8/17/2019 Lectia 10_1350974842033

1/9

Lecţia 10

Sisteme microelectromecanice. Exemple, aplicaţii I.

1. Conceptul de microsistem

Microsistemele  sunt sisteme tehnice realizate cu ajutorul microtehnologiilor şi care pot

 îndeplini funcţii multiple într-un spaţiu redus.

Structura unui microsistem este determinată de funcţiile sale şi anume: 

- detectarea, prelucrarea şi evaluarea semnalelor externe;

- luarea unor decizii pe baza informaţiilor receptate;

- transformarea deciziilor în comenzi corespunzătoare pentru actuatori.

Fig. 1. Componentele unui microsistem

Componentele unui microsistem

Senzorii se realizează în prezent pe un substrat, integraţi într-o matrice senzorială. In funcţie

de aplicaţia acestora, pot utiliza principii mecanice, termice, magnetice, chimice sau biologice.

 Actuatorii sunt elemente active ale unui microsistem care permit acestuia să reacţioneze la un

stimul (de exemplu: micromotoare, micropompe, supape, întrerupătoare, relee). Spre deosebire

de miniaturizarea senzorilor care este posibilă  în prezent, miniaturizarea actuatorilor este o

8/17/2019 Lectia 10_1350974842033

2/9

direcţie de cercetare care trebuie să  rezolve aspecte multiple privind atât materialele cât şi

tehnologiile de realizare ale acestora.

 Modulul de prelucrare a informa ţ iilor  şi control al sistemelor are funcţii complexe şi este

limitat din punct de vedere al dimensiunilor şi al consumului de putere. Algoritmii de control

trebuie adaptaţi la necesităţile şi specificul microsistemelor. Interfa ţ a cu alte procese sau sisteme asigură schimbul de energie, informaţie şi substanţă. Se

consideră că fezabilitatea şi succesul pe piaţă a viitoarelor microsisteme depinde de dezvoltarea

interfeţelor practice micro-macro.

În prezent, se bucură de un mare interes interfaţa electrică (pentru transmiterea informaţiilor şi

energiei). Sunt studiate diverse posibilităţi de realizare a interfeţelor pe cale optică, termică,

acustică etc. Până  în prezent, singura metodă utilizată pentru transferul de substanţă este cea cu

ajutorul unor elemente specifice micro-fluidicii.Convertoarele A/D şi D/A fac deseori parte integrantă  din interfaţa electrică. Ele permit

conversia semnalelor analogice date de senzori în semnale ce pot fi prelucrate digital precum şi

controlul analog al actuatorilor utilizând comenzi digitale generate de microcontroler. În cazul

microsistemelor cu structură  descentralizată, echipate cu senzori şi actuatori inteligenţi (cu

propriile microcontrolere), convertoarele A/D şi D/A pot fi integrate direct pe chip-urile

microsenzorilor sau microactuatorilor.

Componentele pentru electronica de putere sunt esenţiale pentru orice microsistern, ele ridicând

deseori probleme electromagnetice sau termice de care trebuie să  se ţină  seama în faza de

proiectare.

Componentele de prelucrare a informa ţ iei generează  semnale electrice pentru controlul

actuatorilor utilizând datele de la senzori: Un ciclu de prelucrare a informaţiilor cuprinde:

captarea lor, transformarea, stocarea, evaluarea  şi generarea de semnale. 

Semnalele de la diferiţi senzori sunt digitalizate cu un convertor A/D şi amplificate;

semnalele prelucrate servesc ca şi semnale de control pentru actuatori.

Microsistemele pot fi auto-monitorizate şi testate de propriile unităţi de control şi pot comunica

cu alte sisteme şi microsisteme, dacă este necesar.

