MOEMS: tra micro ottica e micro meccanica

Anche i sistemi ottici si riducono in dimensioni e crescono in capacità, grazie ai MOEMS che combinano l'elettronica con componenti meccanici e ottici. Esistono esempi che includono dispositivi di proiezione della luce digitale e minispettrometri, applicazioni basate su sistemi di proiezione o stampanti 3D e sono utilizzati in ambiti che vanno dalla biomedicina alla space economy. Grazie alla continua ricerca scientifica, agli investimenti pubblici e privati, si guarda a nuovi sistemi e soluzioni in grado di superare i limiti come per i MEMS, e migliorare integrazioni e costi.

INTRODUZIONE

La tecnologia MEMS (Micro Electro-Mechanical Systems) ha aperto a tante opportunità applicative grazie alla possibilità di integrare in scala microscopica la meccanica. Un ulteriore passo avanti è stato fatto combinando la tecnologia MEMS con la micro-ottica. Questo ha permesso di poter definire nuove applicazioni nel campo della optoelettronica miniaturizzata. Stiamo parlando di MOEMS (Micro Optical Electromechanical Systems), una classe di microsistemi che combinano le funzioni dei componenti ottici, meccanici ed elettronici insieme. Allo stesso tempo, i MOEMS sono definiti anche MEMS ottici proprio perché possono essere considerati estensione di questi ultimi. Hanno le stesse caratteristiche e funzionalità ma permettono di rilevare e manipolare i segnali ottici con l'uso di sistemi meccanici, ottici ed elettrici integrati. Come i MEMS integrano sensori e attuatori e hanno natura interdisciplinare oltre a evidenti vantaggi in termini di dimensione fisica, volume e naturalmente peso. Questi dispositivi possono variare di dimensioni da diversi micrometri a diversi millimetri e nanometri e sono oggetto di ricerca continua e fonte di sviluppo a livello commerciale, merito delle potenzialità e possibilità di essere impiegati in molti modi ed ambiti diversi. Sono ampiamente utilizzati nella navigazione inerziale, negli accelerometri, nell'applicazione di giroscopi e in ambito industriale, biomedico ma anche nella difesa e in ambito spaziale. Tra le altre caratteristiche che li rendono così duttili, oltre naturalmente alle dimensioni miniaturizzate, ci sono la leggerezza e l'insensibilità alle interferenze elettromagnetiche.

Differenze con i sistemi MOMS

I Micro Optical Electromechanical Systems non devono essere confusi con i sistemi micro-opto-meccanici ovvero con i MOMS. Una confusione che va oltre la semplice terminologia. Questi ultimi, infatti, si riferiscono a microsistemi che non includono funzioni elettroniche, mentre, come abbiamo detto, il concetto di base dei MOEMS è la miniaturizzazione della combinazione di ottica, meccanica e delle funzioni elettroniche ad esse integrate. Infatti, i MEMS hanno il merito di aver miniaturizzato i sistemi di sensori e attuatori a un livello precedentemente sconosciuto e il diffondersi dei MOEMS ha portato a combinare movimento e aree otticamente attive per ottenere funzioni ottiche molto più estese, come la deflessione della luce. Anche i MEMS a loro volta si sono visti affiancare (e superare) da nuovi dispositivi, i NEMS (Nano Electro-Mechanical Systems) in grado di captare segnali ottici, meccanici, chimici e biologici. L'ambito della nanotecnologia rappresenta una ulteriore sfida per la ricerca scientifica con l'obiettivo anche in questo caso, di ottenere nuovi dispositivi sempre più riproducibili su larga scala. Oggi, l'integrazione tra sistemi NEMS e MEMS per ottenere sistemi ibridi e affidabili rappresenta ancora un elemento di sfida e ricerca continua.

Oltre i MEMS

I MEMS non sono una novità. La loro comparsa (intorno agli anni '90) sul mercato di consumo è legata ad un primo accelerometro destinato agli airbag del settore automotive. Ancora oggi questi sensori sono normalmente utilizzati sia per gli airbag che come sensori di pressione per pneumatici. Mentre l'importanza dei MEMS ottici è cresciuta di pari passo diventando più evidente negli ultimi tempi sia a livello strategico che di guadagni, proprio perché consentono di manipolare la luce in modalità ottica e aprono a molti utilizzi. Negli anni sono stati avviati progetti che hanno visto diversi colossi dell'industria investire o partecipare attivamente (ad esempio, il progetto iniziato nel 2014, portato avanti da LAB4MEMS e lanciato dalla Joint Undertaking Eniac, European Nanoelectronics Initiative Advisory Council, in una partnership pubblico-privata per la nanoelettronica). Bisogna, infatti, considerare che soprattutto la realizzazione MEMS/MOEMS richiede delle competenze specialistiche e di precisione che superano quelle dei soli produttori di semiconduttori o di fibre ottiche. Di conseguenza, le future applicazioni sono difficili da prevedere (anche per i tempi di diffusione) poiché i prototipi stessi presentano ancora forti criticità in particolare nella fabbricazione su larga scala.

I MOEMS o MEMS ottici

Oggi le dimensioni dei dispositivi elettronici possono variare da millimetri, micrometri a nanometri, mentre le dimensioni degli elementi meccanici variano da quattro a cinque volte i dispositivi elettronici. Ciò comporta una sofisticata tecnologia di fabbricazione anche per i MOEMS. Per fabbricare un sensore MEMS ottico, si utilizza un processo di microlavorazione come per i sistemi dell'industria micro-elettronica. In particolare, possono essere utilizzate la litografia a raggi X profonda e la micro-lavorazione di superficie. In generale, la micro-fabbricazione presenta molte sfide e può avvenire in più modi. Nel nostro caso, possiamo definire alcune fasi: un test di funzionalità delle strutture ottiche ed elettroniche è la prima fase della fabbricazione del dispositivo MOEMS a cui può seguire come fase di avanzamento lo sviluppo e l'analisi dell'elemento meccanico ed infine, una terza fase che prevede la deposizione del materiale e l'incisione.

Il processo di progettazione ottica prevede anche la scelta della geometria più adatta. La progettazione elettromeccanica, invece, va a coinvolgere vari fattori meccanici come la rigidità, i parametri del materiale e gli aspetti relativi ad elettrostatica e di tipo termico soprattutto se si pensa a un ambito di applicazione molto delicato come quello medico. Il design del dispositivo MOEMS dipende da diversi fattori che devono essere considerati già nella fase di progettazione: aspetti meccanici, elettrici, termici, ecologici, biologici, ottici e chimici in base anche alle diverse applicazioni. Sia la forma che la dimensione hanno un ruolo molto importante per il corretto funzionamento del dispositivo ottico. La distribuzione delle sollecitazioni dovuta a diversi aspetti geometrici e all'ottimizzazione, ad esempio, è un fattore che influenza notevolmente la progettazione del MOEMS. Tra i materiali di molti modelli ci sono il silicio, biossido di silicio o nitruro di silicio oppure arseniuro di gallio, semiconduttore composto dall'insieme dei due elementi. La resistenza all'usura o alle abrasioni, rigidità, durezza del materiale utilizzato durante la progettazione, sono parametri altrettanto importanti. Nella progettazione ottica le variazioni dell'indice di rifrazione influiscono direttamente sulle prestazioni della struttura del MEMS.

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