A Tecnologia de MEMS

Resumo  da  Pesquisa

A tecnologia de MEMS é um dos mercados promissores, pois abrange uma grande parte dos mercados em diversos seguimentos. Uma das vantagens na utilização de MEMS é os seus processos de fabricação, pois se assemelham aos processos de fabricação de componentes de microeletrônica. Assim, a simulação de acelerômetros é de grande importância para o desenvolvimento deste dispositivo objetivando esse trabalho. A metodologia é separada em duas partes: a parte teórica e o desenvolvimento de modelos de simulação. A parte teórica é constituída por estudos sobre os elementos sensitivos e suas implicações físicas com a aplicação de uma força de tensionamento mecânico, estudo sobre acelerômetros e suas aplicações e estudos sobre simulações físicas. A parte do desenvolvimento dos modelos é aplicada os conhecimentos adquiridos em um simulador de efeitos físicos desenvolvendo um acelerômetro e comparando a eficiência da simulação com resultados de referências bibliográficas. Através destas simulações conseguiremos propor um projeto para o desenvolvimento de acelerômetros com melhor resposta no stress mecânico.

Palavras  –  Chave  –

MEMS – sensores– simulações

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Introdução  /  Justificativa

Micro Electro Mechanical System (MEMS) é um termo que surgiu em meados de 1989, que é um campo de pesquisa emergencial, onde elementos mecânicos, como cantilever e membranas são produzidos em grande escala. Estes dispositivos compartilham das características de dimensões entorno de 100 micrometros que não são fabricados utilizando técnicas de manufatura de maquina, mas sim técnicas de micro-fabricação, que vem das técnicas utilizadas para a microeletrônica. Mesmo utilizando as mesmas técnicas o processo em si é muito diferente; enquanto a microeletrônica utiliza elementos compactos e sólidos, os micros dispositivos utilizam alavancas, membranas, buracos, canais, “braços”, etc. Além disso, tecnologias MEMS podem ser agregadas com outros materiais a fim de se obter novas características para micro-atuadores e micro-sensores.

Através das vantagens oferecidas pela tecnologia MEMS, elas podem ser classificadas, de acordo com o uso, em três classes diferentes: 1. Miniaturização de dispositivo conhecidos [1]; 2. Desenvolvimentos de novos dispositivos baseados em tecnologias que não se possa trabalhar em grandes dimensões; 3. Desenvolvimentos de novas ferramentas para interagir com o micro-mundo.

Estudo feito por Eloy apud Chollet et al, [2] mostra que em 2002 o valor do mercado de MEMS gira em torno de um capital de aproximadamente 12 bilhões de dólares, se tem ainda uma perspectiva de crescimento maior ao decorrer dos anos. Existem diversas aplicações de MEMS, tanto na área aeroespacial e indústria automobilística, quanto na área biomédica, ótica e leitura de memória de massa; dependendo do tipo a ser utilizado, a sigla recebe complementos, como MOEMS para ótica, MMR para leitores de memória e bioMEMS para área biomédica.

Dentre os diversos tipos de aplicações, os sensores de pressão consomem uma fatia considerável do mercado de micro-máquinas, chegando a um valor de aproximadamente 25% do total. Os sensores mais utilizados na atualidade são aqueles que conseguem medir a pressão e pesos, portanto a área de sensores de silício de pressão é uma área muito promissora com relação às indústrias automobilísticas, para a medição de variáveis mecânicas. Podemos categorizar os sensores de acordo com sua aplicabilidade, isto é, de com suas características sensoriais com o meio a ser utilizado.

Sensores de pressão têm amplo uso na indústria e na biomedicina, sendo umas das primeiras aplicações comerciais de MEMS. Dentre estes sensores aqueles que utilizam semicondutores como elemento sensitivo, principalmente o silício, são normalmente utilizados por terem vantagem de já ser utilizado como matéria prima para circuitos integrados, contendo propriedades físicas excelentes, apresentam desenvolvimento crescentes nos últimos anos.

Uma grande vantagem destes sensores é a aplicabilidade das técnicas de circuitos para a fabricação precisa de tais dispositivos, como por exemplo, a difusão seletiva, implantação iônica, litografia crescimento epitaxial, deposição de filmes finos combinados com técnicas de corrosão anisotrópica. [3], [4] Esta última é utilizada ara a fabricação de membranas finas as quais recebem e se de flexiona como elemento sensitivo.

Alguns dos critérios para determinar se a qualidade de uma membrana é boa são se sua composição, estrutura e espessura são uniformes. [5] As técnicas empregadas para obter tais membranas devem prover composição e estrutura constante. Podemos classificá-las em dois grupos; processos físicos e processos químicos. Além destes dois, podemos utilizar como base o mesmo substrato.

Em cada uma das técnicas obtém baixo custo, produção repetitiva e em tempos relativamente pequenos, sendo que existe um aumento na projeção da fabricação de micro sensores de silício, devido principalmente a interface com processos computacionais e de sistema de segurança automotivo.

A busca por materiais e tecnologias para o desenvolvimento de sensores [6] a serem aplicados em tecnologias industriais, melhoramentos de produtos e qualidade de vidas, tanto no campo da saúde [7] como para o meio ambiente, são uma das principais linhas de pesquisas para novas tecnologias.

Sensores apresentam variações nos valores de suas resistências e possuem coeficientes térmicos diferentes, do mesmo modo, problemas de expansão térmica dos materiais utilizados na montagem e no encapsulamento do sensor influenciam na tensão de saída e é um dos problemas mais frequentes na utilização de tais dispositivos.

Com o objetivo de se caracterizar os sensores, são estipulados parâmetros para determinar sua qualidade com relação à sensibilidade, processo de fabricação e montagem.

Existe um grande interesse que as características do sensor estejam dentro de padrões industriais para que possam ser utilizados em sistemas de controle e automatização. Além disso, existe também o interesse de que estes sejam pequenos, confiáveis, de baixo custo e com alta reprodutibilidade para a produção em massa.

A maioria dos sensores necessita de condicionamento de sinal, para eliminar características fora do padrão, este caso também é presente para os sensores de pressão piezorresistivo.