Questo articolo esplora le caratteristiche di base e le applicazioni comuni di una tecnologia che è stata incorporata in una grande varietà di dispositivi elettronici ad alte prestazioni.

Apprezzo sempre un nome che sia veramente informativo e, in questo senso, il termine “sistemi microelettromeccanici” (MEMS) non delude: è tanto una definizione concisa quanto un nome.

Cosa significa MEMS?

MEMS si riferisce alla tecnologia che permette alle strutture meccaniche di essere miniaturizzate e completamente integrate con i circuiti elettrici, risultando in un singolo dispositivo fisico che è in realtà più simile a un sistema, dove “sistema” indica che i componenti meccanici e quelli elettrici lavorano insieme per implementare la funzionalità desiderata. Quindi, si tratta di un micro (cioè, molto piccolo) sistema elettrico e meccanico.

Da meccanico a elettrico a (micro)meccanico

I componenti e i sistemi meccanici sono generalmente considerati meno avanzati tecnologicamente rispetto a soluzioni comparabili basate principalmente su fenomeni elettrici, ma questo non significa che l’approccio meccanico sia universalmente inferiore. Il relè meccanico, per esempio, è molto più vecchio di dispositivi basati su transistor che forniscono funzionalità simili, ma i relè meccanici sono ancora ampiamente utilizzati.

Nonostante, i tipici dispositivi meccanici avranno sempre lo svantaggio di essere irrimediabilmente ingombranti in confronto ai componenti elettronici che si trovano nei circuiti integrati. I vincoli di spazio di una data applicazione possono far sì che i componenti elettrici siano favoriti o richiesti, anche quando un’implementazione meccanica avrebbe portato a un design più semplice o più performante.

La tecnologia MEMS rappresenta una soluzione concettualmente semplice a questo dilemma: se modifichiamo i dispositivi meccanici in modo che siano non solo molto piccoli ma anche completamente compatibili con i processi di produzione dei circuiti integrati, possiamo, in una certa misura, avere il “meglio dei due mondi”.

Questo è un ingranaggio fisico e una catena. Questo macchinario si muove e funziona come ci si aspetterebbe che un ingranaggio e una catena si muovano e funzionino. Tuttavia, gli anelli della catena sono lunghi circa 50 µm, cioè meno del diametro di un capello umano. Immagine per gentile concessione dei Sandia National Laboratories.

Cosa rende un MEMS?

Nella sezione precedente, ho affermato che la tecnologia MEMS è una soluzione concettualmente semplice. Come ci si può aspettare, avere l’idea di un dispositivo meccanico microscopico è molto più facile che costruirlo.

Usiamo il verbo “lavorare” per descrivere il lavoro di trasformare un pezzo di metallo in un componente meccanico come un ingranaggio o una puleggia. Nel mondo MEMS, il termine equivalente è “micromacchina”. Le minuscole strutture meccaniche in un dispositivo MEMS sono fabbricate modificando fisicamente il silicio (o un altro materiale di substrato) usando tecniche specializzate di cui non so quasi nulla. Queste strutture meccaniche in silicio sono poi combinate con circuiti integrati in silicio, e il sistema elettromeccanico risultante è racchiuso in un imballaggio e venduto come un singolo dispositivo.

Come spiegato in un documento sui MEMS pubblicato dalla Loughborough University in Inghilterra, i dispositivi MEMS fanno uso di strutture microlavorate, sensori e attuatori. I sensori permettono a un MEMS di rilevare cambiamenti termici, meccanici, magnetici, elettromagnetici o chimici che possono essere convertiti dai circuiti elettronici in dati utilizzabili, e gli attuatori creano cambiamenti fisici piuttosto che semplicemente misurarli.

Esempi di dispositivi MEMS

Guardiamo un esempio della funzionalità e della struttura interna di un dispositivo MEMS.

Fasci di interruttori a cantilever microlavorati. Immagine per gentile concessione di Analog Devices.

Questo grafico trasmette la struttura fisica dei fasci di interruttori a cantilever microlavorati. Ci sono quattro fasci di interruttori e ognuno ha cinque contatti (l’uso di contatti multipli è una tecnica per ridurre la resistenza di stato on). I fasci di interruttori sono azionati da una tensione applicata.

Immagine per gentile concessione di Analog Devices.

Qui vediamo l’interruttore MEMS (a destra) e il circuito di pilotaggio associato (a sinistra), interconnessi e alloggiati in un pacchetto QFN. Il circuito di pilotaggio permette a un tipico dispositivo digitale, come un microcontrollore, di controllare efficacemente l’interruttore perché fa tutto il necessario per generare un segnale di attuazione a rampa e ad alta tensione che promuove un funzionamento efficace e affidabile dell’interruttore.

Applicazioni MEMS: Quando vengono usati i dispositivi MEMS?

La tecnologia MEMS può essere incorporata in un’ampia varietà di componenti elettronici. Le aziende che producono questi componenti presumibilmente affermano che un’implementazione MEMS è superiore a qualsiasi cosa fosse usata prima che la versione MEMS diventasse disponibile. Sarebbe difficile verificare un numero sufficiente di queste affermazioni per giustificare una dichiarazione generalizzata sulla falsariga di “i dispositivi MEMS offrono prestazioni significativamente migliori dei dispositivi non-MEMS”. Tuttavia, la mia impressione generale è che in molte situazioni i MEMS siano effettivamente un significativo passo avanti e, se le prestazioni o la facilità di implementazione sono una priorità nel vostro progetto, guarderei prima ai dispositivi MEMS.

Nel contesto dell’ingegneria elettrica, la tecnologia MEMS è stata incorporata in quattro categorie di prodotti:

• Audio
• Sensori
• Interruttori
• Oscillatori

Ci potrebbero essere alcuni prodotti meno comuni che non rientrano in una di queste categorie; se sei a conoscenza di qualcosa che ho trascurato, non esitare a farcelo sapere nei commenti.

Audio

Nel campo dell’audio, abbiamo microfoni MEMS e altoparlanti MEMS. Le caratteristiche di base di un microfono MEMS sono indicate dal seguente diagramma.

Sensori

I sensori sono l’applicazione dominante delle tecniche MEMS; ci sono giroscopi MEMS, inclinometri, accelerometri, sensori di flusso, sensori di gas, sensori di pressione e sensori di campo magnetico.

Interruttori

Gli interruttori controllati elettricamente sono, secondo me, un’applicazione particolarmente interessante della tecnologia MEMS. L’ADGM1004, di cui ho scritto in questo articolo, è facile da controllare, funziona con frequenze di segnale da 0 Hz a oltre 10 GHz, ha meno di 1 nA di corrente di dispersione nello stato spento, e fornisce una durata di attuazione di almeno un miliardo di cicli.

Oscillatori

Combinando un risonatore micromachined con circuiti di eccitazione e circuiti di sostegno si ottiene un oscillatore MEMS. Se volete indagare su un componente MEMS reale, potete consultare un articolo del 2017 in cui ho discusso l’oscillatore MEMS SiT2024B di SiTime.

Diagramma per gentile concessione di SiTime.

Non ho molta esperienza con gli oscillatori MEMS, ma penso che potrebbero essere una scelta eccellente in applicazioni esigenti; nel suddetto articolo sul SiT2024B, faccio notare che in base alle informazioni di SiTime, un oscillatore MEMS può seriamente superare gli oscillatori basati sul quarzo.