Tecnologia MEMS

La tecnologia MEMS (acronimo di Micro Electro Mechanical Systems) è una tecnologia di fabbricazione di dispositivi microelettronici che, unendo i principi della tecnologia elettronica basata sul silicio con la micromachining, consente di realizzare dispositivi “intelligenti” ad elevata integrazione tra circuiti elettronici e dispositivi opto-meccanici, su uno stesso chip. I notevoli vantaggi di questa tecnologia sono: il minor assorbimento di energia, minor peso e dimensioni ridottissime, migliori prestazioni, minor costo e maggiori affidabilità e prestazioni.

Metodi di produzione dei dispositivi MEMS

Le tecniche comunemente impiegate per la produzione di dispositivi MEMS sono le seguenti:

  • bulk micromachining: una struttura micromeccanica in 3D viene realizzata direttamente sul wafer di silicio mediante la rimozione selettiva di porzioni di substrato
  • surface micromachining: è basata sulla deposizione di alcuni layer sul substrato, e sulla successiva definizione della struttura micromeccanica mediante l’utilizzo di tecniche fotolitografiche
  • tecnica LIGA (acronimo di Roentgen LItography GAlvanic Abformung): si articola sulle seguenti tre fasi: litografia, deposizione, e molding. Il suo vantaggio è quello di permettere l’utilizzo di materiali diversi dal silicio quali ad esempio i polimeri ed i metalli, e di ottenere strutture con un elevato fattore di forma.

La fabbricazione dei MEMS si articola, invece, su tre distinti processi:

  1. deposizione: consiste nella capacità di deporre sottili pellicole di materiale sul substrato (le dimensioni variano tra pochi nanometri e 100 micrometri) e può essere ottenuta tramite reazioni chimiche (deposizione chimica di vapori, elettrodeposizione, epitassia, ossidazione termica) o per mezzo di reazioni fisiche (deposizione fisica di vapori e casting);
  2. etching: consiste in un processo con il quale porzioni prescelte della pellicola oppure del substrato stesso vengono rimosse allo scopo di ottenere la struttura MEMS desiderata. Esistono due tipi di etching: wet etching e dry etching. Con il primo il materiale viene dissolto immergendolo in una soluzione chimica, mentre con il secondo viene dissolto tramite l’impiego di ioni reattivi o di vapore. Un tipo particolare di dry etching prende il nome di DRIE (acronimo di Deep Reactive Ion Etching) e sta aumentando rapidamente la sua popolarità. Esso fu sviluppato negli anni ’90 in Germania presso la Bosch (per questo motivo viene semplicemente denominato “processo Bosch”) ed è basato sull’alternanza di due diversi tipi di gas nel reattore. Questo processo è in grado di ottenere agevolmente un fattore di forma di 50 a 1, anche se implica dei costi maggiori rispetto al processo di wet etching;
  3. litografia: è il principale tipo di processo adottato per la definizione dei pattern nella micromachining. Se applicato ai MEMS consiste nell’esposizione selettiva ad una sorgente di radiazione (tipicamente la luce ad una certa lunghezza d’onda) di un materiale fotosensibile depositato sul substrato. I confini delle regioni da esporre vengono definiti applicando un’opportuno mascheramento al substrato prima dell’esposizione. Un tipico materiale fotosensibile adottato è il comune photoresist.

Applicazione della tecnologia MEMS

I dispositivi MEMS attualmente prodotti o in avanzato stato di sviluppo possono essere suddivisi nelle seguenti categorie:

  • sensori ed attuatori (di velocità, peso/forza, pressione, accelerometri, giroscopi): i sensori di pressione MEMS trovano applicazione nel settore militare, aerospaziale, automotive e biomedicale. Gli accelerometri ed i giroscopi sono soprattutto impiegati nei sistemi airbag per autovetture, anche nel settore delle consolle per videogiochi. I sensori di velocità furono introdotti negli anni ’90 e trovano impiego sia nel settore automotive (sistemi di controllo della stabilità, sensori di pressione dei pneumatici, ricevitori GPS) che nei prodotti elettronici di largo consumo (controllo della stabilità nelle macchine fotografiche, ricevitori GPS per telefoni cellulari). I sensori di peso e forza sono adottati per la costruzione di bilance per uso domestico. Gli attuatori servono per generare il movimento o la forza in grado di muovere altri componenti MEMS. Possono essere suddivisi in attuatori di tipo elettrostatico e di tipo termico. Nei primi, un campo elettrico viene applicato tra una struttura fissa ed una mobile, solitamente interlacciate in modo tale da creare una figura a “pettine”.
  • per impieghi in radio frequenza: vengono impiegati principalmente nei telefoni cellulari, nei telefoni cordless, e nei ricevitori GPS. Essi presentano delle rimarchevoli proprietà in termini di: dimensioni estremamente ridotte, ampia larghezza di banda, basso costo e un elevatissimo rapporto segnale/rumore, fondamentale in tutte le applicazioni in radio frequenza. Questo tipo di MEMS si sta diffondendo rapidamente e sta sostituendo le tradizionali soluzioni realizzate in tecnologia allo stato solido;
  • ottici: servono per guidare, amplificare od attenuare, e riflettere un segnale ottico di una certa lunghezza d’onda. Vengono utilizzati soprattutto nella realizzazione di switch ottici e moduli ottici per sistemi di trasmissione su fibra ottica. Nei comuni switch ottici e sistemi per la cross-connessione dei canali DWDM esiste la necessità di modificare e controllare il cammino ottico della luce: ciò viene ottenuto tramite l’impiego di micro specchi realizzati in tecnologia MEMS.
  • a microfluido e bio-MEMS: i MEMS a micro fluido sono dispositivi progettati per operare con i fluidi ad un livello microscopico. Tipiche applicazioni di questo tipo di MEMS sono: valvole, pompe, iniettori (grandi quantità di questo tipo di dispositivo sono impiegate per la realizzazione di stampanti a getto d’inchiostro). I bio-MEMS, invece, sono simili ai MEMS a micro fluido, con la differenza che sono stati concepiti per lavorare con fluidi di natura biologica, tipicamente il sangue. I bio-MEMS trovano il principale impiego nei settori biomedicale e sanitario.