Acronimul pentru microsistemele electromecanice – MEMS (microelectromechanical systems) a fost oficial adoptat de un grup de 80 de participanți la o conferință științifică – Micro Tele-Operated Robotics Workshop – din 1989, care s-a desfășurat la Salt Lake City. Dr. Albert P. Pisano a fost invitat să țină o prelegere în care a folosit termenul MEMS pentru a descrie pe scurt structurile rezonante fabricate, structuri ce puteau fi utilizate în stabilizatoarele de frecvențe.
Discuțiile pe marginea acestei noi direcții de cercetare au ținut mai mult de o oră, timp în care au fost propuse, dezbătute și înlăturate mai multe prescurtări. Când praful ridicat de această dezbatere s-a așezat, profesorul Roger Howe de la Berkley, University of California, s-a ridicat în picioare și a anunțat:
“Deci, atunci, numele este MEMS”. MEMS a devenit astfel cuvântul care a desemnat că tehnologia microelectronică a depășit în anii ’80 granițele clasice de aplicabilitate la domeniul strict electronic, de construire miniaturizată a elementelor de circuit pasive sau active și a combinat cunoștințele deja dobândite la construirea circuitelor integrate împreună cu cele de micromecanică. Datorită acestei compatibilități „înnăscute”, s-au obținut structuri care au putut fi încapsulate împreună cu circuitele de control al parametrilor electrici.
În același timp, cercetătorii europeni utilizau termenul MST (microsystem technology) pentru a descrie același lucru. Această denumire a fost motivată de faptul că termenii utilizați se referă, de fapt, la tehnologia utilizată pentru fabricarea unui microsistem. Primii interesați de această tehnologie, la începutul anilor ’90, au fost DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) și U.S. Air Force, care au început să finanțeze proiecte de acest fel. Ideea fabricării MEMS a prins atât de rapid în țările industrializate, încât la numai 3 ani de la nașterea MEMS ca atare, existau peste 300 de companii și institute de cercetare implicate în dezvoltarea acestora. Astăzi, estimările Plunkett Research Ltd. indică existența a peste 2.200 de entități în întreaga lume hotărâte să dezvolte nanosistemelor micro-electro-mecanice NEMS, iar conform Research and Markets piața MEMS a ajuns în anul 2008 la 6 miliarde de dolari și crește cu o rată anuală de 14%. SUA au alocat în anul 2008 peste 1,534 de miliarde de dolari pentr u dezvoltarea domeniilor MEMS și NEMS, iar dacă privim defalcarea acestuia ne dăm seama că MEMS nu mai este doar o tehnologie militară, multe universități și companii cercetând și dezvoltând în această sferă, întrucât în toate domeniile tehnice, performanțele componentelor și sistemelor sunt mult îmbunătățite prin miniaturizarea lor. MEMS-urile sunt, în general, dar nu în termeni exclusivi, proiectate și fabricate utilizând fenomenele fizico-chimice și tehnicile care își au originea în industria circuitelor integrate, dar în construcția lor se ține cont și de proprietățile materialelor implicate în fabricație, astfel că, pentru proiectare și construcție, este nevoie de tehnici speciale de microsistem, folosind materialele și efectele fizice potrivite. O bună înțelegere a construcției și funcționării MEMS este legată indisolubil de cunoașterea materialelor de bază utilizate în realizarea dispozitivelor, performanțele acestora din urmă depinzând, în bună măsură, de proprietățile mecanico-fizico-chimice ale materialelor.
Rare sunt cazurile în care un dispozitiv MEMS este construit dintr-un singur material, de cele mai multe ori fiind implicate două sau mai multe materiale, iar dacă privim tehnologia utilizată la fabricarea MEMS, în general, ca un set de instrumente cu aplicabilitate pe diverse medii, atunci nu avem niciun motiv de a limita utilizarea lor la un singur material. Pe de altă parte, ceea ce complică și mai mult lucrurile este faptul că la scara de fabricație utilizată pot apărea efecte și femomene fizice care să influențeze sistemul la întreaga sa dimensiune, simularea comportării tuturor componentelor în ansamblu, având un rol hotărâtor în scăderea costului în faza de proiectare.
Pe când progresele inițiale erau monopolizate de infrastructura și tehnologia bazate pe siliciu, noile tehnologii utilizează materiale și procese care nu mai sunt asociate în totalitate cu fabricarea circuitelor integrate. Fără tăgadă, aria de utilizare a acestora, precum și beneficiile economice rezultate din dezvoltarea lor, nu vor afecta câtuși de puțin industria circuitelor integrate sau dezvoltarea infrastructurii acesteia. Ba dimpotrivă, domeniile fiind conexe, se vor sprijini reciproc în dezvoltarea de noi tehnologii, materiale și metode.
Sferele de aplicabilitate ale MEMS sunt foarte multe, ele jucând un rol decisiv pentru competitivitate în domeniile: medicină, biotehnologie, tehnologia mediului, inginerie cu o pondere deosebită în industria auto, instalații industriale și casnice. Pentru că sistemele de supraveghere au nevoie de o dimensiune cât mai mică, se înțelege că MEMS a devenit o tehnologie favorită în construcția acestora, fie că este vorba de supravegherea unor parametri fiziologici, de mediu, industriali și de ce nu, în spionaj.
