MEMS: Qué es, Materiales, Funcionamiento, Aplicaciones

Un sistema microelectromecánico o MEMS, es una miniatura de máquina con componentes eléctricos y mecánicos. Puede ser increíblemente pequeño. Los MEMS pueden variar en tamaño desde varios milímetros a menos de un micrómetro, siendo no visible para el ojo humano.

¿Qué son los MEMS?

Los MEMS son sistemas microelectromecánicos (MEMS es el acrónimo en inglés), es la tecnología que se le aplica a dispositivos mecánicos microscópicos para transformar algún movimiento de esas partes nanomecánicas a una señal de algún tipo, bien sea, óptica o eléctrica.

A pesar de que su tamaño es tan pequeño, los MEMS se componen de partes como micro sensores, microactuadores, unidades de datos, unidades de procesamiento, y piezas que pueden interactuar con piezas exteriores.

Debido a que algunos dispositivos MEMS convierten una señal mecánica en eléctrica u óptica, también pueden denominarse transductores. En Japón, los MEMS son más comúnmente conocidos como micromáquinas, en países europeos los MEMS se conocen más popularmente como tecnología de microsistemas.

MEMS
Sistema MEMS en perspectiva

Los MEMS sirven para propósitos importantes en la tecnología empresarial. Aunque son pequeños son poderosos. Son los encargados de desplegar bolsas de aire en los automóviles, garantizar la precisión y control de la insulina en hospitales y controlar los sistemas de calefacción y refrigeración en edificios.

Los MEMS también son responsables del ajuste automático de la orientación de la pantalla en teléfonos inteligentes, detectan cambios ambientales en las moléculas de salas de fabricación, ajustan el flujo en impresoras de inyección de tinta.

A medida que los MEMS se vuelven más pequeños, requieren menos energía y eso los hace menos costosos. Se espera que jueguen un papel importante en la internet inalámbrica que está relacionada con la domótica.

Materiales que se utilizan en los MEMS

Los materiales que se utilizan en los MEMS son variados, al igual que sus técnicas de fabricación, entre ellos mostraremos los siguientes:

Silicio

El silicio es uno de los elementos más abundantes de la corteza terrestre, su facilidad de obtención y su bajo precio en dispositivos de alta calidad, aunado al hecho de que pueden soportar tecnología electrónica los hacen llamativo para una gran variedad de aplicaciones en los MEMS.

El silicio es empleado y forma parte de la mayoría de componentes y sistemas electrónicos que existen hoy en día en la actualidad.

El silicio tiene propiedades extraordinarias que permiten hacer con él ciertas operaciones que son necesarias sin la necesidad de perder tanta energía, es decir, disminuye la disipación de energía en comparación con otros materiales.

El silicio también tiene la ventaja de poderse usar repetidamente en condiciones de maleabilidad, puede soportar una gran cantidad de movimientos sin fatigarse, esto significa que frente a estas operaciones tiene un tiempo de vida en el que puede consumir hasta billones o trillones de ciclos sin romper.

Las técnicas utilizadas para fabricar MEMS basadas en silicio, incluyen la colocación sucesiva de capas de este material o obleas de silicio, para luego ser foto litografiadas y así producir las formas necesarias mediante el grabado.

Polímeros

Los polímeros son cadenas de moléculas de bajo peso molecular, sus propiedades hacen posible su fabricación en grandes cantidades, pudiendo generar propiedades específicas diferentes en cada volumen fabricado útil para cada aplicación determinada.

Debido a estas ventajas su uso en los MEMS se ha extendido, creándose a partir de procesos como: diseño por inyección, estampación y litografía, siendo especialmente usados en áreas de medicina que involucran el análisis de sangre.

Metales

A pesar de que no cumplen una gran propiedad de maleabilidad, sus propiedades lo hacen altamente fiable si son utilizados adecuadamente en ciertas aplicaciones que involucran los MEMS.

Algunos de los metales más comúnmente usados son: níquel, aluminio, cromo, entre otros.

¿Cómo funciona la tecnología MEMS?

En el transcurso de los años con el surgimiento de la tecnología MEMS, se hizo posible mejorar los sensores, desde un punto en el que solo funcionaban como transductor, por ejemplo, transformar únicamente un movimiento mecánico en una señal eléctrica, al hecho de que ahora son posibles de hacer que no solo transformen medidas en diferentes naturalezas sino que además de eso puedan medir las variables, convirtiéndolos en sistemas de micromedición de alta precisión, a un costo relativamente bajo, entre los diferentes tipos de sensores MEMS tenemos:

Acelerómetro piezoeléctrico

Se utilizan para medir la aceleración de un objeto al que están conectados, esta aceleración no tiene porque ser la aceleración común que se presenta en física como el cambio de velocidad en un lapso de tiempo, sino simplemente el peso que experimenta el dispositivo en función de una masa en su marco de referencia, lo hace de la siguiente manera:

Los mismos constan de un material piezoeléctrico que al ser presionado genera una tensión de voltaje pequeña, que es directamente proporcional a ese movimiento, la cual sirve para realizar la medición.

Son altamente usados en las medidas de medias y altas frecuencias, siendo su rango de frecuencia usual de 2 Hz a 10 KHz, tienen una gran ventaja en medidas de baja frecuencia debido a su capacidad de no introducir atenuaciones ni desfase en la señal.