Microroboţii sunt reprezentanţi importanţi ai microsistemelor. Microroboţii sunt microsisteme

ce au volumul sub l cm3. Dimensiunile diferite ale roboţilor miniaturizaţi, ale mini şi

microroboţilor sunt determinate de aplicaţiile lor diferite şi implică  tehnologii de realizare,

metode de măsurare, control şi de asamblare diferite. Din punct de vedere tehnologic este dificil de

delimitat o tipologie specifică mini şi microroboţilor, totuşi se pot identifica două clase distincte: 

a) microrobo ţ ii de tip clasic la care arhitectura este cea a roboţilor industriali şi

manipulatoarelor, fiind obţinută  prin miniaturizarea sau integrarea elementelor componente.

8/17/2019 Lectia 10_1350974842033

3/9

Performanţele lor funcţionale depind nemijlocit de progresele tehnologice în direcţia miniaturizării

senzorilor şi actuatorilor.

b) microrobo ţ ii neconven ţ ionali ce se bazeză  pe principii fizice particulare

(piezoelectricitate, magnetostricţiune, memoria formei, electroreologie). Aceştia utilizează 

proprietăţile mecanice, electrice sau magnetice ale aşa-numitelor materiale "inteligente", ceea cepermite, în final, realizarea unor funcţii specifice roboţilor de tip clasic. Cel mai adesea se obţine

o mobilitate ce determină deplasarea întregului sistem sau a unei părţi a acestuia pe suprafaţa unui

solid, în mediu lichid sau în aer.

Asamblarea microsistemelor, însoţită  de transportul nedistructiv, manipularea precisă  şi

poziţionarea precisă  a microcomponentelor sunt aplicaţii dintre cele mai importante ale

microsistemelor.

O categorie importanta a microsistemelor o constituie MEMS- urile (MicroElectromechanical Systems) cu o mare aplicabilitate in structurile mecatronice din industria

automobilului, instrumentarul medical, informatica, tehnica aerospatiala, robotica: microsisteme

de tip actuatori, micro pompe, micro motoare, micro transmisii cu roti dintate, micro

grippere, sisteme de deplasare pentru micro roboti, micro senzori etc. MEMS-urile sunt

microsisteme obtinute prin integrarea de elemente mecanice, de senzori, actuatori si componente

electronice pe un substrat comun (de regulă  o plăcuţă  de siliciu), prin tehnologii de

microfabricatie specifice.

O clasificare a acestor microsisteme f ăcută de firma SANDIA National Laboratory ( SUA)

pune în evidenţă existenţa a 4 clase de MEMS-uri:

MEMS – clasa I

Cu elemente fixe

MEMS – clasa a II-a

Cu elemente mobiledar f ără alunecaresau contact

MEMS- clasa a III-a

Cu elemente mobileşi cu contacte întreelemente în care sepot dezvoltafenomene de

aderenţă  (stiction)

MEMS – clasa a IV-a

Cu elemente mobile, cumişcare relativă întresuprafeţe şi cu contacte,cu dezvoltareafenomenelor de frecare şi

de aderenţă 

Multe din aceste microsisteme au dimensiuni cu ordinul de marime de aprox. 10-4 – 10-6 m.

Scaderea dimensiunilor elementelor de la milimetri la microni inseamna o reducere a

8/17/2019 Lectia 10_1350974842033

4/9

suprafetelor cu un factor de 106  si a maselor cu un factor de 109. In acest context, pentru

microsistemele din clasa a IV-a, fortele de frecare care sunt direct proportionale cu suprafetele in

contact devin cu trei ordine de marime mai mari decat fortele de inertie, care sunt proportionale

cu masa. In consecinta, microelementele sunt supuse dominant fortelor de suprafata, frecarea

fiind un factor decisiv in functionarea acestor microsisteme. 

2. Materiale pentru construcţia MEMS - urilor

Componentele electronice se realizeaza prin tehnologiile specifice circuitelor integrate in

timp ce componentele micromecanice se realizeaza prin tehnologii de microfabricatie constand

din succesiuni de operaţii de corodare, adăugare de straturi, înlăturare de straturi de

sacrificiu etc.Principalele materiale utilizate in realizarea MEMS-urilor şi exemple de aplicaţii sunt prezentate

in Tabelul 2.1.

