MEMS Demystified

Ingranaggi

Lo scorso luglio c'è stato il Better Embedded 2013; lo scopo è stato quello di far incontrare quanti più professionisti nel campo dell'elettronica e della progettazione possibile. L'occasione è stata ricca di tante iniziative ed anche noi eravamo lì ed abbiamo portato il nostro contributo per parlare dei Micro-Electro Mechanical System (altrimenti detti MEMS) e di progettazione ai tempi della globalizzazione. Ecco i nostri contributi.

Qualcuno se lo ricorderà, i nuovi utenti probabilmente non ne conosceranno l'esistenza, ma in qualunque categoria voi siate sappiate che è stata davvero un'esperienza importante. E anche noi di Elettronica Open Source eravamo lì. Negli spazi a noi dedicati io ed Emanuele, in rappresentanza della nostra amata comunità, abbiamo tenuto due speech dei quali questo aveva come argomento i MEMS e, come il titolo spiega, l'argomento, piuttosto complicato, è stato sviscerato quel tanto che è bastato per non farlo sembrare sempre così nebuloso, complicato ed ostico.

L'argomento trattato, ed in questione oggi, sono, dunque, i MEMS di cui noi abbiamo già discusso in altre occasioni. Quella di oggi sarà la parte introduttiva del mio intervento mentre la prossima servirà a presentarvi un caso pratico.
Come introduzione mi sa che basta e avanza per cui: buona lettura.

Che cosa sono i MEMS?

I MEMS, acronimo di Micro-Electro Mechanical Systems, sono dispositivi che uniscono principi di funzionamento che fanno riferimento ad ambiti fisici differenti ed il cui scopo è trasformare energia (di forma diversa) in energia elettrica. Ergo, potete avere a che fare con dispositivi che propongono in uscita grandezze elettriche come risultato dell'elaborazione di altre rilevate che sono, per esempio, meccaniche o acustiche.

Sono stati studiati e sviluppati per riuscire a fare a fare in modo che sistemi meccanici complessi, come sensori ed attuatori tradizionali, potessero trovare integrazione nello stesso package insieme con l'elettronica di condizionamento ed eventuali sistemi di elaborazione dei dati.

Sono dispositivi molto piccoli (come il nome suggerisce) e pertanto presentano caratteristiche molto interessanti relativamente alle dimensioni totali, al peso, alla potenza dissipata ed alla capacità di dissipare la temperatura, specifica che, ovviamente, dipende criticamente dal package e dalla tensione di alimentazione.
Ma sono anche molto veloci, estremamente precisi, specie se li si confronta con le loro controparti di più grandi dimensioni.
La tecnologia di fabbricazione soddisfa tutti i criteri di affidabilità, ripetibilità, flessibilità progettuale, elevata resa di produzione e basso costo e non soltanto per singola unità.

Geometrie piccole e controllo preciso delle dimensioni sono consentite dalle tecnologie di fabbricazione che per i MEMS vengono impiegate.

Sono possibili sia la produzione di massa sia la miniaturizzazione spinta in una scala di dimensioni che non sarebbe mai stata ottenuta con l'utilizzo di tecniche convenzionali.
La maggior parte dei dispositivi dimostra di avere dimensioni geometriche variabili da alcuni micron ad alcune centinaia di micron, tipicamente. Esse dipendono, ovviamente, anche dalla tecnica di fabbricazione utilizzata.

A che cosa servono? Questa è la domanda più bella a cui provare a dare una risposta: non esistono limiti alle possibilità di impiego dei MEMS!

Dall'elettronica consumer fino alle applicazione aerospaziali passando per il settore industriale, automobilistico, avionico (avete mai visto i droni, gli aerei senza pilota?), elettromedicale, sanitario più in generale, bio-ingegneristico, microfluidica applicata a ciascuno dei campi di cui abbiamo parlato e così via dicendo.
Senza contare che questi dispositivi possono essere largamente impiegati nel campo dell'ottica, in particolare in tutte le applicazioni tipiche: modulatori, commutatori, switch, induttori, risuonatori e qualunque altra struttura che vi sia mai venuta in mente se avete lavorato in questo campo.

