Układy MEMS (ang. Micro Electro-Mechanical Systems) to miniaturowe urządzenia elektromechaniczne. Łączą w sobie elementy mechaniczne i elektroniczne, ale wykonane w miniaturowej skali. Mają mikrometrowe rozmiary, a wraz z postępem technologicznym powstają coraz mniejsze konstrukcje, które określa się niekiedy jako NEMS (ang. Nano Electro-Mechanical Systems). W ostatnich latach zainteresowanie układami MEMS systematycznie rośnie. Wiąże się to z postępującą miniaturyzacją urządzeń i potrzebą ograniczania kosztów produkcji oraz popularyzacją Internetu Rzeczy.

Same korzyści
Integracja elementów elektronicznych z mechanicznymi w miniaturowej skali daje wiele korzyści. Poza małymi rozmiarami, a co za tym idzie – niewielkim ciężarem i mniejszym zużyciem materiałów do ich produkcji, miniaturowe układy mechaniczne szybciej się poruszają, dodatkowo można je łatwo przyspieszać i zatrzymywać dzięki małej inercji. W mniejszym stopniu ulegają zmianom pod wpływem temperatury i są odporne na wibracje. Układy MEMS świetnie sprawdzają się tam, gdzie za pomocą praw mechaniki da się zrealizować zadanie, które nie wymaga działania dużej siły.

Do wykonywania układów MEMS można wykorzystać technologie stosowane podczas produkcji scalonych układów elektronicznych, a w konsekwencji możliwe jest wytworzenie zintegrowanych układów elektroniczno-mechanicznych, zamkniętych w jednej, niewielkiej obudowie. Integracja poszczególnych elementów systemu w jednym układzie scalonym pozwala znacząco zmniejszyć liczbę zewnętrznych kabli i połączeń, które najbardziej wpływają na zawodność urządzeń elektronicznych.

Coraz więcej obszarów zastosowania
MEMS-y mogą pełnić wiele różnych funkcji w układach elektronicznych. Najczęściej służą jako czujniki, aktuatory (układy wykonawcze) lub pomagają kondycjonować sygnały odbierane z czujników. Można je nazwać przetwornikami, czyli elementami, które przekształcają sygnał lub energię jednego typu na inny. Dzięki połączeniu w elektromechanicznej budowie mogą przetwarzać nie tylko energię elektryczną i magnetyczną, ale także mechaniczną, termiczną, a nawet chemiczną i radiacyjną, tzn. wpływać na natężenie promieniowania elektromagnetycznego czy długości lub fazy rozchodzących się fal elektromagnetycznych.

Głównymi sektorami przyczyniającymi się do rozwoju czujników MEMS są: rynek urządzeń mobilnych i typu smart, rynek gier oraz Internet Rzeczy. W ostatnich latach pojawiło się wiele czujników zaprojektowanych pod kątem interaktywnych gier wideo i smartfonów, czyli akcelerometrów i żyroskopów. Do typowych zastosowań czujników należy też wykrywanie i pomiary ruchu, nawigacja, śledzenie aktywności, czujniki ciśnieniowe, czyli wysokościomierze lub mikrofony oraz wizyjne systemy śledzenia i interpretacji gestów wykonywanych ręka mi. Czujniki MEMS to „organy zmysłów“ wielu urządzeń. W czujniki tego rodzaju można wyposażać także maszyny. Służą one do rejestrowania stanu maszyny i rozpoznawania zmian lub odchyleń, które mogą sygnalizować usterki. Przez Internet informacje z czujników można przesyłać do dowolnego miejsca na świecie. Kolejnym ważnym sektorem, w którym stosuje się na coraz większą skalę czujniki MEMS jest elektronika samochodowa, w której mikrosystemy są wykorzystywane w aplikacjach związanych z bezpieczeństwem. Przykładowo czujniki przyspieszenia stosowane są do wykrywania kolizji. Tradycyjne czujniki przyspieszenia stosowane w samochodach montowane były w przedniej jego części i podłączane do układów elektronicznych umieszczonych przy poduszce powietrznej. Czujniki wykonane w technologii MEMS umożliwiają integrację elementu wykrywającego zmiany przyspieszenia, jego przetworników i elektroniki sterującej napełnieniem poduszki powietrznej. Dzięki temu koszt elektroniki obsługującej poduszki powietrzne zmalał nawet 10-krotnie. Poza tym czujniki MEMS są dużo mniejsze, co pozwala ograniczyć łączną masę pojazdu.

