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Como são fabricados os MEMS (Sistemas Microeletromecânicos)?

Os sistemas microeletromecânicos (MEMS) tornaram-se uma tecnologia fundamental em muitas indústrias e seu mercado está em constante expansão. Os MEMS são dispositivos pequenos que utilizam partes tanto mecânicas quanto eletrônicas. Esses dispositivos existem há décadas e desde então se tornaram uma indústria multibilionária. Uma das características que definem os MEMS é que não se trata de um único dispositivo ou produto; em vez disso, o conceito de MEMS é um portfólio de técnicas de fabricação e processos de design que podem criar diferentes sistemas em miniatura. Outra característica fundamental dos MEMS é que não são um produto pronto para uso, mas na verdade são projetados e personalizados de acordo com a aplicação pretendida. Aqui, veremos como diferentes MEMS são criados usando esses processos.

O que são MEMS?

Os MEMS são uma combinação de componentes eletrônicos e mecânicos que trabalham juntos para criar um pequeno dispositivo integrado com uma função específica. Os MEMS vêm em muitas formas e tamanhos e podem ter muitos materiais e componentes diferentes dentro do sistema. Para que esses sistemas sejam classificados como um sistema ‘micro’, os componentes individuais dos MEMS devem estar na escala do micrômetro. No entanto, dependendo de quantos componentes são montados juntos para criar um dispositivo funcional, os tamanhos de um dispositivo MEMS completo podem variar de alguns micrômetros até dispositivos do tamanho de milímetros.

Embora existam muitos dispositivos específicos que utilizam MEMS, todos os dispositivos MEMS contêm alguma combinação de microestruturas mecânicas, microsensores, microatuadores e microeletrônicos, todos integrados em chips de silício. Dentro dessas áreas de componentes gerais, existem muitos componentes específicos por trás de um dispositivo MEMS — incluindo alavancas, engrenagens, pistões e motores — que lhe conferem suas propriedades abrangentes. Esses componentes individuais são feitos de muitos tipos diferentes de materiais, dependendo da função pretendida, e comumente incluem os seguintes:

  • Silício
  • Materiais à base de silício como óxido de silício, nitreto de silício e carbeto de silício
  • Filmes metálicos finos
  • Polímeros
  • Vidro
  • Substratos de quartzo fundido
  • Diamante
  • Arsenieto de gálio
  • Outros semicondutores compostos do grupo III-V e ligas com memória de forma

A combinação de componentes compatíveis com MEMS significa que os dispositivos criados podem sensoriar, controlar e atuar no nível micro, mas apresentam efeitos operacionais no nível macro. É importante lembrar que a saída macro é a soma dos componentes micro individuais trabalhando juntos para realizar funções específicas. Devido à variedade de componentes que compõem um dispositivo MEMS, o escopo de aplicação dos MEMS é amplo, mas geralmente inclui diferentes tipos de sensores, atuadores e transdutores em uma variedade de indústrias técnicas e científicas.

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Métodos de Fabricação de MEMS

Entre a ampla variedade de materiais potenciais e o grande número de componentes que podem ser integrados em um dispositivo MEMS, existem numerosos métodos de fabricação possíveis para construir esses dispositivos. Em geral, os componentes eletrônicos são criados usando métodos de processamento em lote de circuito integrado, enquanto as partes mecânicas são fabricadas usando métodos de micro usinagem. Mesmo assim, existe uma variedade de técnicas de fabricação avançadas agora disponíveis graças aos avanços em ferramentas de processo e métodos de microfabricação de alta precisão, incluindo métodos litográficos e não baseados em litografia.

Os métodos de micro usinagem usados para criar MEMS são semelhantes aos métodos de usinagem convencionais porque definem características específicas em um material. No entanto, existem algumas diferenças entre os dois, com a micro usinagem sendo capaz de fabricar simultaneamente milhares de características idênticas na mesma pastilha de silício, além de poder processar muitas pastilhas ao mesmo tempo. A outra diferença principal é que os métodos de micro usinagem podem criar características muito menores nos materiais do que os métodos de usinagem convencionais ― pelo menos uma ordem de magnitude menor.

