USD

Los sensores MEMS son buenos, pero la revolución recién comienza

Hoy en día, damos por sentado la disponibilidad de sensores de sistemas microelectromecánicos (MEMS) de bajo costo y alto rendimiento, pero ese no siempre fue el caso. La historia completa de MEMS en el mercado de consumo comienza en 1991 cuando Analog Devices anunció su (ahora obsoleto) acelerómetro de eje único ADXL50 después de aproximadamente una década de batallas técnicas muy duras en muchas áreas, incluyendo simulación, física de estado sólido, técnicas de proceso, empaquetado y prueba, con producción en volumen para 1993 (Figura 1).

Figura 1: El totalmente analógico ADXL50 fue el primer acelerómetro MEMS del mercado de consumo; apuntó a las bolsas de aire automotrices y proporcionó una salida analógica totalmente acondicionada que podría ser digitalizada o utilizada directamente por un circuito comparador. (Fuente de la imagen: Dispositivos analógicos)

Este dispositivo, que mide 5 milímetros (mm) × 5 mm, fue diseñado para ser una tecnología disruptiva para una aplicación única y muy específica: activar bolsas de aire en vehículos, que recién se estaban introduciendo y no eran obligatorias. Antes de la disponibilidad del sensor MEMS, la mayoría de las bolsas de aire fueron activadas por un sensor desarrollado por Allen K. Breed en 1967. Utilizaba una bola que se movía en un tubo como la masa detectada; la desaceleración del impacto provocaba que la bola se separara de un imán de retención y disparara un pequeño interruptor eléctrico que, a la vez, cerraba un circuito que luego encendía los productos químicos de la bolsa de aire.

Este primer sensor MEMS era más pequeño, menos costoso y más fácil de empaquetar, pero ese era solo el primer nivel de sus virtudes. Más importante aún, cambió la detección de aceleración en una situación de sí o no a una en la que el sensor podría proporcionar una corriente analógica de valor detectado. Como resultado, la forma de onda de la aceleración real se convirtió en parte del algoritmo de activación.

El ADLX50 era obsoleto para 1999 y fue reemplazado por unidades MEMS más avanzadas, pero para entonces su impacto (juego de palabras intencional) más amplio era evidente. Los dispositivos que le siguieron incorporaron una alta credibilidad para la autocalibración del sensor (fundamental para la mayoría de los sensores); acondicionamiento interno de señales agregado, un convertidor analógico a digital (ADC), una interfaz de microcontrolador y otras características de facilidad de uso. En un período corto de tiempo, los parámetros que habían sido difíciles y costosos de medir (tamaño, peso, potencia) se convirtieron en un problema casi trivial.

¿Pero por qué parar allí? Pronto, los proveedores comenzaron a ofrecer acelerómetros de dos e incluso tres ejes, primero como módulos pequeños y luego como dispositivos monolíticos. De repente, aplicaciones como la detección de movimiento real e incluso la navegación se hicieron factibles (física básica: integrar la aceleración para determinar la velocidad; integrar la velocidad para determinar el desplazamiento).

Pronto, estos pequeños dispositivos agregaron diapasones MEMS vibrantes y se convirtieron en giroscopios y unidades de medición de inercia completa (IMU) capaces de reemplazar, en muchos casos, a IMU con el tamaño de una pelota de baloncesto (> 100 libras (lb),> 200 vatios) que guiaron a los astronautas a la Luna hace solo 50 años cumplidos el mes pasado (julio de 2019), e incluso los giroscopios láser de anillo (RLG) y los giroscopios de fibra óptica (FOG) que maduraron en la década de 1980.

Súbitamente, se tienen pequeñas IMU que podrían usarse en aplicaciones de aceleración o posicionamiento previamente intocables, así como ser los núcleos guía para drones. Por ejemplo, el LSM6DSOXTR de STMicroelectronics es una IMU de tres ejes (rangos de escala completa de ± 2 / ± 4 / ± 8 / ± 16 g) en un paquete de 14 cables que mide solo 2.5 mm × 3 mm × 0.83 mm, requiriendo solo 0.55 miliamperios (mA). Viene con interfaces SPI e I2C.

¡No hay nada mejor que eso! Pronto se usaron otros acelerómetros para la estabilización electrónica de la imagen, con lo cual se resolvió un problema que anteriormente requería de una plataforma en suspensión cardán estabilizada por un giroscopio mecánico. Algunas ideas fueron adaptadas para micrófonos MEMS, que son algo similares a los acelerómetros en principio, o incluso a la implementación real.