MEMS-y znajdują zastosowanie m.in. w coraz bardziej popularnych układach wspomagania kierowcy (ADAS), a także samochodach elektrycznych i hybrydowych (HEV). Firma Robert Bosch skonstruowała m.in. układ MEMS, który można wykorzystać np. do stabilizacji obrazu wyświetlaczy HUD na szybie przedniej, w systemach do nawigacji oraz telematycznych systemach kontroli ruchu. Poza tym układy MEMS spotkamy w modułach autofocus do aparatów fotograficznych, mikrogłośnikach, systemach do energy harvesting, czyli pozyskiwania energii wolnodostępnej na potrzeby wszelkiego rodzaju urządzeń bezprzewodowych. Rośnie też popyt na czujniki ciśnienia do nawigacji wewnątrzbudynkowej oraz domowe czujniki wilgotności. MEMS-y coraz częściej znajdują zastosowanie także w nauce. Powstają miniaturowe laboratoria (lab-on- -chip), czyli układy, które szybko i precyzyjnie analizują różnorodne substancje. Zawierają one małe pompy i zestawy różnych sensorów, które pozwalają nawet na analizę krwi, DNA lub wczesną diagnostykę chorób.

Problemy konstruktorów
Technologia MEMS jest już powszechnie wykorzystywana w niektórych zastosowaniach, aby jednak rozszerzyć spektrum elementów i układów mikroelektromechanicznych, należy zdawać sobie sprawę z problemów, jakie napotykają konstruktorzy. Pierwszym z nich jest dostępność technologii produkcji. Na rynku powstało bardzo dużo firm, które opracowują własne projekty. Jednak wytworzenie prototypów jest bardzo kosztowne i ogranicza tempo tworzenia nowych produktów – każdy błąd w projekcie może być wyjątkowo kosztowny dla producenta, więc jego opracowywanie musi być dokładne.

Drugi problem dotyczy dobrania technologii do konkretnego zastosowania. Projektowanie klasycznych układów scalonych może odbywać się niemalże w oderwaniu od technologii, w której zostaną zbudowane, jednak w przypadku MEMS-ów wybór technologii wpływa na ewentualny sukces produktu. Poszukiwanie odpowiedniej technologii może być jednym z bardziej czasochłonnych elementów całego projektu.

Trzecią przeszkodą na drodze do zwiększenia dostępności i popularności MEMS-ów jest obudowa, w jakiej są one zamykane. Ponieważ bardzo często elementy MEMS muszą mieć bezpośredni kontakt z otaczającym je środowiskiem, nie mogą być szczelnie zalewane jak klasyczne układy scalone. Obecnie tworzy się specjalizowane obudowy przystosowane do umieszczenia w nich poszczególnych MEMS-ów, a to także mocno wpływa na czas potrzebny na projektowanie. Konstruktorzy dążą zatem do opracowania uniwersalnych obudów, które będą przystosowane do wielu typów układów.

Rynek układów MEMS rośnie w bardzo szybkim tempie. Analitycy z francuskiej agencji Yole Developpement w raporcie na temat przemysłu MEMS szacują, że w 2020 roku na całym świecie 30 mld urządzeń będzie wyposażonych w układy MEMS, a globalny rynek tych urządzeń osiągnie w 2020 r. wartość ok. 20 mld dolarów. Jednocześnie wraz z upowszechnieniem MEMS-ów będą spadać ich ceny. Dzięki temu niebawem coraz więcej urządzeń powszechnego użytku, przemysłowych i stosowanych w ośrodkach badawczych wyposażonych będzie w miniaturowej wielkości układy o ogromnych możliwościach.