Quanto às ferramentas de micromáquinas comuns e mais básicas, existem vários métodos usados. Por exemplo, epitaxia, pulverização catódica, evaporação, deposição química de vapor e métodos de fabricação por rotação são usados para depositar camadas finas de semicondutores, metais, isolantes e polímeros.

Por outro lado, os métodos de litografia são utilizados para imprimir camadas de polímeros sensíveis à luz sobre os componentes MEMS, para que possam ser gravadas em microescala para criar padrões e características específicas. Quando se trata do próprio processo de gravação, tanto métodos de gravação úmida quanto seca são usados na produção de dispositivos MEMS. A gravação a seco é mais popular com a gravação eletroquímica, sendo que também são utilizadas a gravação por plasma, a gravação iônica reativa profunda e a gravação úmida isotrópica para remover seletivamente o material.

Também existem diversos métodos de usinagem avançados que não requerem técnicas de litografia para criar características específicas, padrões e geometrias nos diferentes materiais e componentes MEMS. Um desses métodos é a usinagem mecânica de ultra precisão que pode fresar silício e outros metais em formas específicas com características abaixo de um micrômetro. Este é um método não litográfico importante, pois pode criar formas, como recortes retrógrados com paredes laterais planas, que não são possíveis com métodos de litografia.

Outro método de usinagem avançado é a usinagem a laser, que pode ser usada para criar chips de silício, mas também é usada para remover material de metais, cerâmicas e plásticos e/ou criar furos neles. Por outro lado, os métodos de usinagem ultrassônica requerem materiais duros e quebradiços como vidro, cerâmica e diamante, enquanto utilizam ondas ultrassônicas. Enquanto isso, a usinagem por eletroerosão usa descargas elétricas para erodir pequenos pedaços de material, mas somente é eficaz em materiais condutivos. Além desses métodos, existem outras técnicas avançadas de usinagem e remoção de material menos utilizadas que introduzem características e padrões pequenos, incluindo impressão micro contato, litografia de nano impressão e gravação a quente.

Além dos métodos baseados em usinagem, existem muitos outros métodos avançados de fabricação usados em cenários específicos. Por exemplo, os métodos de ligação anódica são usados para unir pastilhas de silício a substratos de vidro, mas a ligação direta de silício é usada para fundir dois materiais de silício. Os métodos de deposição sol-gel são usados para revestir componentes MEMS com revestimentos antirreflexos de absorção óptica ou índice gradiente. Além disso, os métodos de eletrodeposição são usados para construir camadas finas de metal, incluindo aquelas feitas de ouro, cobre, níquel e níquel-ferro.

Conclusão

Os MEMS são um conjunto estabelecido de dispositivos em microescala que têm sido utilizados por muitos anos. Naturalmente, como acontece com qualquer tecnologia estabelecida, existem diversos processos de fabricação utilizados para criar dispositivos MEMS. O escopo de fabricação na produção de MEMS é mais vasto do que o de muitos outros dispositivos em pequena escala, porque há tantos materiais e componentes diferentes envolvidos em sua criação e funcionamento. É essa combinação de diferentes métodos de fabricação que possibilitou o uso dos MEMS em uma variedade de aplicações. À medida que os métodos de fabricação se tornam mais avançados e suas resoluções se tornam mais estreitas, características cada vez menores, assim como componentes menores, estão sendo criados dentro dos dispositivos MEMS.

Artigo escrito por Liam Critchley e publicado no blog da Mouser Electronics: How Are MEMS Fabricated?

Traduzido pela Equipe Embarcados. Visite a página da Mouser Electronics no Embarcados

Licença Creative Commons Esta obra está licenciada com uma Licença Creative Commons Atribuição-CompartilhaIgual 4.0 Internacional.
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