Este artigo explora as características básicas e aplicações comuns de uma tecnologia que foi incorporada numa grande variedade de dispositivos electrónicos de alto desempenho.

Aprecio sempre um nome que seja verdadeiramente informativo e, a este respeito, o termo “sistemas microelectromecânicos” (MEMS) não desilude – é uma definição tão concisa como um nome.

Então o que significa MEMS?

MEMS refere-se à tecnologia que permite que as estruturas mecânicas sejam miniaturizadas e completamente integradas com os circuitos eléctricos, resultando num único dispositivo físico que se assemelha mais a um sistema, onde “sistema” indica que os componentes mecânicos e os componentes eléctricos estão a trabalhar em conjunto para implementar a funcionalidade desejada. Assim, é um sistema eléctrico e mecânico micro (ou seja, muito pequeno).

Mecânico para (Micro)mecânico

Os componentes e sistemas mecânicos são geralmente considerados menos avançados tecnologicamente do que soluções comparáveis baseadas principalmente em fenómenos eléctricos, mas isto não significa que a abordagem mecânica seja universalmente inferior. O relé mecânico, por exemplo, é muito mais antigo do que os dispositivos baseados em transístores que proporcionam uma funcionalidade semelhante, mas os relés mecânicos ainda são amplamente utilizados.

Não obstante, os dispositivos mecânicos típicos terão sempre a desvantagem de serem desesperadamente volumosos em comparação com os componentes electrónicos encontrados nos circuitos integrados. As limitações de espaço de uma determinada aplicação podem fazer com que os componentes eléctricos sejam favorecidos ou necessários, mesmo quando uma implementação mecânica teria resultado numa concepção mais simples ou de maior desempenho.

tecnologiaMEMS representa uma solução conceptualmente simples para este dilema: se modificarmos os dispositivos mecânicos de modo a que não só sejam muito pequenos mas também totalmente compatíveis com os processos de fabrico de circuitos integrados, podemos, até certo ponto, ter o “melhor de dois mundos”

Esta é uma engrenagem e corrente física. Esta maquinaria move-se e funciona como seria de esperar que uma engrenagem e uma corrente se movessem e funcionassem. No entanto, os elos da corrente têm cerca de 50 µm de comprimento, ou seja, menos do que o diâmetro de um cabelo humano. Imagem gentilmente cedida pelos Laboratórios Nacionais Sandia.

O que faz um MEMS?

Na secção anterior, afirmei que a tecnologia MEMS é uma solução conceptualmente simples. Como seria de esperar, chegar à ideia de um dispositivo mecânico microscópico é muito mais fácil do que realmente construí-lo.

Utilizamos o verbo “a máquina” para descrever o trabalho de transformar um pedaço de metal num componente mecânico, como uma engrenagem ou uma roldana. No mundo MEMS, o termo equivalente é “à micromáquina”. As pequenas estruturas mecânicas de um dispositivo MEMS são fabricadas modificando fisicamente o silício (ou outro material de substrato) utilizando técnicas especializadas sobre as quais não sei quase nada. Estas estruturas mecânicas de silício são então combinadas com circuitos integrados de silício, e o sistema electromecânico resultante é fechado em embalagem e vendido como um único dispositivo.

Como explicado num artigo sobre MEMS publicado pela Universidade de Loughborough em Inglaterra, os dispositivos MEMS fazem uso de estruturas micromachinadas, sensores, e actuadores. Os sensores permitem a um MEMS detectar alterações térmicas, mecânicas, magnéticas, electromagnéticas, ou químicas que podem ser convertidas por circuitos electrónicos em dados utilizáveis, e os actuadores criam alterações físicas em vez de simplesmente as medir.

Exemplos de Dispositivos MEMS

Vejamos um exemplo da funcionalidade e estrutura interna de um dispositivo MEMS.

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Feixes de comutadores de cantilever micromachinados. Imagem cortesia de Dispositivos Analógicos.

Este gráfico transmite a estrutura física das vigas de comutação de cantilever micromachinado. Existem quatro feixes de comutadores e cada um tem cinco contactos (a utilização de múltiplos contactos é uma técnica para reduzir a resistência no estado). Os feixes de comutação são accionados por uma tensão aplicada.

Imagem cortesia de Dispositivos Analógicos.

Aqui vemos o interruptor MEMS (à direita) e o circuito de condução associado (à esquerda), interligados e alojados num pacote QFN. O circuito driver permite que um dispositivo digital típico, como um microcontrolador, controle eficazmente o interruptor porque faz tudo o que é necessário para gerar um sinal de accionamento em rampa de alta tensão que promove um funcionamento eficaz e fiável do interruptor.

MEMS Aplicações: Quando são utilizados dispositivos MEMS?

tecnologiaMEMS pode ser incorporada numa grande variedade de componentes electrónicos. As empresas que fabricam estes componentes presumivelmente afirmariam que uma implementação MEMS é superior a tudo o que foi utilizado antes de a versão MEMS estar disponível. Seria difícil verificar um número suficiente destas alegações para justificar uma declaração generalizada segundo a linha “Os dispositivos MEMS oferecem um desempenho significativamente melhor do que os dispositivos não MEMS”. Contudo, a minha impressão geral é que em muitas situações os dispositivos MEMS são de facto um passo em frente significativo e, se o desempenho ou a facilidade de implementação for uma prioridade na sua concepção, eu olharia primeiro para os dispositivos MEMS.

No contexto da engenharia eléctrica, a tecnologia MEMS foi incorporada em quatro categorias de produtos:

• Áudio
• Sensores
• Comutadores
• Osciladores

Existem alguns produtos menos comuns que não se enquadram numa destas categorias; se tiver conhecimento de algo que eu tenha ignorado, sinta-se à vontade para nos informar nos comentários.

Audio

No domínio do áudio, temos microfones MEMS e altifalantes MEMS. As características básicas de um microfone MEMS são transmitidas pelo seguinte diagrama.

Sensores

Sensores são a aplicação dominante das técnicas MEMS; existem giroscópios MEMS, inclinómetros, acelerómetros, sensores de fluxo, sensores de gás, sensores de pressão, e sensores de campo magnético.

Comutadores

Comutadores controlados electricamente são, na minha opinião, uma aplicação particularmente interessante da tecnologia MEMS. O ADGM1004, sobre o qual escrevi neste artigo, é fácil de controlar, funciona com frequências de sinal de 0 Hz a mais de 10 GHz, tem menos de 1 nA de corrente de fuga no estado desligado, e proporciona uma vida útil de accionamento de pelo menos um bilião de ciclos.

Osciladores

Combinando um ressonador micromachinado com circuitos de excitação e sustentando circuitos resulta num oscilador MEMS. Se desejar investigar um componente MEMS real, pode consultar um artigo noticioso de 2017 no qual discuti o oscilador SiT2024B MEMS de SiTime.

Diagrama cortesia de SiTime.

Não tenho muita experiência com osciladores MEMS, mas penso que podem ser uma excelente escolha em aplicações exigentes; no artigo acima mencionado sobre o SiT2024B, saliento que com base na informação de SiTime, um oscilador MEMS pode superar seriamente os osciladores à base de quartzo.