Modelagem matemática não paramétrica de elastomassas MEMS em colapso utilizando signature

Texto

(1)UNIVERSIDADE REGIONAL DO NOROESTE DO ESTADO DO RIO GRANDE DO SUL. MARCELO TRESSENO. MODELAGEM MATEMÁTICA NÃO PARAMÉTRICA DE ELASTOMASSAS MEMS EM COLAPSO UTILIZANDO SIGNATURE. Dissertação de Mestrado. Ijuí, RS – Brasil Agosto de 2014.

(2) UNIJUÍ - Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul DCEEng - Departamento de Ciências Exatas e Engenharias. MODELAGEM MATEMÁTICA NÃO PARAMÉTRICA DE ELASTOMASSAS MEMS EM COLAPSO UTILIZANDO SIGNATURE. por. MARCELO TRESSENO. Dissertação de Mestrado submetida ao Programa de PósGraduação em Modelagem Matemática da Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul (UNIJUI), como requisito necessário para a obtenção do grau de Mestre em Modelagem Matemática.. Orientador: Dr. Manuel Martín Pérez Reimbold Co-Orientador: Dr. Sandro Sawick. Ijuí, RS – Brasil Agosto de 2014.

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(4) 3. À minha mãe Teresinha Tresseno, mentora e responsável pela minha formação, pelo imensurável amor e incentivo, dedico este trabalho..

(5) AGRADECIMENTOS DEUS: Minha grande fortaleza, onipresente em minha vida, tanto nos sucessos quanto nas frustrações, dando-me proteção, sabedoria e coragem para que eu pudesse chegar até aqui. FAMÍLIA: À minha mãe Teresinha Tresseno. Jamais saberei expressar tudo o que significa para mim! Se agradecesse uma vida toda, ainda não conseguiria manifestar minha gratidão por todo o apoio, amor e carinho que me deste. Obrigado pela confiança, incentivo e paciência. Devo todas as minhas conquistas a você! Muito obrigado MÃE!!! Aos demais familiares que me apoiaram nessa caminhada, em especial aos que estiveram mais próximos: minha querida irmã Kelen Tresseno, tia Iracema Piccoli e meu primo-irmão Sidnei Piccoli. Obrigado por terem acreditado que eu seria capaz! PROFESSORES: A todos os professores que fizeram parte da minha formação colegial, em especial ao Professor Ebraim Mauro dos Santos, minha maior influência na escolha pelas exatas. Aos meus professores da graduação, sinto-me honrado por ter sido aluno de cada um. Em especial aos Professores: Vitor José Petry, Frank Jonis Flores de Almeida e Fernando Tosini, pelo apoio que me concederam desde o ingresso até a conclusão deste Mestrado. Ao meu orientador, pessoa pela qual carregarei imensurável admiração e consideração: Dr. Manuel Martín Pérez Reimbold. Foste mais que orientador, foste um “pai de orientação acadêmica”. A forma exigente, perfeccionista e crítica como orientaste este trabalho foram o “grande chán” para a otimização da minha competência. Obrigado pela força paciência e principalmente pela amizade. A todos os professores do Mestrado em Modelagem Matemática da UNIJUÍ por contribuírem com a minha formação. Em especial, aos professores Dr. Sandro Sawicki pela co-orientação e Dr. Luiz Antônio Rasia por todas as contribuições. À Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul pela bolsa de estudos. AMIGOS E COLEGAS: A todos que me deram força, em especial aos que estiveram mais próximos nesta etapa: Thiago André Carniel, Emerson Luiz Faccin, Rodolfo França de Lima, Marlon Vinicius Machado e Augusto Ost. Obrigado pelo apoio e motivação nos momentos bons e difíceis. À colega Franciele, in memoriam. À Sra. Geni Redin de Quadros pela atenção, disposição e carinho com nós mestrandos. A todos os colegas da turma do Mestrado em Modelagem Matemática de 2012. MUITO OBRIGADO A TODOS!!!.

(6) “Se fiz descobertas valiosas, foi mais por ter paciência do que qualquer outro talento” (Isaac Newton).

