Este artículo explora las características básicas y las aplicaciones comunes de una tecnología que se ha incorporado a una amplia variedad de dispositivos electrónicos de alto rendimiento.
Siempre aprecio un nombre que sea realmente informativo y, en este sentido, el término «sistemas microelectromecánicos» (MEMS) no decepciona: es tanto una definición concisa como un nombre.
Entonces, ¿qué significa MEMS?
MEMS se refiere a la tecnología que permite miniaturizar las estructuras mecánicas e integrarlas a fondo con los circuitos eléctricos, lo que da lugar a un único dispositivo físico que en realidad es más bien un sistema, donde «sistema» indica que los componentes mecánicos y los eléctricos trabajan juntos para implementar la funcionalidad deseada. Por lo tanto, se trata de un micro (es decir, muy pequeño) sistema eléctrico y mecánico.
De mecánico a eléctrico a (micro)mecánico
Los componentes y sistemas mecánicos se consideran generalmente menos avanzados tecnológicamente que las soluciones comparables basadas principalmente en fenómenos eléctricos, pero esto no significa que el enfoque mecánico sea universalmente inferior. El relé mecánico, por ejemplo, es mucho más antiguo que los dispositivos basados en transistores que proporcionan una funcionalidad similar, pero los relés mecánicos siguen siendo ampliamente utilizados.
No obstante, los dispositivos mecánicos típicos siempre tendrán la desventaja de ser irremediablemente voluminosos en comparación con los componentes electrónicos que se encuentran en los circuitos integrados. Las limitaciones de espacio de una determinada aplicación pueden hacer que se favorezcan o se requieran componentes eléctricos, incluso cuando una implementación mecánica habría dado lugar a un diseño más sencillo o de mayor rendimiento.
La tecnología MEMS representa una solución conceptualmente sencilla a este dilema: si modificamos los dispositivos mecánicos de manera que no sólo sean muy pequeños, sino también totalmente compatibles con los procesos de fabricación de circuitos integrados, podemos, hasta cierto punto, tener «lo mejor de ambos mundos».»
Este es un engranaje y una cadena físicos. Esta maquinaria se mueve y funciona como se esperaría que un engranaje y una cadena se movieran y funcionaran. Sin embargo, los eslabones de la cadena miden unos 50 µm, es decir, menos del diámetro de un cabello humano. Imagen por cortesía de Sandia National Laboratories.
¿Qué hace un MEMS?
En la sección anterior, afirmé que la tecnología MEMS es una solución conceptualmente sencilla. Como es de esperar, concebir la idea de un dispositivo mecánico microscópico es mucho más fácil que construirlo realmente.
Utilizamos el verbo «maquinar» para describir el trabajo de convertir una pieza de metal en un componente mecánico como un engranaje o una polea. En el mundo de los MEMS, el término equivalente es «micromecanizar». Las diminutas estructuras mecánicas de un dispositivo MEMS se fabrican modificando físicamente el silicio (u otro material de sustrato) mediante técnicas especializadas de las que no sé casi nada. A continuación, estas estructuras mecánicas de silicio se combinan con circuitos integrados de silicio, y el sistema electromecánico resultante se encierra en un embalaje y se vende como un único dispositivo.
Según se explica en un artículo sobre MEMS publicado por la Universidad de Loughborough (Inglaterra), los dispositivos MEMS hacen uso de estructuras micromecanizadas, sensores y actuadores. Los sensores permiten a un MEMS detectar cambios térmicos, mecánicos, magnéticos, electromagnéticos o químicos que pueden ser convertidos por los circuitos electrónicos en datos utilizables, y los actuadores crean cambios físicos en lugar de simplemente medirlos.
Ejemplos de dispositivos MEMS
Veamos un ejemplo de la funcionalidad y la estructura interna de un dispositivo MEMS.
Las vigas de conmutación en voladizo micromecanizadas. Imagen por cortesía de Analog Devices.
Este gráfico transmite la estructura física de las vigas de conmutación en voladizo micromecanizadas. Hay cuatro vigas de conmutación y cada una tiene cinco contactos (el uso de múltiples contactos es una técnica para reducir la resistencia de estado activado). Los haces de conmutación se accionan mediante una tensión aplicada.
Imagen cortesía de Analog Devices.
Aquí vemos el interruptor MEMS (a la derecha) y el circuito controlador asociado (a la izquierda), interconectados y alojados en un paquete QFN. El circuito controlador permite que un dispositivo digital típico, como un microcontrolador, controle eficazmente el interruptor, ya que hace todo lo necesario para generar una señal de actuación de alto voltaje en rampa que promueve un funcionamiento eficaz y fiable del interruptor.
Aplicaciones de los MEMS: ¿Cuándo se utilizan los dispositivos MEMS?
La tecnología MEMS puede incorporarse a una amplia variedad de componentes electrónicos. Es de suponer que las empresas que fabrican estos componentes afirmen que una implementación de MEMS es superior a la que se utilizaba antes de que la versión de MEMS estuviera disponible. Sería difícil verificar un número suficiente de estas afirmaciones para justificar una declaración generalizada en la línea de «los dispositivos MEMS ofrecen un rendimiento significativamente mejor que los dispositivos no MEMS». Sin embargo, mi impresión general es que, en muchas situaciones, los MEMS son realmente un paso adelante significativo y, si el rendimiento o la facilidad de implementación son una prioridad en su diseño, yo miraría primero los dispositivos MEMS.
En el contexto de la ingeniería eléctrica, la tecnología MEMS se ha incorporado a cuatro categorías de productos:
- Audio
- Sensores
- Interruptores
- Osciladores
Puede que haya algunos productos menos comunes que no encajen en una de estas categorías; si conoces algo que haya pasado por alto, no dudes en hacérnoslo saber en los comentarios.
Audio
En el ámbito del audio, tenemos los micrófonos MEMS y los altavoces MEMS. Las características básicas de un micrófono MEMS se transmiten en el siguiente diagrama.
Sensores
Los sensores son la aplicación dominante de las técnicas MEMS; existen giroscopios MEMS, inclinómetros, acelerómetros, sensores de flujo, sensores de gas, sensores de presión y sensores de campo magnético.
Interruptores
Los interruptores controlados eléctricamente son, en mi opinión, una aplicación especialmente interesante de la tecnología MEMS. El ADGM1004, sobre el que escribí en este artículo, es fácil de controlar, funciona con frecuencias de señal de 0 Hz a más de 10 GHz, tiene menos de 1 nA de corriente de fuga en estado desactivado y proporciona una vida útil de actuación de al menos mil millones de ciclos.
Osciladores
La combinación de un resonador micromecanizado con un circuito de excitación y un circuito de sostenimiento da como resultado un oscilador MEMS. Si quieres investigar un componente MEMS real, puedes consultar un artículo de 2017 en el que hablé del oscilador MEMS SiT2024B de SiTime.
Diagrama cortesía de SiTime.
No tengo mucha experiencia con los osciladores MEMS, pero creo que podrían ser una excelente opción en aplicaciones exigentes; en el mencionado artículo sobre el SiT2024B, señalo que, basándome en la información de SiTime, un oscilador MEMS puede superar seriamente a los osciladores basados en cuarzo.