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Daniel

notícia MEMS -> Fusão entre eletrônica e a mecânica!

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Sistemas Micro eletromecânicos (Micro-Electro-Mechanical Systems, em inglês) é o nome dado para a tecnologia que integra elementos mecânicos, sensores e eletrônicos em um pequeno chip, que possui uma informação gravada que determina seu funcionamento e são considerados uma das tecnologias mais promissoras do século XXI. Podendo ser utilizada de celulares a projetos aeroespaciais e biotecnologia, essa classe de dispositivos causou uma revolução eletrônica nas últimas décadas através da combinação da microeletrônica baseada em silício com a tecnologia de micro usinagem. Assim, o objetivo deste artigo é introduzir os MEMS, esta fascinante tecnologia, capaz de modificar a vida como a conhecemos ou apenas agregar funcionalidades que tornarão seu sistema embarcado realmente embarcado.

 

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MEMS:  Fusão entre eletrônica e mecânica em escala micrométrica

 

Criado utilizando técnicas que se tornaram a base para a difusão desta tecnologia nos dias atuais, o primeiro dispositivo MEMS foi desenvolvido em 1967 pelo engenheiro americano Harvey C. Nathanson. Esse dispositivo, conhecido como Transistor de Porta Ressonante [1], tratava-se, resumidamente, de um sintonizador e seletor de frequências ativado eletrostaticamente, utilizado em circuitos de sintonia RF. Esta invenção o concedeu uma patente, dentre as mais de 50 existentes em seu nome, no ramo da eletrônica de estado sólido.

 

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A tecnologia MEMS é a essência da computação analógica, capaz de sentir e reagir a estímulos externos naturais, se aproximando muito mais da realidade, ao invés do comportamento binário e artificial da computação digital. Cada vez mais usos para estes dispositivos inteligentes, capazes de responder ao ambiente de forma dinâmica e analógica. Imagine asas de aviões que sejam capazes de se remodelar quando em meio à turbulência. 

 

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Rover Curiosity da Nasa, um dos sistemas eletromecânicos mems mais avançados e confiáveis já criados -> Confira Aqui

 

A tecnologia MEMS é um processo de natureza multidisciplinar, uma combinação de conceitos da microeletrônica, engenharia mecânica, ciência dos materiais, física e química, reunidos para produzir sistemas integrados em um único chip, gerando dispositivos capazes de desempenhar funções de sensoriamento, controle e atuação.

Através do uso de técnicas de micro fabricação, que nada mais são do que manipulações do silício e outros substratos usando processos de micro usinagem, é realizada a integração de estruturas mecânicas (sendo elas móveis ou não), sensores, atuadores e eletrônica, tornando possível a sintetização de sistemas completos em escala micrométrica. Basicamente, a microeletrônica é o cérebro destes sistemas, responsável por toda a capacidade de processamento, já a tecnologia MEMS acrescenta olhos, ouvidos e músculos a dispositivos antes regidos, exclusivamente, pelas equações de Maxwell. Enquanto circuitos integrados tradicionais são desenvolvidos explorando as propriedades elétricas do silício, MEMS também consideram suas propriedades mecânicas.

A micro usinagem do silício, idealizada por Nathanson, tornou-se o processo fundamental para fabricação de dispositivos micro eletromecânicos e, em particular, de sensores e atuadores miniaturizados.

De uma maneira geral, sistemas micro eletromecânicos são formados pelos seguintes componentes:

 

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Um dispositivo MEMS é caracterizado, principalmente, pela presença de sensores ou atuadores em conjunto com a microeletrônica, ou ainda, pela união de todos estes componentes simultaneamente em um mesmo dispositivo.

Os micro sensores são responsáveis por detectar as mudanças físicas do meio, sejam elas mecânicas, térmicas, magnéticas, químicas ou eletromagnéticas, e convertê-las em um sinal elétrico proporcional. A microeletrônica, por sua vez, processa essa informação e aciona os micro atuadores de forma que eles possam criar uma resposta a esta mudança, convertendo sinais elétricos em energia mecânica. Micro atuadores são largamente empregados em impressoras do tipo inkjet e em sistemas de foco automático de câmeras digitais.

Micro sensores e micro atuadores são o que há de mais importante em um dispositivo MEMS. Estes componentes são os transdutores de um sistema micro eletromecânico, responsáveis pela conversão de uma forma de energia em outra. Muitos destes transdutores foram desenvolvidos pela indústria microeletrônica, como, por exemplo, sensores de temperatura e luz, mas suas funcionalidades são potencializadas quando utilizados em MEMS.

Dependendo do mecanismo de sensibilidade e das grandezas observadas, estes transdutores podem ser mecânicos, térmicos, magnéticos, químicos ou de radiação. Dentre estes, talvez os mais conhecidos sejam os que exercem a função de sensores mecânicos, como o acelerômetro (capaz perceber variações de aceleração), o giroscópio (permite medir a velocidade de rotação e movimentos angulares), sensores de pressão e strain gauges (capazes de medir deformações)

 

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Um motor de silício MEMS comparado a um fio de cabelo humano

 

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À esquerda, o projetor digital de luz da Texas Instruments utilizado em projetores de vídeo e a direita, um sensor de movimento MEMS, utilizado em smartphones e tablets.

 

Ainda não convencido de quão próximo você pode estar da tecnologia MEMS?
Veja na imagem a seguir quantos sensores podem ser embarcados em um único smartphone e as funcionalidades que eles agregam a esse produto, antes conhecido simplesmente como telefone celular:

 

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Conclusão:

O tamanho e a massa de um sensor podem alterar de forma significativa as características do objeto a ser monitorado, o que nos convence ainda mais sobre as vantagens da utilização de MEMS no desenvolvimento de sistemas embarcados.

 

MEMS é uma tecnologia de fabricação, uma nova metodologia para se desenvolver e criar dispositivos mecânicos complexos e sistemas totalmente integrados utilizando processos de fabricação em alta escala. Esta tecnologia representa uma drástica mudança de paradigma no que diz respeito ao projeto e fabricação de circuitos integrados. Talvez, um dos fatores que mais contribuam para seu crescente avanço seja a saturação encontrada na evolução dos circuitos digitais, fazendo com que esforços muito grandes tenham que ser empregados na obtenção de resultados cada vez menores. Está cada vez mais difícil acompanhar a Lei de Moore e, quanto mais o tempo passa, mais nos aproximamos do dia em que o silício deixará de ser a menina dos olhos da microeletrônica e venha a ser substituído, talvez pelo grafeno.

 

Apesar de só permitir a produção de dispositivos em larga escala há menos de 30 anos, a tecnologia MEMS vem avançando a passos largos graças, principalmente, ao interesse da indústria por estes sistemas integrados. Para se ter uma ideia, pesquisas passadas sugerem que memórias baseadas em MEMS tenham uma performance superior quando comparadas a memórias convencionais.

 

MEMS representam uma área de pesquisa muito extensa. Como só é possível abordar uma coisa de cada vez, os próximos artigos serão prioritariamente focados em uma subclasse da tecnologia MEMS, talvez a mais interessante delas: os sensores inerciais.

 

Quais novidades surgirão em função desta que foi considerada a maior evolução tecnológica depois da microeletrônica baseada em silício? Deixe sua opinião abaixo!

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