Tabelul 2.1: Tipuri de materiale utilizate in realizarea MEMS - urilor

Continuare Tabelul 2.1

Material Caracteristici distincte Exemple de aplicatii

Siliciumonocristalin (Si)

Material electronic deinalta calitate cu

anizotropie selectiva

Senzori piezorezistivi

Siliciu policristalin(polisilice)

Filme de sacrificiuutilizate in fabricareaMEMS

Suprafatamicromasinilor,Actuatori electrostatici

Dioxid siliciu (Si02)

Suprafete insularecompatibile cu polisiliciu

Straturi de sacrificiuutilizate la realizareamicromasinilor,staraturi de pasivare

Nitrura de siliciu

(Si3N4, SixNy)

Suprafete insulare,rezistent

chimic,durabilitatemecanica

Starturi de izolatiepentru dispozitiveelectrostatice, straturide pasivare pentrudipozitive

Germaniupolicristalin (poliGe),Siliciu cu germaniupolicristalin (poliSi-Ge)

Depozitat la temperaturi joase

Suprafete integrateMEMS

Aur (Au), Aluminiu(Al)

Filme fine conductiveStraturi interconectante,straturi de mascare,

intreruptoare mecanice

8/17/2019 Lectia 10_1350974842033

5/9

Continuare Tabelul 2.1 

Materialele utilizate în fabricaţia MEMS-urilor sunt de două feluri: 

•  Materiale utilizate ca substrat

•  Materiale de depunere

A. 

Materiale utilizate ca substrat in fabricatia MEMS-urilor

Materialul de baza utilizat ca substrat este Siliciul. Prezinta urmatoarele avantaje:

-  larg raspandit in fabricatia IC ( circuitelor integrate);

-  bine studiat si exita posibilitatea de a i se controla proprietatile electrice;

-  este economic de produs in forma cristalina;

-  are proprietati mecanice foarte bune ( sub forma de cristal este elastic ca otelul si

mai usor decat aluminiu). Siliciul utilizat in constructia MEMS-urilor se prezinta sub 3 forme:

•  Siliciu cristalin,

•  Siliciu amorf

•  Siliciu policristalin.

Siliciul sub forma cristalina  de inalta puritate se fabrica sub forma de placute circulare cu

diametrul de 100, 150, 200 si 300 mm si cu grosimi diferite.

Siliciul sub forma amorfa  nu are structura regulata cristalina si contine numeroase defecte.Impreuna cu siliciul policristalin se poate depune in straturi subtiri de pana la 5 microni.

Material Caracteristici distincte Exemple de aplicatii

Nichel –fier (NiFe) Aliaj magnetic Actuatori magneticiTitan-nichel (TiNi) Aliaj cu memoria formei Actuatori termiciCarbura de siliciu

(SiC)Diamant

Stabilitate electrica si

mecanica la temperaturainalta, inertia chimica

MEMS de inalta

frecventaGalium arsenid(GaAs), Indiumfosfid (In P),Indium arsenid (InAs)

Fante pentru trecerealuminii

Dispozitiveoptoelectronice

Titanat zirconat(PTZ)

Material piezoelectricSenzori mecanici siactuatori

PoliamideRezistenta chimica,polimer cu temperatura

inalta

MEMS flexibile,bioMEMS

ParilenPolimer biocompatibil,depozitat la temperaturacamerei

Straturi de acoperire,structuri polimerice moi

8/17/2019 Lectia 10_1350974842033

6/9

Siliciul sub forma cristalina are urmatoarele caracteristici fizice:

-  limita de curgere = 7x109 N/m2;

-  modulul de elasticitate E = 1.6 x 10 11 N/m2 

-  densitatea = 2,33 g/cm3 

- 

temperatura de topire = 14100

C.

Exista si alte materiale care se utilizeaza ca substrat in constructia MEMS-urilor: cuarţ, sticla,

materiale ceramice, materiale plastice, polimeri, metale.

Cuarţul se utilizeaza in constructia MEMS-urilor, in primul rand datorita efectului piezoelectric

pe care-l poseda. Este un mineral natural dar, de regula, se utilizeaza quartzul produs sintetic.