Pentru a ne face o idee de ansamblu a dimensiunii unui MEMS, trebuie să amintim că ansamblurile fabricate prin această tehnică au dimensiuni micrometrice, existând micromotoare din siciliu policristalin de dimensiunea firului de păr, de aproximativ 100 de micrometri. Din punct de vedere tehnologic, s-a mers și mai departe de ordinul micronului, în zilele noastre luând naștere chiar și o nouă ramură, sistemele nanoelectromecanice – NEMS. Aceste dezvoltări au fost posibile, în mare măsură, prin progresele semnificative înregistrate în fabricarea dispozitivelor MEMS. Vorbim așadar de o scară micrometrică de aplicabilitate a MEMS, fapt care face ca diferitele componente să încapă într-un singur cip de siliciu. Astfel, beneficiile utilizării MEMS sunt: gradul mare de fiabilitate dat de folosirea tehnologiei construirii circuitelor integrate, cu rezultate deja probate, gradul mare de reproductibilitate, prețul de cost scăzut la o producție mare.
Dar cum lucrează un MEMS? Un astfel de microsistem trebuie să detecteze, proceseze și să evalueze semnalele externe, să ia decizii b azându-se pe informația obținută și să comande acționarea actuatorilor (elemente de acționare) proprii sau să transmită mai departe informația pentru a fi prelucrată. În mare, el este format din interfețe cu lumea exterioară, microsenzori, micro-actuatori și componente de procesare a semnalului.
Senzorii individuali, care pot folosi principii mecanice, termice, magnetice, chimice sau biologice, în funcție de aplicație, formează un modul senzor. Aceștia pot fi integrați pentru a creea o matrice de senzori și produși în masă pe un singur substrat, cu un preț de fabricație scăzut. Acest lucru mărește considerabil fiabilitatea sistemului, o defectare a unuia dintre senzori nemaifiind o problemă critică. Pe de altă parte, plaja de valori pe care o va monitoriza este un parametru care poate fi controlat încă din faza de proiect. Un prim domeniu care a avut de câștigat din revoluția MEMS a fost cel medical, în special chirurgia minimală invazivă, al cărei drum a fost deschis de tehnica endoscopică.
Datorită faptului că instrumentele utilizate într-o astfel de intervenție trebuie controlate de la distanță, crește dificultatea orientării acestora și riscul potențial de rănire accidentală sau de hemoragie.
„Este ca și cum ai încerca să coși un nasture pe o pătură din dormitor, prin gaura cheii de la intrare, folosind o pereche de pensete. În plus, camerele sunt pline de mobile printre care trebuie să conduci pensetele. Dar nu trebuie să lovești nimic!” , așa descria un neorochirurg dificultățile unei astfel de operații. Tehnologia construirii dispozitivelor MEMS a dat aici o mână de ajutor prin crearea unor microinstrumente, unele flexibile, dotate cu microsenzori tactili.
Un alt domeniu în care microtehnologia și-a spus cuvântul este cel al industriei auto, unde dispozitivele MEMS supraveghează foarte mulți parametri, de unii dintre ei depinzând supraviețuirea pasagerilor în caz de accident. Unele modele de autoturisme au până la 40 de astfel de dispozitive, începând cu cel mai uzual, senzorul pentru declanșarea airbag-ului. Acesta este de fapt un accelerometru MEMS, care „simte” decelerarea puternică produsă în timpul impactului și transmite această informație pentru descărcarea aproape instantanee a unei butelii cu gaz în pernele protectoare.
Tehnologia construirii dispozitivelor MEMS a evoluat și prin combinarea posibilității de introducere a opticii în microsistemele electromecanice, vorbind aici de MEOMS (microelectrooptical-mechanical systems). Cele mai precoce dispozitive de acest gen au fost destinate analizei spectrale prin difracția pe microprisme. Apoi a urmat construirea micro – oglinzilor, cu aplicații în transmisii de date pe fibră optică și mai pe urmă miniaturizarea camerelor de luat vederi. Fără doar și poate, lucrurile au evoluat foarte mult de la primele dispozitive MEMS construite, acestea fiind în măsură să cucerească civilizația noastră, introducând astfel o nouă ramură economică în viitor. Se poate naște astfel o nouă industrie, cu un viitor categoric, permanent inovativă și în contact cu celelalte domenii din cercetare.
Datorită faptului că MEMS-urile se află într-o continuă expansiune și există compatibilități ale tehnologiei de fabricație cu cea de realizare a circuitelor integrate, este natural ca acestea să fie incluse în dispozitive electronice sau electrocasnice care utilizează deja astfel de circuite. Așa că pot apare în curând: o mașină de spălat cu înclinometru pentru controlul trepidațiilor, un fier de călcat cu control al debitului de abur pentru fiecare orificiu, un bec economic cu cameră de luat vederi și microfon stereo…
Imagini oferite de Compliant Mechanism Research Group (CMR) de la Brigham Young University
Autor: Valentin Stihi
