La tecnologia MEMS

I MEMS sono dispositivi che integrano elementi meccanici in un substrato di silicio dalle tipiche dimensioni di 1 – 10 μm, combinando la capacità computazionale della microelettronica con quella di controllo dei micro-sensori e micro-attuatori per il design di prodotti intelligenti. La tecnologia MEMS comprende accelerometri, giroscopi, dispositivi piezoelettrici e microfoni, solo per citarne alcuni. Un mercato in forte crescita rappresentando, di fatto, una grande rivoluzione nel settore delle telecomunicazioni, automotive, consumer, IT, industriale e medicale. I vantaggi più significativi sono le dimensioni compatte, consumi ridotti, bassi costi e una maggiore affidabilità. La forte crescita nell'uso dei MEMS ha anche portato allo sviluppo di tool per il design hardware e software al fine di aiutare gli ingegneri nella loro progettazione.

La tecnologia MEMS (Micro-Electro-Mechanical System) utilizza tecniche di microfabbricazione per ottenere una soluzione innovativa al fine di combinare le capacità della microelettronica con quelle meccaniche dei micro-sensori. Negli ultimi anni ha visto una forte crescita con numerose aziende che producono dispositivi e tool di sviluppo MEMS impiegati nei più svariati campi dell’industria.  MEMS è indicato anche con l’acronimo MST (MicroSystems Tecnology, in Europa) e MM (Micro Machines, in Giappone). Il connubio tra MEMS e ottica è chiamato MOEMS, Micro Opto Electro Mechanical Systems. I tipi di dispositivi MEMS possono variare da strutture relativamente semplici a soluzioni estremamente complesse con più elementi sensori sotto il controllo della microelettronica integrata. I vantaggi della microscala risiedono soprattutto in una bassa dispersione e basso consumo di energia, oltre ad un effettivo tempo di risposta molto veloce rispetto alle soluzioni di macroscala.  La natura interdisciplinare dei MEMS comprende la progettazione, l'ingegnerizzazione e la produzione da una vasta e diversificata gamma di aree tecniche, tra cui la tecnologia di fabbricazione IC, l’ingegneria meccanica, la scienza dei materiali, l’ingegneria elettrica, la chimica, così come l'ingegneria dei fluidi, ottiche, strumentazione e il packaging.  La complessità della tecnologia MEMS si manifesta in una vasta gamma di mercati e applicazioni che incorporano tali dispositivi.  Il mercato globale ha rappresentato un valore stimabile in circa 20 miliardi di dollari nei due anni trascorsi. Secondo gli analisti, il mercato dovrebbe raggiungere circa 21,9 miliardi di dollari entro il 2020, con un tasso di crescita annuo composto (CAGR) del 11,5% tra il 2015 e il 2020. Il più grande segmento in forte crescita è quello dei microfluidic, che dovrebbe raggiungere circa 9 miliardi di dollari entro il 2020 con un CAGR del 11 %. Gli accelerometri dovrebbero rappresentare, invece, un patrimonio di circa 3.2 miliardi di dollari entro il 2020, registrando un CAGR del 11,1% a pari merito con il segmento dei microfluidic.

Una forte crescita per i MEMS è prevista per le telecomunicazioni e le industrie mediche di utilizzo finale.

Il futuro dei MEMS offre molte possibilità applicative in ambito commerciale, compresi i vari sensori concepiti per essere utilizzati nell’Internet of Things (IoT); il futuro dei MEMS comprende anche i dispositivi di monitoraggio ambientale, applicazioni di medicina personalizzata con i prodotti wearable e le varie soluzioni in ambito robotico e dronotico.  I progressi tecnologici hanno rivoluzionato anche il settore sanitario, fornendo diverse soluzioni MEMS per misurare, diagnosticare e trattare varie condizioni mediche. I MEMS nel mercato delle applicazioni mediche dovrebbero crescere ad un CAGR del 20 % nei prossimi 3 anni. Inoltre, l’aumento della domanda di automazione di laboratorio dovrebbe innescare un’ulteriore crescita di questa tecnologia. La compatibilità intrinseca dei dispositivi MEMS con l’elettronica CMOS semplifica i cicli di progettazione e accelera il time-to-market. Tipicamente dimostrano un consumo di energia efficiente per una data funzione rispetto ad altre soluzioni macro-based.  Nel corso degli ultimi decenni i ricercatori e gli sviluppatori hanno dimostrato un numero estremamente elevato di microsensori per quasi ogni possibile modalità di rilevamento tra cui la temperatura, la pressione, campi magnetici, radiazioni. Ancora più interessante è non solo l’unione con la microelettronica, ma anche con altre tecnologie come la fotonica, le nanotecnologie, ecc. Questa è denominata "integrazione eterogenea" con numerose opportunità nel mercato commerciale. Questa visione di MEMS per cui microsensori, microattuatori, microelettronica e altre tecnologie possono essere integrate in un singolo microchip, rappresenta una delle più importanti innovazioni tecnologiche. Ciò permetterà lo sviluppo di prodotti intelligenti aumentando la capacità computazionale della microelettronica con quelle di percezione e di controllo dei microsensori e microattuatori.

Nel mercato dei MEMS si stanno affacciando anche nuovi dispositivi denominati NEMS (Nano Electro Mechanical Systems) aventi dimensioni nanometriche.

Una tipica applicazione dei NEMS è nel campo dei microscopi a forza atomica, dove grazie alla loro sensibilità si riescono ad ottenere sensori molto piccoli per rilevare sollecitazioni e vibrazioni a livello atomico. La tecnologia ibrida dei sistemi MEMS/NEMS rappresenterà il futuro per molti sistemi al fine di ottenere funzionalità elevate di sensing, il tutto in accordo ai relativi mercati che crescono a ritmi esponenziali. Le principali sfide dei NEMS risiedono nell’interconnessione tra la struttura interna e quella esterna in macroscala, nel controllo dei meccanismi e nello sviluppo di materiali per la relativa fabbricazione. Quest’ultima è suddivisa in due principali approcci: bottom-up e top-down. Secondo un nuovo rapporto di ricerca di mercato “Nanoelectromechanical Systems (NEMS) Market (2012 - 2022) by Applications (STM/AFM, Medical, Gas/Flow Sensor, RF), Products (Switches, Cantilevers), Components (Nanotubes, Nanowires, Nanofilms), Materials (Graphene, ZnO, SiC, GaN, SiO2)”, pubblicato da "Markets and Markets", il mercato totale dei NEMS dovrebbe raggiungere 108,88 milioni di dollari entro il 2022, ad un CAGR del 29.69% nel periodo 2012-2022. La tecnologia MEMS ha raggiunto ottimi livelli di integrazione, tali da soddisfare i più alti requisiti in molti sistemi embedded. La tecnologia system-on-chip ha permesso l’integrazione di molte funzioni di sensori quali l’harvesting e il sensing infrarosso, oltre ad una circuiteria di conversione analogico/digitale e condizionamento del segnale per l’interfacciamento ad un sistema digitale.

 

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3 Commenti

  1. Alessandro Morgia Alessandro Morgia 12 settembre 2016
    • Maurizio Di Paolo Emilio Maurizio 13 settembre 2016
  2. Alessandro Morgia Alessandro Morgia 12 settembre 2016

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