Quartzul are urmatoarele caracteristici principale:

-  modulul de elasticitate E = 1.07 x 10 11 N/m2 

- 

densitatea = 2,65 g/cm

3

 

B.  Materiale de depunere utilizate in constructia MEMS-urilor

Exista mai multe tipuri de materiale care se depun sub forma de straturi pe placutile de siliciu:

•  siliciu policristalin, siliciu amorf, biooxid de siliciu (Si O2), nitrura de siliciu (Si3  N4),

oxinitrura de siliciu (SiON);

•  metale (Cu, W, Al, Ti, Au, Ni), compusi metalici ( TiN, ZnO) sau aliaje (TiNi);

•  materiale ceramice ( alumina);

•  polimeri.

3. Exemple şi aplicaţii ale MEMS

3.1. Micromotoare rotative electrostatice

Micromotorul rotativ electrostatic prezentat în fig. 2 are rotorul cu diametrul de 0,13 mm şi este

pus în mişcare de rotaţie de forţele de atracţie electrostatice dezvoltate între rotor şi stator.

Fig. 2. Micromotor rotativ electrostatic

8/17/2019 Lectia 10_1350974842033

7/9

3.2. Microîntreruptoare electrostatice.

In fig.3 se prezintă schema de principiu şi o imagine a a unui microîntreruptor electrostatic iar în

fig.4. este prezentată tehnologia de fabricaţie.

Fig.3. Microîntreruptor electrostatic

Fig.4. Tehnologia de fabrica ţ ie a microîntreruptorului

8/17/2019 Lectia 10_1350974842033

8/9

3.3. Microactuator electrostatic cu frecare

Conform schemei din fig. 5, sub acţiunea câmpului electrostatic, electrodul mobil este atras spre

electrodul fix si, ca urmare a deformatiilor elastice şi a frecării, apare o microdeplasare x a

electrodului mobil. Operaţia se repetă  rezultând în final o deplasare sacadată  cu pasul x a

electrodului mobil.

Fig. 5. Microactuator electrostatic cu frecare

3.4. Micro-valve pneumatice (FhG-IFT).

Sunt valve miniaturizate din polisiliciu, ce au actionare electrostatica, utilizate in ventilatia

aerului. În fig.6 este prezentată o soluţie constructivă  realizată  de Fraunhofer IFT- Germania.

Funcţionarea se bazează pe deformaţia elastică a diafragmei sub acţiunea forţei electrostatice şi

deschiderea ventilului de intrare a fluidului in microcameră. Schimbarea polarităţii la electrozi

conduce la îndepărtarea membranei şi crearea unei presiuni în microcameră, cu deschiderea

ventilului de ieşire.

Fraunhofer IFT

•Jahr:1995

•Medium: Flüssigkeit

•Systemgröße: 7*7*2 mm3

•Betriebsspannung:200 V

•Frequenz:1..1000 Hz

•Druckaufbau:31 kPa

Fig.6. Micro-valvă pneumatică Fraunhofer IFT  

8/17/2019 Lectia 10_1350974842033

9/9

In fig. 7 se prezintă un microventil de gaz acţionat electrostatic şi realizat de firma Honeywell

Inc. 

•Jahr: 1999

•Medium: Gas

•Systemgröße: 3.6*3.6 mm2

•Membrangröße: 350*390 µm2

•Betriebsspannung:30 V

Fig. 7. Microventil de gaz (Honeywell Inc.)

3.5. Microsisteme cu oglinzi mobile (Spatial Light Modulator – SLM)

Fig. 8. Sistem de micro-oglinzi

In fig. 8 este prezentat un sistem Spatial Light Modulator, în care microplăcuţele cu rol de

oglinzi sunt articulate elastic, astfel încât se pot înclina cu un anumit unghi, func ţie de forţele

electrostatice care se dezvoltă. In funcţie de polaritatea realizată, plăcuţele pot fi orientatediferenţiat, reflectând razele luminoase (laser) în direcţii prestabilite, ca în fig. 9.

Fig. 9. Func ţ ionarea sistemului de micro-oglinzi