Andiamo con ordine

E prima di addentrarci ulteriormente nello studio della materia e di questa o quest'altra soluzione, continuiamo a parlare in generale di questo tipo di dispositivi dando uno sguardo alle principali applicazioni:

  • Compensated compassing;
  • Map rotation;
  • Position detection;
  • Motion-activated functions;
  • Free-fall detection;
  • Smart power-saving;
  • Display orientation;
  • Dispositivi di Gaming e realtà virtuale;
  • Impact recognition and logging;
  • Vibration monitoring and compensation.

Come sono fatti?

Ed ora vediamo di capire come funzionano perché prima di capire quale dobbiamo impiegare e perché c'è da comprendere al meglio come fa a funzionare e quali sono i suoi principi base perché da quelli discende la migliore applicazione possibile e quindi le specifiche che verranno valutate successivamente.

Un generico sensore di accelerazione lineare che lavori insieme con un sensore magnetico digitale che siano stati realizzati grazie all'impiego di tecniche come micromachining sono un classico esempio.

In particolare, quando parliamo di micromachining ci stiamo riferendo a due possibilità: "bulk" oppure ""surface".
Nel primo caso stiamo parlando della "versione" più vecchia della tecnica, che, come in questo caso, molto spesso è sinonimo di "più matura".
Si tratta, in verità, di quella più utilizzata nella fabbricazione di questo tipo di dispositivi proprio perché è quella sulla quale si è potuto studiare e lavorare di più, verificare maggiormente che tutte le grandezze potessero effettivamente essere controllate e così via dicendo.
Insomma, si tratta della tecnologia più matura sotto tutti i punti di vista.
Il concetto sottinteso da questa tecnica è quello di lavorare realizzando una rimozione selettiva del substrato (realizzato con diversi materiali, come vedremo più avanti) per poter successivamente creare i componenti.
Essi saranno costituiti di parti mobili e/o sospese come travi, lamine, lenti, membrane e così via dicendo.
L'elenco potrebbe essere lunghissimo ma questi sono degli esempi abbastanza significativi.

Quando si lavora sul silicio con tecniche di bulk micromachining si utilizzano passi tecnologici di etching, ovvero di rimozione selettiva di materiali, tramite sostanze attive agenti in maniera altamente specificata.
Anche questa tecnica si può applicare in diverse maniere e sarebbe molto difficile spiegarle brevemente. Vi basti sapere, però, che esiste il modo di eliminare porzioni altamente specificate di materiale non più utile.
Grazie a questo si possono realizzare scavi, sezioni, erosioni controllate e così via dicendo.

L'altra possibilità è quella del surface micromachining; se si sceglie questo approccio la tecnica permette di lavorare in maniera relativamente più semplice dal momento che bisogna scegliere una coppia di materiali, uno dei quali svolgerà la funzione di "materiale sacrificale" mentre l'altro quella di "materiale strutturale". In pratica si punta a sovrapporre continuativamente, ed in maniera sequenziale, strati alternati di questi due materiali da rimuovere all'occorrenza. In particolare, si sceglierà di realizzare una struttura in cui il materiale sacrificale viene sistematicamente eliminato dopo che lo strato di materiale strutturale viene depositato su di esso. In questo modo si possono realizzare strutture sospese, come le travi che abbiamo nominato in precedenza, e grazie alle quali diventerà "semplice" realizzare parti mobili.
Questo non era assolutamente possibile prima dell'avvento di queste metodologie.

Tecnologicamente parlando, tra le altre possibilità ci sono: wafer bonding, anodizzazione, micromolding.

Esistono, poi, tutta una serie di tecniche relative alla realizzazione di circuiti sempre definiti su scala micrometrica ma non in silicio. Questo perché, se da un lato è vero che la tecnologia del silicio è straordinariamente matura e possiamo affermare, con ragionevole certezza, che del silicio conosciamo ogni suo aspetto, dall'altro è anche vero che il silicio non è una risorsa inesauribile e le sue caratteristiche lo rendono comunque non del tutto idoneo ad ogni genere di applicazione (si pensi al rendimento percentuale delle celle fotovoltaiche o alle applicazioni ottiche).
Pertanto potrebbe essere molto utile sintetizzare (salvo scoprirne di nuovi) materiali che vengano prodotti ad hoc, solo nel momento del bisogno, nella quantità specificata, magari anche compatibili con uno smaltimento non dannoso per l'ambiente e quindi, di fatto, inventare nuovi materiali che non esistevano prima.
Questi sono tipicamente polimeri e pertanto esistono intere catene di montaggio strutturate per realizzare stampaggi piuttosto che litografie su questi materiali.

