MEMS – Micro Electro Mechanical Systems

MEMS Technology

La tecnologia MEMS (acronimo di Micro Electro Mechanical Systems) consente di integrare sullo stesso substrato di silicio sia circuiti elettronici che dispositivi opto-meccanici, impiegando delle tecnologie di fabbricazione simili a quelle utilizzate per la realizzazione dei circuiti integrati.

Le dimensioni di un dispositivo MEMS sono in genere variabili tra pochi micrometri ed un millimetro, mentre i singoli componenti di cui è composto variano tra 1 e 100 micrometri. MEMS è una tecnologia innovativa e promettente che, unendo i principi della tecnologia elettronica basata sul silicio con il micromachining, consente di realizzare dispositivi “intelligenti” ad elevata integrazione su uno stesso chip. All’interno di ogni dispositivo MEMS (accelerometro – per esempio) possiamo pensare che esistano un “cervello” (in pratica un circuito integrato) ed un insieme di “braccia” ed “occhi” attraverso i quali esso è in grado di monitorare e controllare l’ambiente esterno. Alcuni micro sensori (gli “occhi”) acquisiscono informazioni dall’ambiente esterno misurando grandezze fisiche quali posizione, movimento, temperatura, pressione, campo magnetico, e varie altre forme di fenomeni ottici e chimici. Tutte queste informazioni possono poi essere processate dal “cervello”, il quale agisce sull’ambiente circostante per mezzo delle “braccia”, fondamentalmente dei micro attuatori. In Figura 1 è mostrato un dispositivo MEMS ad ingranaggi multipli con in primo piano una catena di trasmissione. La barra bianca in alto a sinistra (lunga 500 micrometri) dà un’idea delle dimensioni reali dell’oggetto.

Questo tipo di tecnologia sta letteralmente cambiando il modo con cui vari tipi di prodotto vengono costruiti. Alcune categorie di dispositivi sono già state interessate da questo tipo di innovazione, come ad esempio gli accelerometri, i giroscopi, ed i sensori di pressione. La tecnologia MEMS sta progressivamente sostituendo i prodotti realizzati con le tecnologie tradizionali grazie ai suoi notevoli vantaggi: minor assorbimento di energia, minor peso e dimensioni ridottissime, migliori prestazioni, minor costo e maggiori affidabilità e prestazioni. Un ulteriore elemento che sta focalizzando l’interesse crescente verso il mondo MEMS è dovuto alla sua possibile integrazione con il settore delle nanotecnologie, un mondo che sta vivendo un incredibile espansione negli ultimi anni grazie anche a notevoli investimenti di tipo governativo.

Metodi di fabbricazione dei dispositivi MEMS

Come già detto precedentemente, la maggior parte dei metodi di fabbricazione dei MEMS sono derivati dalle tecnologie standard per la realizzazione dei circuiti integrati. Le tecniche più comunemente impiegate sono le seguenti: bulk micromachining, surface micromachining, e LIGA (acronimo di Roentgen LItography GAlvanic Abformung). Nella tecnica di bulk micromachining, una struttura micromeccanica in 3D viene realizzata direttamente sul wafer di silicio mediante la rimozione selettiva di porzioni di substrato.
La tecnica di surface micromachining è invece basata sulla deposizione di alcuni layer sul substrato, e sulla successiva definizione della struttura micromeccanica mediante l’utilizzo di tecniche fotolitografiche. La tecnica LIGA, infine, si articola sulle seguenti tre fasi: litografia, deposizione, e molding. Il suo vantaggio è quello di permettere l’utilizzo di materiali diversi dal silicio quali ad esempio i polimeri ed i metalli, e di ottenere strutture con un elevato fattore di forma.

MEMS: Processi di fabbricazione

La fabbricazione dei MEMS si articola su tre distinti processi: deposizione, etching, e litografia. La deposizione consiste nella capacità di deporre sottili pellicole di materiale sul substrato (le dimensioni variano tra pochi nanometri e 100 micrometri); la deposizione può essere ottenuta tramite reazioni chimiche (deposizione chimica di vapori, elettrodeposizione, epitassia, ossidazione termica) o per mezzo di reazioni fisiche (deposizione fisica di vapori e casting). L’etching è invece un processo con il quale porzioni prescelte della pellicola oppure del substrato stesso vengono rimosse allo scopo di ottenere la struttura MEMS desiderata. Esistono due tipi di etching: wet etching e dry etching. Con il primo il materiale viene dissolto immergendolo in una soluzione chimica, mentre con il secondo viene dissolto tramite l’impiego di ioni reattivi o di vapore. Un tipo particolare di dry etching prende il nome di DRIE (acronimo di Deep Reactive Ion Etching) e sta aumentando rapidamente la sua popolarità. Esso fu sviluppato negli anni ’90 in Germania presso la Bosch (per questo motivo viene semplicemente denominato “processo Bosch”) ed è basato sull’alternanza di due diversi tipi di gas nel reattore. Questo processo è in grado di ottenere agevolmente un fattore di forma di 50 a 1, anche se implica dei costi maggiori rispetto al processo di wet etching. La litografia, infine, è il principale tipo di processo adottato per la definizione dei pattern nella micromachining. Se applicato ai MEMS consiste nell’esposizione selettiva ad una sorgente di radiazione (tipicamente la luce ad una certa lunghezza d’onda) di un materiale fotosensibile depositato sul substrato. I confini delle regioni da esporre vengono definiti applicando un’opportuno mascheramento al substrato prima dell’esposizione. Un tipico materiale fotosensibile adottato è il comune photoresist.