Las innovaciones de MEMS y sus aplicaciones recién comienzan

Al observar estos ejemplos, puede parecer que el alcance de la tecnología MEMS se limita a la aceleración en varios aspectos, pero ese no es el caso en absoluto. Los dispositivos MEMS ahora se usan para muchas aplicaciones que no están relacionadas con la aceleración.

Por ejemplo, Texas Instruments fue pionera en dirigir la luz a través de microespejos en circuitos integrados (IC) de procesamiento de luz digital (DLP), inicialmente dirigidos a pantallas grandes y picoproyectores. Su DLP6500 tiene una matriz de 1080p (1920 × 1080), con más de dos millones de microespejos, y se puede utilizar como un modulador de luz espacial (SLM) para controlar la amplitud, dirección o fase de luz entrante (Figura 2).

Figura 2: El IC DLP DLP6500 de Texas Instruments proporciona dirección y control del haz de luz totalmente direccionables y controlados con precisión sobre dos millones de píxeles en una matriz. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Más allá de la proyección básica, TI ha anunciado una muy nueva versión de una vieja idea: dirigir los faros delanteros de un automóvil con la dirección del volante (¡propuesto por primera vez para el automóvil Tucker 48 a finales de la década de 1940!). Su DLP5531 es un dispositivo de dirección electrónico basado en MEMS que elimina la necesidad de engranajes, motores y rodamientos y ofrece una capacidad de programación completa, junto con una alta resolución de más de un millón de píxeles direccionables por faro delantero.

Para el mundo RF no óptico, Analog Devices ofrece el interruptor tipo palanca de un solo tiro (4PST) MEMS ADGM1004 de cuatro polos, que ocupa señales RF con ancho de banda de 0 Hertz (Hz) (CC) a 13 gigahercios (GHz) (Figura 3). Con sus interruptores de contacto bidireccionales con punta de metal, su uso en un circuito permite enrutar una señal RF a uno de los cuatro puertos de salida o seleccionar una de las cuatro señales de entrada para ir hacia la salida. Estos interruptores encuentran un amplio uso en muchos puntos a lo largo de la cadena de señal RF, o en matrices y bases de prueba.

Figura 3: Analog Devices amplió los fundamentos de la tecnología MEMS para crear una estructura de palanca que proporciona cierres de contacto de metal sobre metal para un conmutador RF 4PST, con un ancho de banda de CC a 13 GHz. (Fuente de la imagen: Dispositivos analógicos)

Los equipos de investigación de las universidades también se encuentran utilizando la tecnología MEMS como una base única para construir dispositivos que de otro modo no podrían fabricarse. El programa internacional Accelerator on a Chip (AChIP) es un proyecto mundial (financiado por la Fundación Gordon y Betty Moore en los EE. UU.) que intenta crear un pequeño acelerador de electrones basado en silicio que pueda convertir pulsos de electrones de femtosegundos a attosegundos (10-15 a 10-18 segundos) con hasta un megaelectrón voltio (MeV) de energía, y hacerlo desde un chip de silicio; en agudo contraste con las estructuras de una milla de largo actualmente necesarias.

Existe una amplia discusión sobre el proyecto en "Photonics-based laser-driven particle acceleration: from proof-of-concept structures to the accelerometer on a chip” (Aceleración de partículas impulsada por láseres basados en fotónica” desde estructuras de prueba de concepto hasta el acelerómetro en un chip) y un aspecto del proyecto se describe en detalle en un artículo titulado “Alternating-Phase Focusing for Dielectric-Laser Acceleration” (Enfoque de fases alternas para la aceleración del láser dieléctrico) publicado en Physical Review Letters. En él, los ingenieros del grupo de física del acelerador en el proyecto de TU Darmstadt describen cómo han creado un pequeño canal MEMS y nuevos métodos de enfoque de haz de electrones para reemplazar el planteamiento del enfoque magnético tradicional, que sería demasiado débil aquí (Figura 4).

Figura 4: La estructura de doble pilar fabricada en silicio utiliza un control de fases óptico basado en láser para enfocar las zonas de aceleración y desaceleración de electrones. (Fuente de la imagen: TU Darmstadt)

Otro proyecto innovador de MEMS apunta al mundo más mundano de Internet de las cosas (IoT). Un equipo de la Northeastern University ha desarrollado un interruptor basado en MEMS que consume cero nivel de energía cuando está en modo de espera inactivo, pero se "despertará" cuando se active al encender la luz infrarroja (IR) (Figura 5). El fotoconmutador micromecánico (PMP) mejorado plasmónicamente del equipo hace esto al transformar la pequeña cantidad de energía fotónica dentro de las bandas espectrales definidas para activar un mecanismo MEMS. Cuando se elimina la energía IR activadora, el interruptor se apaga solo.

