Automação, Mecânica, Microeletrônica, Robótica, Sensores

O que são MEMS?

MEMS é a abreviatura de Micro Electro-Mechanical Systems (Sistemas Microeletromecânicos), são máquinas eletromecânicas miniaturizadas. Uma introdução aos MEMS e algumas das suas aplicações são o assunto de hoje.

Componentes

Os componentes de um MEMS são: microsensores, microatuadores, sistemas microeletrônicos e microestruturas. São feitos em substrato de silício usando técnicas de fabricação que serão mostradas em um futuro post. O tamanho pode variar entre 1 e 1000 micrômetros (10^{-6}).

Microsensores

Existe uma grande variedade de sensores, são transdutores que convertem grandezas físicas do ambiente em sinais elétricos, estes são enviados para os sistemas microeletrônicos. Muitos destes sensores são encapsulados como circuitos integrados.

Aqui são mostrados alguns exemplos de sensores MEMS dos tipos capacitivo, piezoresistivo e ressonante. Existem vários outros tipos de sensores MEMS, mas não dá para mostrar todos em um único post.

Sensor capacitivo

Estes sensores detectam variação de capacitância entre placas quando detectam alguma força. O acelerômetro é um exemplo deste tipo de sensor. Quando a massa móvel se movimenta com um mecanismo elástico, as capacitâncias entre as paredes da massa móvel e as paredes fixas mudam.

Um exemplo de acelerômetro com os capacitores variáveis. Os capacitores são ligados a pontes de circuito para medição.

Sensor piezoresistivo

Piezoresistividade é a mudança de resistência elétrica de um material quando é submetido a uma tensão mecânica. Um sensor de pressão para MEMS tem piezoresistores que formam uma ponte de Wheatstone e ficam em cima de um diafragma feito de silício.

Sensor ressonante

Sensores ressonantes medem a mudança de frequência quando recebem um estímulo. Têm uma parte que vibra, cuja frequência de operação do sensor muda quando esta parte se move. Este é um giroscópio ressonnte, o disco vibra em uma frequência e gira ao redor do próprio eixo.

Qualquer mudança da frequência de vibração pela força de Coriolis é detectada pela variação da capacitância entre o disco e os eletrodos no substrato.

Sistemas microeletrônicos

Recebem os sinais elétricos dos sensores para processamento e tomada de decisões. O principal componente dos sistemas microeletrônicos é o transistor MOSFET. São transistores de efeito de campo, escreverei um post explicando o funcionamento destes componentes. Os dois tipos existentes de MOSFETs são os nMOS e pMOS.

Um típico processador comercial tem bilhões destes transistores. Os MOSFETs são os principais blocos de construção para formar circuitos digitais e analógicos.

Microatuadores

Recebem comandos dos sistemas microeletrônicos para mover partes mecânicas ou controlar componentes externos. Podem ser controlados por campos magnéticos, forças eletrostáticas, dilatação térmica e efeito piezoelétrico.

Alguns exemplos de microatuadores são:

  • Micromotor controlado por forças eletrostáticas.

  • Matriz de microespelhos para direcionar e modular feixes de luz.

  • Conjunto de engrenagens em escala micrométrica.

  • Microbombas para transporte de líquidos.

Microrobôs e algumas outras aplicações

MEMS são usados na construção de microrobôs com aplicações em muitas áreas. Estes são os I-SWARM, microrobôs com células fotovoltaicas e comunicação IR (infravermelho).

Microrobôs vão entrar na corrente sanguínea e aplicar remédios no local exato. Este é o ViRob, controlado por um campo magnético externo e se move dentro de vasos sanguíneos e outras partes do corpo humano.

Estas pequenas máquinas são baratas, têm potência e tempo de resposta baixos. Por isso, têm uma quantidade enorme de aplicações além da robótica, alguns exemplos são:

  • Todos os aparelhos eletrônicos modernos possuem MEMS. Celulares têm acelerômetros para saber a posição atual e mudar a tela de acordo.
  • Smartphones e aparelhos de som modernos têm microfiltros para eliminar a distorção do som.
  • Carros possuem vários MEMS como: acelerômetros para ativar airbags, sensores de pressão para os pneus, sensores IR, etc.
  • Acelerômetros, giroscópios e unidades de medida inercial (IMU) para orientação de mísseis e sistema de navegação para navios, carros, aviões e drones.
  • Microsensores para diagnóstico de doenças e monitoramento dos pacientes.

 

 

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