Sistemas Micro-Eletro-Mecânicos

1 SISTEMAS MICROELETROMECANICOS

Sistema Microeletromecânico ou MEMS (Micro-Electro-Mechanical System, em inglês) foi o termo criado no fim dos anos 80 nos Estados Unidos para descrever sistemas miniaturizados compostos basicamente de um sensor, que insere informações no sistema através da conversão de sinais mecânicos em elétricos, um circuito eletrônico, que trata o sinal do sensor, e um atuador, que responde ao sinal gerado pelo circuito eletrônico. Os sensores e atuadores são classificados como “tradutores”, já que convertem energia de um tipo para outro. Estruturas e eletrônicos também são elementos funcionais que fazem parte dos MEMS, como mostra a Figura 1.1. Com o passar do tempo esse termo passou a ser usado também para microssistemas sem atuadores. Esses dispositivos MEMS são ditos as menores máquinas criadas pelos humanos.

Figura 1.1: Esquema mostrando os Componentes dos MEMS.

As dimensões físicas críticas dos dispositivos MEMS podem variar da ordem de 10-6 m até da ordem de 10-2 m. De forma similar, os tipos de MEMS podem variar de estruturas relativamente simples, sem elementos móveis, até sistemas eletromecânicos extremamente complexos, com múltiplos elementos móveis, sob o controle de microeletrônicos integrados.

O principal critério dos MEMS é que existem pelo menos alguns elementos tendo algum tipo de funcionalidade mecânica, podendo ou não esses elementos se mover.

Ao longo das últimas décadas pesquisadores e desenvolvedores dos MEMS têm demonstrado um número extremamente grande de microssensores para quase todas as modalidade sensorial possíveis, incluindo temperatura, pressão, forças inerciais, espécies químicas, campos magnéticos, radiação, etc. Surpreendentemente, muitos destes sensores microfabricados têm demonstrado performances superiores às dos seus homólogos em macro escala.

Além disso, mesmo esses microatuadores sendo extremamente pequenos, eles frequentemente podem causar efeitos em um nível de macro escala. Por exemplo, pesquisadores colocaram pequenos microatuadores na borda principal de aerofólios de uma aeronave e foram capazes de orientar a aeronave usando somente esses dispositivos miniaturizados.

Não é somente o desempenho dos MEMS que é excepcional, mas também o seu método de produção que utiliza as mesmas técnicas de fabricação em série utilizadas na indústria de circuitos integrados - o que pode traduzir-se em baixos custos de produção por dispositivo, assim como em muitos outros benefícios. Consequentemente, é possível não somente alcançar o desempenho espetacular do dispositivo, mas também fazê-lo a um nível relativamente barato.

Porém, o verdadeiro potencial da MEMS começa a tornar-se satisfatório quando estes sensores, atuadores, e estruturas miniaturizados podem ser combinados em um único substrato de silício junto com circuitos integrados. Por conta disso, atualmente, o que mais se procura é mesclar não só com a microeletrônica, mas com outras tecnologias, como a fotônica, nanotecnologia, etc – o que é chamado de "integração heterogênea" – em um único substrato, assim como mostra a Figura 1.2.

Figura 1.2: Um dispositivo que pode ser usado tanto como microssensores, quanto como microatuadores.

Esta visão de MEMS pela qual microssensores, microatuadores, microeletrônicos e outras tecnologias, poderem ser integrados em um único microchip é esperado para ser um dos avanços tecnológicos mais importantes do futuro. Isto permitirá o desenvolvimento de produtos inteligentes ao aumentar a habilidade computacional dos microeletrônicos com as capacidades de percepção e controle dos microssensores e microatuadores.

Circuitos microeletrônicos integrados podem ser pensados como os "cérebros" de um sistema, no qual os MEMS aumentam essa capacidade de tomada de decisão com "olhos" e "braços", permitindo os micro sistemas sentir e controlar o ambiente. Sensores coletam informações medindo fenômenos mecânicos, térmico, biológicos, químicos, ópticos e magnéticos. Os componentes eletrônicos, em seguida, processam as informações obtidas pelos sensores e através de alguma capacidade de tomada de decisão dirigem os atuadores para responder por movimento, posicionamento, regulação, bombeamento, filtragem e, assim, controlando o ambiente por algum resultado ou finalidade desejada.

Além disso, pelo fato de que os dispositivos MEMS são fabricados usando técnicas de fabricação em série, níveis de funcionalidade, confiabilidade e sofisticação sem precedentes podem ser colocados em um pequeno chip de silício a um custo relativamente baixo.

1.1 Fabricação

Os MEMS são construídos em sua grande maioria de silício utilizando técnicas de microfabricação similares as dos circuitos integrados, como oxidação, difusão, implementação de íons, depositação química em fase vapor à baixa pressão (LPCVD), pulverização catódica, etc., e combina essas capacidades com processos de microfabricação altamente especializados. Alguns dos mais processos de microfabricação mais amplamente usados são: microfabricação em substrato; microfabricação em superfície; wafer bounding; deep reactive ion etching (DRIE) de silício; DRIE de gases; LIGA; entre outros.

1.2 Aplicações

Existem muitas aplicações possíveis para MEMS. Como uma tecnologia de ponta, permitindo uma sinergia sem precedentes entre campos anteriormente não relacionados, tais como biologia e microeletrônica, muitas novas aplicações para MEMS irão surgir, expandindo além daquilo atualmente conhecido. Discutiremos a seguir algumas aplicações de maior interesse hoje em dia.

1.2.1 Aplicações na Medicina

Existe uma grande variedade de aplicações de MEMS na medicina. A primeira, e de longe a mais bem sucedida aplicação de MEMS na medicina (pelo menos em termos de número de dispositivos e tamanho de mercado) são sensores de pressão MEMS, os quais têm sido usados por várias décadas. Algumas das aplicações de sensores de pressão MEMS na medicina incluem:

• Uso de sensores de pressão MEMS em hospitais e em ambulâncias como monitores de sinais vitais dos pacientes, especificamente da pressão sanguínea e da respiração destes;

• Uso de sensores de pressão MEMS na cirurgia ocular para medir e controlar o nível de vácuo usado para