(7) RESUMO A tecnologia MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) é inovadora e destaca-se pela ilimitada gama de aplicações, especialmente na concepção de sensores e atuadores. Dessa forma, os MEMS vêm despertando elevado interesse industrial e com isso agregam investimentos significativos, movimentando um mercado de bilhões de dólares anuais. Todavia, as exigências industriais apresentam tendências cada vez mais rigorosas no que se refere à qualidade dos dispositivos. Neste sentido, a qualidade de MEMS é assegurada através da etapa em que os dispositivos são testados. Com o emprego de técnicas de microusinagem, milhões de. dispositivos são fabricados em uma única lâmina de silício. Entretanto, sabe-se que os processos utilizados na fabricação ainda apresentam limitações. Assim, são confeccionadas estruturas avariadas que apresentam falhas durante a operação. Desta forma, o colapso de vigas em elastomassas de microrrotores tem sido uma problemática constante. Assim, tornase necessário desenvolver métodos que favoreçam a identificação desses defeitos antes da comercialização. Este trabalho tem por objetivo a detecção do colapso em vigas de elastomassas através da técnica de signature. Foi realizado o estudo de três tipologias diferentes do núcleo deformável do atuador comb-drive. As elastomassas foram modeladas com o método dos elemento finitos no software ANSYS (Analysis System). Foram realizadas simulações do comportamento da estrutura intacta e danificada para a coleta dos dados referentes a força f (t ) e deslocamento x (t ) . Com os dados coletados, criou-se um banco de assinaturas referente ao comportamento das elastomassas atuando de forma intacta e sob colapso. Para gerar as assinaturas, foi empregado o principio de defasagem das Figuras de Lissajous, buscando associar a singularidade geométrica das assinaturas ao colapso. Assim, para esta finalidade, utilizou-se ferramenta computacional MATLAB (MATrix LABoratory). Através da análise qualitativa dos resultados obtidos, verificou-se tanto a possibilidade de detecção do colapso nas três tipologias quanto a identificação da viga fraturada para cada uma.. Palavras-chave: Comb-drive; detecção de defeitos; micro núcleos deformáveis..

(8) ABSTRACT MEMS technology (Micro-Electro-Mechanical Systems) is innovative and stands out for unlimited range of applications, especially in the design of sensors and actuators. Thus, the MEMS industry have attracted high interest and thereby add significant investments, moving a market of billions of dollars every year. However, the present industrial requirements trends increasingly stringent as regards the quality of the devices. In this regard, the MEMS quality is ensured through the step wherein the devices are tested. With the use of micromachining techniques, millions of devices are fabricated on a single silicon wafer. However, it is known that the processes used in the manufacture also have their limitations. Thus, damaged structures with faults during operation are made. In this way, the collapse of beams of elastic-mass micro rotors deformable core has been a constant problem. Thus, it becomes necessary to develop methods that support the identification of these defects before marketing. This work aims at detecting the collapse elastic mass beams through the technique of "signature". The study of three different types of deformable core micro rotor "combdrive" was held. The elastic-mass were modeled with the finite element in ANSYS (Analysis System). Simulations of the behavior of intact and damaged to collect data for force and displacement structure were performed. With the collected data we created a database of signatures regarding the behavior of elastic-mass acting under intact and collapse. To generate the signature is based on the principle of delayed Lissajous figures, the geometric singularity seeking associate the signatures to collapse. Thus, for this purpose, we used computational tool MATLAB (Matrix Laboratory). Through qualitative analysis of the results, there is much possibility of detection failure in the three types of fractured as identification for each one.. Keywords: Comb-drive; detection of defects; micro deformable core..

(9) LISTA DE FIGURAS Figura 1.1: Concepção física de MEMS ............................................................................... 16 Figura 1.2: Esquema conceitual e funcional de MEMS......................................................... 17 Figura 1.3: Dispositivos montados sobre uma lâmina de silício ............................................ 18 Figura 1.4: Aplicações MEMS em automóveis ..................................................................... 19 Figura 1.5: BioMEMS: (a) microrrobô intraocular; (b) endosensor MEMS; (c) dispositivo utilizado para implante coclear ............................................................................................. 21 Figura 1.6: Insetos cyborg: (a) traça Pupa com chip (i) implantação em fase de larva, (ii) inseto em fase adulta; MEMS; (b) besouro cyborg ............................................................... 22 Figura 1.7: Componentes da Smartdust ................................................................................ 23 Figura 1.8: Mercado global de MEMS e sensores inerciais (em bilhões de dólares) .............. 25 Figura 1.9: Mercado mundial de MEMS para smartphones e tablets .................................... 25 Figura 1.10: Previsão de mercado (valores em milhões de dólares) ...................................... 26 Figura 2.1: Fluxo de energia estímulo/resposta do transdutor tipo sensor.............................. 32 Figura 2.2 Sensor ou conversor de energia mecânica em elétrica .......................................... 33 Figura 2.3: Diagrama de funcionamento de um atuador eletromecânico. .............................. 33 Figura 2.4: Estrutura do atuador comb- drive........................................................................ 35 Figura 2.5: Tipos de comb-drive: (a) translação; (b) rotação ................................................. 35 Figura 2.6: Direção de deslocamentos do comb-drive translacional: (a) longitudinal; (b) lateral; (c) vertical ................................................................................................................ 36 Figura 2.7: Viga engastada em balanço ou micro cantilever ................................................. 37 Figura 2.8: Tipologias de elastomassas: (a) forma U; (b) crab; (c) ponte dupla; (d) dobradiça dupla; (e) ponte simples e (f) serpentina ............................................................................... 37 Figura 2.9: Movimento de um corpo rígido: (a) translacional; (b) rotacional ........................ 38 Figura 2.10: Corpo sob tensão: (a) tração/distensão; (b) compressão .................................... 39 Figura 2.11: Corpo sob tensão de cisalhamento .................................................................... 40 Figura 2.12: Corpo submetido à deformação por torque ....................................................... 41 Figura 2.13: Curva tensão x deformação .............................................................................. 41 Figura 2.14: Deformação em viga: (a) aplicação de carga; (b) movimento de flexão (início); (c) flexão ............................................................................................................................. 42 Figura 2.15: Equipamento de teste: (a) wafer probe; (b) wafer probe em ação ...................... 45 Figura 2.16: Lâmina com micro ponteiras montado dentro do sistema de inspeção visual..... 46 Figura 2.17: Fases de testes em MEMS ................................................................................ 47.