MEMS: Applicazioni

I dispositivi MEMS attualmente prodotti o in avanzato stato di sviluppo possono essere suddivisi nelle seguenti categorie:

    sensori ed attuatori
    MEMS per impieghi in radio frequenza
    MEMS ottici
    bio-MEMS

Sensori ed attuatori
I più comuni tipi di sensori MEMS sono:

    sensori di pressione
    accelerometri e giroscopi
    sensori di velocità
    sensori di peso/forza

I sensori di pressione MEMS furono introdotti sul mercato già negli anni ’60 per applicazioni nel settore militare ed aerospaziale. Oggi svolgono un ruolo importante soprattutto nel settore automotive e biomedicale (sensori per la misura della pressione sanguigna). Gli accelerometri ed i giroscopi sono soprattutto impiegati nei sistemi airbag per autovetture, con milioni di unità prodotte negli ultimi anni, ma ultimamente trovano impiego anche nel settore delle consolle per videogiochi. I sensori di velocità furono introdotti negli anni ’90 e trovano impiego sia nel settore automotive (sistemi di controllo della stabilità, sensori di pressione dei pneumatici, ricevitori GPS) che nei prodotti elettronici di largo consumo (controllo della stabilità nelle macchine fotografiche, ricevitori GPS per telefoni cellulari). I sensori di peso e forza sono adottati per la costruzione di bilance per uso domestico.
Gli attuatori servono per generare il movimento o la forza in grado di muovere altri componenti MEMS. Possono essere suddivisi in attuatori di tipo elettrostatico e di tipo termico. Nei primi, un campo elettrico viene applicato tra una struttura fissa ed una mobile, solitamente interlacciate in modo tale da creare una figura a “pettine”. In Figura 2 è visibile un attuatore a pinza di tipo elettro-termico.

MEMS Micro Electro Mechanical Systems

MEMS RF

I MEMS RF vengono impiegati principalmente nei telefoni cellulari, nei telefoni cordless, e nei ricevitori GPS. Essi presentano delle rimarchevoli proprietà in termini di: dimensioni estremamente ridotte, ampia larghezza di banda, basso costo e un elevatissimo rapporto segnale/rumore, fondamentale in tutte le applicazioni in radio frequenza. Questo tipo di MEMS si sta diffondendo rapidamente e sta sostituendo le tradizionali soluzioni realizzate in tecnologia allo stato solido. In Figura 3 viene mostrato un induttore a spirale in rame, parte di un dispositivo di tipo MEMS RF.

MEMS Acelerometer

MEMS ottici

I MEMS ottici servono per guidare, amplificare od attenuare, e riflettere un segnale ottico di una certa lunghezza d’onda. Vengono utilizzati soprattutto nella realizzazione di switch ottici e moduli ottici per sistemi di trasmissione su fibra ottica. Nei comuni switch ottici e sistemi per la cross-connessione dei canali DWDM esiste la necessità di modificare e controllare il cammino ottico della luce: ciò viene ottenuto tramite l’impiego di micro specchi realizzati in tecnologia MEMS. Un micro specchio MEMS è visibile in Figura 4.

MEMS Technology

MEMS a micro fluido e bio

I MEMS a micro fluido sono dispositivi progettati per operare con i fluidi ad un livello microscopico. Tipiche applicazioni di questo tipo di MEMS sono: valvole, pompe, iniettori (grandi quantità di questo tipo di dispositivo sono impiegate per la realizzazione di stampanti a getto d’inchiostro).
I bio-MEMS sono simili ai MEMS a micro fluido, con la differenza che sono stati concepiti per lavorare con fluidi di natura biologica, tipicamente il sangue. I bio-MEMS trovano il principale impiego nei settori biomedicale e sanitario.

Link

http://www.mems.sandia.gov/

http://www.memsnet.org/

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Repost: 15 Gen 2009

One Response

  1. Stefano Saccucci 31 ottobre 2010

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