La tecnologia MEMS

I Sistemi Micro-Elettro-Meccanici (MEMS) sono dispositivi integrati di minuscole dimensioni che combinano componenti meccanici ed elettrici. Vengono fabbricati utilizzando tecniche di micro-lavorazione molto simili a quelle impiegate nell'industria dei semiconduttori. Questi dispositivi possono includere una varietà di componenti (elementi meccanici, sensori, attuatori ed elettronica) che interagiscono con il mondo fisico in molteplici modi.

Uno dei vantaggi chiave dei MEMS è la loro capacità di comunicare facilmente con l'elettronica di elaborazione del segnale, facilitando lo sviluppo di dispositivi "smart". Inoltre, grazie alle loro dimensioni ridotte, i dispositivi MEMS consumano tipicamente meno energia, hanno costi più contenuti e prestazioni superiori rispetto alle loro controparti macroscopiche.

Come sono fatti 

La tecnologia MEMS integra elementi meccanici, sensori, attuatori ed elettronica su un comune substrato di silicio attraverso la tecnologia di micro-lavorazione. L'elettronica viene fabbricata utilizzando sequenze di processo di circuiti integrati (IC), mentre i componenti micromeccanici sono realizzati mediante processi di micro-lavorazione. Grazie alle loro dimensioni ridotte, più dispositivi MEMS possono essere integrati su un singolo chip, permettendo la creazione di sistemi complessi in un contenitore minuscolo.

La tecnologia MEMS non è semplicemente la miniaturizzazione di sistemi meccanici. Man mano che i dispositivi diventano più piccoli, nuovi fenomeni fisici diventano più significativi nel loro funzionamento. Forze come la tensione superficiale e l'attrazione di van der Waals diventano più importanti e possono essere sfruttate in modi innovativi, portando a funzionalità del tutto nuove rispetto ai sistemi macroscopici.

Il processo di produzione inizia con un wafer di silicio, che funge da substrato per il dispositivo. Su di esso vengono depositati strati di diversi materiali, che vengono modellati nelle forme desiderate mediante fotolitografia e quindi incisi per creare le strutture MEMS. I processi e i materiali specifici possono variare notevolmente a seconda del tipo di dispositivo MEMS in fase di realizzazione.

Questa produzione utilizza una tecnologia di micro-fabbricazione simile alla lavorazione in batch per i circuiti integrati, il che consente ai dispositivi MEMS di svolgere molti degli stessi compiti dei dispositivi macroscopici ma con significativi vantaggi come la miniaturizzazione, la riduzione dei costi e la facilità di integrazione.

Un ingranaggio e una catena MEMS

Applicazioni

I MEMS hanno spalancato le porte a un'ampia gamma di applicazioni innovative in vari settori:

Elettronica di Consumo: Dispositivi come smartphone, tablet e wearabili fanno molto affidamento sulla tecnologia MEMS per potenziare le loro funzionalità. Accelerometri e giroscopi basati su MEMS tracciano movimento e orientamento, abilitando funzioni come il conteggio dei passi, il monitoraggio del sonno e il rilevamento degli allenamenti. I sensori di pressione MEMS possono anche stimare l'altitudine.

Industria Automobilistica: La tecnologia MEMS è utilizzata in una varietà di funzioni di sicurezza e comfort. Gli accelerometri MEMS rilevano una decelerazione rapida in caso di incidente, innescando il dispiegamento degli airbag. I sensori di pressione MEMS sono usati nei sistemi di monitoraggio della pressione dei pneumatici. I dispositivi MEMS trovano impiego anche nei sistemi di stabilità del veicolo, nella navigazione e nelle funzioni di comfort dell'abitacolo.

Tecnologia Medica: Nel campo medico, questi dispositivi hanno il potenziale di rivoluzionare l'assistenza sanitaria. I sensori di pressione MEMS sono utilizzati in vari dispositivi medici, inclusi ventilatori e inalatori. I MEMS sono anche impiegati nell'imaging medico, nei dispositivi "lab-on-a-chip" e nei sistemi impiantabili per la somministrazione di farmaci. Le piccole dimensioni e il basso consumo energetico li rendono ideali per molte applicazioni mediche.

Esempi

Uno degli esempi più tangibili della tecnologia MEMS nella vita quotidiana è la sua applicazione negli smartwatch per il fitness. Questi dispositivi si affidano pesantemente alla tecnologia MEMS per fornire le loro funzionalità core. Al loro cuore ci sono sensori MEMS come accelerometri e giroscopi. Al cuore di un accelerometro MEMS c'è una piccola massa mobile sospesa all'interno del dispositivo. Quando il dispositivo subisce una forza di accelerazione, la massa si sposta dalla sua posizione normale. Questo movimento viene rilevato da sensori capacitivi che misurano il cambiamento nella capacità elettrica, trasformando così il movimento fisico in un segnale elettrico.

Gli accelerometri MEMS possono essere progettati per misurare l'accelerazione lungo uno, due o tre assi, fornendo un'immagine completa del movimento di un oggetto nello spazio tridimensionale. Alcuni orologi incorporano persino barometri MEMS per misurare l'altitudine, utile per tracciare i dislivelli durante escursioni o arrampicate.

In definitiva, l'integrazione di componenti meccanici ed elettronici su scala microscopica ha portato a un cambio di paradigma nel mondo della tecnologia. Dal potenziamento delle funzionalità dei dispositivi quotidiani, all'alimentazione di sistemi avanzati nei settori automobilistico e sanitario, i MEMS stanno trasformando il nostro modo di interagire con la tecnologia.

Un micromotore azionato elettrostaticamente