Figura 5: Cada palanca del PMP consta de un cabezal, un par interno de patas bimateriales térmicamente sensibles para la actuación, un par externo de patas bimateriales idénticas para compensación de temperatura y tensión y un par de enlaces de aislamiento térmico que conectan la pata interna y la externa (a). Ilustración conceptual de un rayo de luz que incide en cuatro PMP, cada uno "sintonizado" a diferentes bandas de radiación infrarroja (b). Imágenes de microscopio electrónico de barrido pseudocoloreado de un "mecanismo" real de interruptor PMP fabricado, con vistas magnificadas resaltadas del absorbedor plasmónico, la punta de contacto en forma de cuenco y el extremo de una pata bimaterial con capas de Al y SiO2 autoalineadas (c). (Fuente de la imagen: Northeastern University / Nature Nanotechnology)

Su artículo “Zero-power infrared digitizers based on plasmonically enhanced  micromechanical photoswitches” (Digitalizadores infrarrojos de potencia cero basados en fotointerruptores micromecánicos mejorados plasmónicamente), en Nature Nanotechnology, proporciona detalles técnicos completos. La física de transformar la absorción IR se basa en plasmones, que son las ondas de electrones que se mueven a lo largo de la superficie de un metal después de que ha sido golpeado por los fotones. El absorbente plasmónico se fabrica como una pila de tres materiales, con una capa dieléctrica de 100 nanómetros (nm) intercalada dentro de una matriz de nanoparches de oro de 50 nm en la parte superior y una placa de platino de 100 nm en la parte inferior (ver Figura 5, otra vez). Los interruptores toman energía de la radiación electromagnética IR a longitudes de onda específicas y dirigidas y la usan para cerrar mecánicamente los contactos de los interruptores.

Conclusión

La tecnología basada en MEMS ha recorrido un largo camino desde sus inicios como un sensor acelerómetro para la activación de bolsas de aire. Se ha ampliado y transformado para admitir diversas aplicaciones, incluida la manipulación del haz de luz a través de microespejos e interruptores de RF basados en contacto. Al mismo tiempo, la investigación universitaria de vanguardia está llevando a MEMS aún más lejos hasta situaciones científicas mundanas y esotéricas. Las posibilidades son, para usar un cliché, limitadas solo por la imaginación y los esfuerzos de aquellos que hacen avanzar la tecnología y las herramientas MEMS.

 

Referencias:

1 - Analog Services, hoja de datos de ADXL50 (obsoleta)

2 - Patrick L. Walter, “The History of the Accelerometer: 1920s-1996 – Prologue and Epilogue, 2006” (Historia del acelerómetro: 1920-1996 – Prólogo y epílogo 2006) Sound and Vibration, enero de 2007.

3 – Tekla S. Perry, “Kurt Petersen, 2019 IEEE Medal of Honor Recipient, Is Mr. MEMS” (Kurt Petersen, beneficiario de la Medalla de Honor IEEE 2019, es Mr. MEMS) IEEE Spectrum, mayo de 2019.

Acerca de este autor

Image of Bill Schweber

Bill Schweber es un ingeniero electrónico que ha escrito tres libros sobre sistemas de comunicaciones electrónicas, así como cientos de artículos técnicos, columnas de opinión y características del producto. Anteriormente, se desempeñó como administrador técnico de sitios web para diferentes sitios de temas específicos de EE Times, así como editor ejecutivo y editor analógico en EDN.

En Analog Devices, Inc. (un proveedor líder de circuitos integrados analógicos y de señales mixtas), Bill trabajó en comunicaciones de mercadeo (relaciones públicas); como consecuencia, ha estado en ambos lados de la función técnica de relaciones públicas, ha presentado productos, historias y mensajes de la compañía a los medios y también ha sido destinatario de estos.

Antes de ocupar el puesto de MarCom en Analog, Bill fue editor asociado de su respetada revista técnica y también trabajó en sus grupos de mercadeo de productos e ingeniería de aplicaciones. Antes de dichas funciones, Bill trabajó en Instron Corp., donde realizaba prácticas de diseño analógico y de circuitos de alimentación e integración de sistemas para los controles de máquinas de prueba de materiales.

Tiene una maestría en Ciencias en Ingeniería Eléctrica (MSEE) (Universidad de Massachusetts) y una licenciatura en Ingeniería Eléctrica (BSEE) (Universidad de Columbia), es un ingeniero profesional registrado y posee una licencia de radio para aficionados de clase avanzada. Además, Bill planificó, escribió y presentó cursos en línea sobre una variedad de temas de ingeniería, incluidos los conceptos básicos de MOSFET, la selección de ADC y los LED de conducción.

More posts by Bill Schweber