Es posible conocer la inclinación de un objeto debido a que miden las aceleraciones en los 3 ejes espaciales X, Y y Z (perpendiculares) como consecuencia del efecto de la gravedad.

Acelerómetros piezoresistivos

A diferencia de los acelerómetros piezoeléctricos los acelerómetros piezoresistivos están pensados para ser utilizados en condiciones de baja o media frecuencia, ya sea para la medida de aceleraciones o vibraciones.

El funcionamiento es el siguiente:

El sensor está en contacto con un fluido hidráulico que está separado por una membrana de acero inoxidable del medio, cuando ocurre un cambio externo que es necesario informar, como por ejemplo el cambio en una presión externa, la membrana se hace flexionar a causa del cambio de la presión, como consecuencia se genera una señal proporcional a dicho cambio en el orden de 4-20 mA que avisará al sistema dicho cambio.

Acelerómetros de capacitancia variable

Los acelerómetros de capacitancia variable están disponibles en varias configuraciones, en las cuales se incluyen los sensores de vibraciones que están basados en un circuito oscilador sintonizable y sistemas mecánicos micro electrónicos o MEMS.

Los circuitos de oscilador sintonizable incorporan un capacitor con una placa que actúa como una masa móvil tipo diafragma en relación con otras placas fijas. La aceleración hace que el diafragma se flexione, creando un cambio capacitivo. Dicho cambio modifica el valor de la tensión pico de la oscilación, dato que es utilizado para operaciones específicas.

Los acelerómetros MEMS se implementan como un capacitor variable modificado por una viga en voladizo conectada a una masa de prueba. Están disponibles en dispositivos compatibles con 1 a 3 ejes. Los acelerómetros MEMS utilizan interfaces seriales como I2C y SPI, también tienen alta linealidad y se utilizan mayormente en aplicaciones de baja frecuencia.

También existen muchos otros tipos de ejemplos en el funcionamiento de la tecnología MEMS, y a medida que se mejore su tecnología sus aplicaciones no tendrán límite.

Aplicaciones

Los sensores MEMS son responsables del avance en un gran número de aplicaciones en la actualidad entre las cuales están las siguientes:

La tecnología MEMS en los smartphones

Los MEMS forman parte de los sensores que se utilizan en la mayoría de teléfonos inteligentes, con la finalidad de que puedan conocer o detectar su orientación en el espacio, por ejemplo:

Si el usuario de un teléfono inteligente tiene el teléfono en una orientación y luego procede a colocarlo en otra posición al girar el teléfono, la imagen de la pantalla se rotará automáticamente justo después de haber girado el teléfono y colocarlo en una nueva posición.

De esta manera cambia la posición de la pantalla dependiendo de la manera en que el usuario la sostenga.

Son utilizados no solo en los teléfonos inteligentes sino también en otros dispositivos como: los ordenadores portátiles, relojes inteligentes, consolas de videojuegos, y relojes deportivos, también se utilizan en pequeños micrófonos para grabar el sonido.

Así como los MEMS se utilizan en los teléfonos inteligentes con el objetivo de que puedan reconocer su orientación en el espacio, son utilizados de igual forma para distinguir algún tipo de cambio y estado de funcionamiento que pueden mostrar si un objeto en particular opera correctamente o no.

Tienen la ventaja de que estos estados pueden ser revisados desde cualquier parte del mundo mediante internet.

Tecnología MEMS en sensores medioambientales

En la feria internacional de electrónica de consumo (CES por sus siglas en inglés), en la ciudad de las vegas en el estado de nevada en el año 2015 la empresa alemana Bosch dio a conocer en su presentación el primer sensor MEMS del mundo, que contaba con la capacidad de medir la presión del aire, la humedad, la temperatura ambiente, y la calidad del aire.

Para resaltar los niveles microscópicos en los cuales opera esta tecnología es de gran importancia notar que este sensor con todas estas capacidades incluidas, se encontraba en una carcasa que medía 3×3 mm.

Lo que dió apertura a nuevas posibilidades para distintos dispositivos electrónicos, como por ejemplo: medir la calidad del aire en una habitación.

También pueden ayudar a la rápida localización de una tienda específica dentro de un edificio, sus aplicaciones también abarcan campos como el fitness y salud en los que el dispositivo puede contar la cantidad de pasos que se han dado, entre muchas otras funciones.

Tecnología MEMS para un transporte seguro y protegido

Además del uso de la tecnología MEMS en dispositivos inteligentes, reconocimiento de la orientación, fitness y salud. Los sensores MEMS también pueden ser utilizados para ayudar a que los procesos de negocio tengan la eficiencia y rendimiento requeridos, por ejemplo:

En un negocio de venta de repuestos los sensores MEMS pueden ayudar a determinar cuántos repuestos quedan en el almacén, lo que posibilita ordenar el proceso de reabastecimiento según los repuestos faltantes y activarlo automáticamente.

Además de esto, sensores de aceleración se pueden integrar a la maquinaria delicada para estar seguros de que no sufrió vibraciones durante el proceso de transporte.

No solo eso sino que también si ocurre el caso de que la maquinaria llegara a caerse, el sensor MEMS dispone de una tecnología que le permite avisar por email lo ocurrido para efectos de revisión de la maquinaria y poder evaluar si ocurrió algún daño.

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