critica:

• Automotive: Sono stati il volano iniziale per i MEMS. Sensori MEMS per airbag hanno soppiantato universalmente i meccanismi a sfera metallica a partire dagli anni '90. Oggi, giroscopi e accelerometri MEMS sono fondamentali per i sistemi di controllo elettronico della stabilità (ESC) e antislittamento.
• Elettronica di Consumo: Ogni smartphone contiene una molteplicità di MEMS: accelerometri per l'orientamento dello schermo, giroscopi per il gaming, magnetometri per la bussola, microfoni per l'audio, e oscillatori per la temporizzazione. I proiettori DLP® di Texas Instruments, basati su un array di microspecchi (DMD), sono un altro esempio di successo.
• Industria e Biomedica: Testine di stampa a getto d'inchiostro utilizzano attuatori piezoelettrici MEMS per il deposito "Drop-on-Demand" dell'inchiostro. Nel biomedicale, i MEMS abilitano sensori di pressione invasivi, micropompe per somministrazione di farmaci e biosensori lab-on-a-chip.
• Comunicazioni Ottiche: Microspecchi e interruttori ottici MEMS sono cruciali per instradare i segnali nelle reti a fibre ottiche.

Il mercato globale dei MEMS continua a crescere a un ritmo sostenuto. Già nel 2012, Yole Développement prevedeva un mercato da 21 miliardi di dollari entro il 2017, una previsione che è stata ampiamente superata, testimoniando la continua espansione e innovazione in questo campo.

Un micromotore azionato elettrostaticamente 

Progettare un dispositivo MEMS richiede un cambio di paradigma mentale. Le leggi di scalabilità governano il comportamento dei sistemi miniaturizzati. Il fattore di scala S (dove S < 1 per la miniaturizzazione) influenza le forze in gioco in modo non uniforme:

• Forza di gravità: scala con S⁴ (diventa trascurabile).
• Forze elettrostatiche e di pressione: scala con S².
• Forza di tensione superficiale: scala con S¹ (diventa dominante).

Questo spiega perché un insetto può camminare sull'acqua (tensione superficiale dominante) e perché i microingranaggi siano soggetti a fenomeni di adesione piuttosto che ad usura meccanica.

La modellazione di questi sistemi complessi avviene spesso tramite la scomposizione in sottosistemi (meccanico, elettrico, termico, fluido-dinamico) e l'uso di tecniche di modellazione a elementi concentrati o a diagrammi a blocchi, per poi approdare a sofisticati strumenti di simulazione multi-dominio (come FEM).

Il packaging dei MEMS è forse la sfida più grande e costosa, che può rappresentare oltre il 50% del costo totale del dispositivo. A differenza di un circuito integrato, che deve essere semplicemente protetto dall'ambiente, un MEMS spesso deve interagire con esso. Un sensore di pressione ha bisogno di un diaframma a contatto con il fluido da misurare, un microfono deve far arrivare il suono, un giroscopio deve essere protetto da shock meccanici ma libero di vibrare.

Non esiste un package standard; ogni dispositivo richiede una soluzione su misura. Tecnologie avanzate come il Wafer-Level Packaging (WLP) e le Through-Silicon Vias (TSV) stanno emergendo per ridurre le dimensioni, migliorare le prestazioni e contenere i costi, permettendo di creare package ermetici a livello di wafer prima del singolo taglio.

In definitiva i MEMS hanno smesso di essere una tecnologia futuristica per diventare una componente indispensabile della moderna industria tecnologica. La loro capacità di conferire "sensi" e "azioni" ai sistemi elettronici sta guidando lo sviluppo dell'Internet of Things (IoT), dei sistemi autonomi, della robotica avanzata e dell'healthcare personalizzato.

La tendenza futura è verso un'integrazione sempre più stretta ed eterogenea (MEMS, elettronica, fotonica, nanomateriali), verso la sensor fusion (l'integrazione di dati provenienti da molteplici sensori per ottenere informazioni più accurate e contestuali) e verso livelli senza precedenti di miniaturizzazione e prestazioni. I MEMS non sono solo una tecnologia; sono una piattaforma abilitante che continuerà a ridefinire i limiti del possibile nel mondo microscopico che ci circonda.