En la informática y la electrónica modernas, el transistor tiende a llevarse el crédito, y con razón.
Es el cambio fundamental de la era digital del que depende en última instancia cada procesador, chip de memoria y sistema digital.
CEO y cofundador de SonicEdge Ltd
Pero junto a ella, construida a partir del mismo silicio, hay una tecnología paralela que está mucho menos enfocada, pero que sigue la misma lógica: si puedes grabar un transistor en silicio, puedes grabar cualquier cosa.
Ese campo son los sistemas microelectromecánicos: MEMS.
El silicio como material mecánico.
Un cambio decisivo en la forma de pensar sobre las capacidades del silicio se produjo en 1982, cuando Kurt Petersen publicó “El silicio como material mecánico”; hasta ese momento, el silicio se había considerado casi exclusivamente un material eléctrico. La idea de Petersen era engañosamente simple: los mismos procesos fotolitográficos utilizados para fabricar transistores también podrían usarse para crear estructuras mecánicas microscópicas que se flexionan, bombean, resuenan y desvían.
Este cambio creó una nueva categoría: MEMS En lugar de ensamblar piezas mecánicas, los ingenieros ahora pueden construirlas utilizando procesos semiconductores, junto con la electrónica que interpreta sus señales. Sin embargo, MEMS no es exclusivamente una tecnología de silicio.
Los dispositivos también pueden fabricarse a partir de vidrio, cerámica piezoeléctrica, polímeros y semiconductores compuestos, dependiendo de las necesidades de la física individual, pero el silicio domina el espacio porque se encuentra dentro de un ecosistema de fabricación global: ya existe una cadena de suministro escalable y rentable.
Primera ola comercial
MEMS estableció su valor (fuera del entorno de laboratorio) en aplicaciones donde el tamaño y la precisión eran críticos para una operación exitosa.
Los cabezales de impresión de inyección de tinta fueron lo primero: boquillas, cámaras y elementos calefactores microscópicos expulsaban gotas de tinta con una precisión submilimétrica. Con la aplicación de la tecnología MEMS, los complejos sistemas mecánicos anteriores del dispositivo se han convertido en un dispositivo fluídico de estado sólido construido como un chip.
Un segundo avance en MEMS está en la seguridad automotriz, en forma de acelerómetros de bolsas de aire. Antes de MEMS, la detección de accidentes se basaba en sistemas mecánicos como Rollamite, un rodillo dentro de una banda tensada. También era mecánicamente complejo y, en consecuencia, susceptible al desgaste y difícil de producir en masa de forma segura.
En 1991, Analog Devices introdujo un chip MEMS: una pequeña masa suspendida que se mueve bajo una aceleración repentina y cuya señal, si se procesa electrónicamente, puede desencadenar el despliegue de una bolsa de aire en milisegundos. Esta opción era más pequeña, más rápida, más confiable y mucho más fácil de construir a escala, lo que permitió que los sensores basados en MEMS reemplazaran rápidamente los sistemas mecánicos de detección de accidentes en vehículos del mercado masivo.
Infraestructura invisible
Una vez que MEMS demostró ser confiable a escala, la tecnología comenzó a impregnar el núcleo de la electrónica moderna.
Un ejemplo definitorio es el dispositivo de microespejo digital (DMD), desarrollado por Larry Hornbeck en Texas Instruments. El dispositivo consta de millones de espejos microscópicos, cada uno de ellos orientable individualmente mediante una fuerza electrostática, que cambia a velocidades de kilohercios. Cada espejo representa un píxel de luz controlable y es la base de la proyección con procesamiento de luz digital (DLP), que actualmente se utiliza en muchas pantallas de cine y proyectores de oficina. La tecnología es invisible para el usuario final pero esencial para el sistema.
Hoy en día, la tecnología MEMS sustenta muchos dispositivos electrónicos modernos y supera rápidamente las arquitecturas heredadas anteriores:
1. Detección de movimiento en teléfonos inteligentes y dispositivos portátiles, como giroscopios y acelerómetros
2. Filtros de RF y conmutación de banda en comunicaciones móviles
3. Osciladores que reemplazan a los cristales de cuarzo en dispositivos de cronometraje compactos.
4. Los chips de microfluidos impulsan la química a escala celular
5. Conmutadores ópticos MEMS AI que enrutan la luz entre fibras dentro del centro de datos
La base de fabricación que permite esta escala es el proceso de grabado de iones reactivos profundos de Franz Lammer, desarrollado en Bosch en la década de 1990. La técnica permite producir estructuras de silicio precisas y de alta relación de aspecto a escala industrial, un imperativo para los flujos de trabajo de fabricación de MEMS modernos.