Le caratteristiche dei dispositivi, ovvero le loro peculiarità, così come il processo di fabbricazione, ma anche i materiali, comportano il fatto che il prodotto finito possa essere più o meno utile in un determinato campo d'applicazione. Insomma, ovviamente, dalla singola specifica e dal complesso delle specifiche, viene fuori il miglior campo di applicazione per il dispositivo sotto esame. O meglio, quando cercate, per esempio, un accelerometro dovete partire da che cosa volete fare, desumere quali sono le specifiche che deve avere e poi cercare la migliore soluzione.

I materiali

Abbiamo parlato di tecnologia, prima, e abbiamo detto molto chiaramente che la scelta dei materiali è cruciale. Vediamo allora di che cosa stiamo parlando, che cosa scegliamo e perché.
A seconda dell'applicazione utilizzeremo diversi tipi di materiali. In particolare, una scelta molto interessante sono i polimeri perché sono molto semplici da realizzare, possono essere modificati all'occorrenza senza che questo significhi che l'intero processo di fabbricazione debba essere stravolto, possono essere ingegnerizzati al punto da non doversi accontentare di soluzioni di compromesso sulle loro prestazioni ma dimostrare esattamente solo le caratteristiche che vogliamo e possono anche essere prodotti in grandi quantità senza che i costi di produzione siano eccessivi.
Qui c'è ancora molto da dire, si tratta di un capitolo infinito. C'è addirittura un'intera branca della scienza che prende il nome di "ingegneria dei materiali". Dal momento che le informazioni sarebbero troppe per poter essere anche sono sintetizzate qui, ne riportiamo alcune, le più rinomate.

Materiali per realizzare il substrato:

  • silicio;
  • vetro;
  • GaAs;
  • polimeri;
  • resine.

Materiali utilizzati per lo stampaggio plastico: PDMS (polidimetilsilossano).
Materiali utilizzati come maschere:

  • SiO2;
  • Si3N4;
  • Au;
  • Cr.

Materiali utilizzati come regioni di contatto:

  • Au;
  • W;
  • Al;
  • Pt;
  • come strato intermedio, leghe eutettiche di Si (2,85%) e Au (97,15%) - @ 363 °C.

Materiali utilizzati per la rimozione selettiva: composti chimici specializzati e reattivi, come KOH, EDP e TMAH.

Siamo ai saluti, per ora

Siamo in chiusura di questa puntata. Scopo di questo articolo, e della coppia più in generale, è quello di illustrare la prima parte di questo intervento, quella in cui sono stati affrontati gli aspetti tecnologici ed è stata proposta una soluzione che incontra diverse caratteristiche funzionali che possono dimostrarsi valide anche in applicazioni molto diverse tra loro. Gli aspetti tecnologici connessi con il progetto e la fabbricazione ma anche con il funzionamento dei MEMS non sono certamente stati esauriti nè trattati con la profondità ed il livello di dettaglio che meritano. Tuttavia, queste immagini, queste nozioni, rappresentano la base per comprendere al meglio quello di cui stiamo parlando. La seconda parte, che pubblicheremo tra non molto, avrà lo scopo di diventare più pratica e per far questo verrà  mostrata un'applicazione, l'utilizzo pratico di un dispositivo che rientra nella categoria dei MEMS. Alla prossima.

 

L'immagine principale dell'articolo è tratta da http://www.memx.com

 

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9 Comments

  1. Giorgio B. Giorgio B. 16 ottobre 2013
  2. Piero Boccadoro Piero Boccadoro 20 ottobre 2013
  3. Piero Boccadoro Piero Boccadoro 20 ottobre 2013
  4. Piero Boccadoro Piero Boccadoro 20 ottobre 2013
  5. giorgio.gorine 26 ottobre 2013
  6. Emanuele Emanuele 26 ottobre 2013
  7. Piero Boccadoro Piero Boccadoro 27 ottobre 2013
  8. Mr Wolf 31 ottobre 2013
  9. Emanuele Emanuele 1 novembre 2013

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