Micrófono: Patrón
Aunque los sistemas descritos anteriormente están construidos con MEMS como núcleo, la tecnología se hizo visible por primera vez para los consumidores a través de micrófonos.
Los micrófonos MEMS se introdujeron a principios de la década de 2000 y ofrecían algo que sus predecesores no podían ofrecer: uniformidad a escala de oblea y unidades consistentes de series de producción únicas, hasta un grado que ninguna tecnología de micrófono anterior podía alcanzar. Esta continuidad ha cambiado el diseño del sistema.
En aquella época los teléfonos móviles solían tener micrófono. Hoy en día suelen tener varios. De manera similar, los audífonos tienen múltiples micrófonos, los vehículos modernos combinan más de ocho y los dispositivos de próxima generación, como las gafas inteligentes, están avanzando hacia números aún mayores. Esta integración tiene como objetivo habilitar capacidades como una formación de haz superior, cancelación activa de ruido y aislamiento espacial de voz, y está impulsada por la economía.
MEMS hizo que cada micrófono adicional fuera lo suficientemente barato como para que agregarlo se convirtiera en el siguiente paso lógico; Los diseñadores de productos ahora han pasado de “un mejor micrófono” a arquitecturas de detección distribuidas.
Altavoces MEMS: repensando cómo se produce el sonido
Si los micrófonos fueron un éxito temprano, los parlantes fueron la próxima frontera MEMS y el problema más difícil de resolver.
Esto se reduce a cómo se genera la palabra. El sonido audible requiere mover un volumen significativo de aire, y el aire en movimiento exige un desplazamiento físico en una escala para la cual las estructuras rígidas de silicio no están optimizadas. Cada intento de transferir el modelo de altavoz convencional a un factor de forma MEMS se topa con la misma limitación: una membrana microfabricada rígida no puede mover suficiente aire.
La solución pasa por abandonar por completo el modelo convencional.
La membrana de un altavoz convencional empuja el aire cientos de veces por segundo y debe ser lo suficientemente grande para hacerlo. La arquitectura MEMS reemplaza esa membrana con una bomba de aire ultrasónica (una membrana pequeña y rígida conectada a una válvula acústica, que realiza ciclos simultáneamente varios miles de veces por segundo), reemplazando el tamaño por la velocidad.
Lo que la membrana pierde en desplazamiento, lo recupera en frecuencia, proporcionando la misma salida acústica desde una estructura de una fracción del tamaño. La dureza del silicio se ha convertido ahora en una ventaja; Esto permite un funcionamiento preciso, estable y de alta frecuencia sin distorsión mecánica ni fatiga.
El resultado es un altavoz que ofrece audio de rango completo a partir de un componente a escala de chip, fabricado mediante procesos MEMS estándar. Esto desbloquea nuevos factores de forma y capacidades de dispositivos, que incluyen: dispositivos internos ultracompactos, sistemas de audio invisibles y tecnología de asistencia que parece más accesorios elegantes que dispositivos de salud voluminosos.
Con los parlantes MEMS, el audio ya no está limitado por el tamaño del diafragma y los dispositivos ahora pueden definirse por la función que brindan, no por la potencia limitada por su tamaño.
Mucho espacio
La tecnología MEMS ha mostrado un patrón constante: cuando los sistemas mecánicos se rediseñan a escala microscópica, cambian categorías de productos enteras.
Por ejemplo, el conjunto de microespejos de Larry Hornbeck se convirtió en la base de los sistemas de proyección modernos. Los acelerómetros han pasado de ser conjuntos mecánicos voluminosos a chips invisibles dentro de los teléfonos inteligentes.
Hoy en día, MEMS se está expandiendo a nuevos dominios que incluyen detección avanzada, enrutamiento óptico, sistemas médicos y arquitecturas electromecánicas híbridas.
Lo que comenzó como una extensión de la fabricación de semiconductores se está convirtiendo ahora en su propio paradigma de diseño, integrando las disciplinas separadas de la mecánica y la electrónica.
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