(10) Figura 2.18: Colapso em viga de tipologia ponte simples ..................................................... 48 Figura 3.1: Concepção do modelo analítico de atuadores MEMS ......................................... 51 Figura 3.2: Atuador eletrostático MEMS: (a) parâmetros concentrados, (b) corpo livre ........ 52 Figura 3.3: Diagrama de blocos da Função de Transferência ................................................ 53 Figura 3.4: Elipse resultante da composição de dois sinais defasados ................................... 56 Figura 3.5: Figuras de Lissajous para diversas relações de frequências ................................. 57 Figura 3.6: Técnica de signature empregada na detecção de defeitos em estrutura comb-drive ............................................................................................................................................ 58 Figura 3.7: Fluxograma para detecção do colapso de vigas ................................................... 60 Figura 3.8: Atuadores eletrostáticos: (a) ponte simples; (b) ponte dupla; (c) dobradiça ......... 61 Figura 3.9: Elastomassas: (a) ponte simples; (b) dupla; (c) dobradiça ................................... 61 Figura 3.10: Geometria do elemento SOLID45 .................................................................... 63 Figura 4.1: Nós monitorados na elastomassa de ponte simples ............................................. 64 Figura 4.2: Força x deslocamento de nós para elastomassa tipo ponte simples intacta: (a) nó extremo esquerdo; (b) nó central; (c) nó extremo direito ...................................................... 65 Figura 4.3: Assinaturas referentes ao colapso na viga positiva da ponte simples em: (a) 1/4 da extensão; (b) 1/2 da extensão; (c) 3/4 da extensão ................................................................ 66 Figura 4.4: Assinaturas referentes ao colapso na viga negativa da ponte simples em: (a) 1/4 da extensão; (b) 1/2 da extensão; (c) 3/4 da extensão ............................................................ 67 Figura 4.5: Nós monitorados na elastomassa ponte dupla ..................................................... 68 Figura 4.6: Força x Deslocamento de nós para vigas intactas: (a) nó “a”; (b) nó “b”; (c) nó “c”; (d) nó “d”; (e) nó “e”;(f) nó “f” na elastomassa ponte dupla .......................................... 69 Figura 4.7: Assinaturas referentes ao colapso na viga negativa superior da ponte dupla em: (a) 1/4 da extensão; (b) 1/2 da extensão; (c) 3/4 da extensão ..................................................... 70 Figura 4.8: Assinaturas referentes ao colapso na viga negativa inferior da ponte dupla em: (a) 1/4 da extensão; (b) 1/2 da extensão; (c) 3/4 da extensão ..................................................... 72 Figura 4.9: Assinaturas referentes ao colapso na viga positiva superior da ponte dupla em: (a) 1/4 da extensão; (b) 1/2 da extensão; (c) 3/4 da extensão ..................................................... 74 Figura 4.10: Assinaturas referentes ao colapso na viga positiva inferior da ponte dupla em: (a) 1/4 da extensão; (b) 1/2 da extensão; (c) 3/4 da extensão ..................................................... 76 Figura 4.11: Nós monitorados na elastomassa de tipologia dobradiça ................................... 78 Figura 4.12: Assinaturas referentes à elastomassa de tipologia dobradiça intacta .................. 79 Figura 4.13: Assinaturas referentes ao colapso na viga negativa externa superior em: (a) 1/4 da extensão; (b) 1/2 da extensão; (c) 3/4 da extensão ........................................................... 80.

(11) Figura 4.14: Assinaturas referentes ao colapso na viga negativa externa inferior em: (a) 1/4 da extensão; (b) 1/2 da extensão; (c) 3/4 da extensão ............................................................... 83 Figura 4.15: Assinaturas referentes ao colapso na viga positiva externa superior em: (a) 1/4 da extensão; (b) 1/2 da extensão; (c) 3/4 da extensão ............................................................... 86 Figura 4.16: Assinaturas referentes ao colapso na viga positiva externa inferior em: (a) 1/4 da extensão; (b) 1/2 da extensão; (c) 3/4 da extensão ............................................................... 89 Figura 4.17: Assinaturas referentes ao colapso na viga negativa interna superior em: (a) 1/4 da extensão; (b) 1/2 da extensão; (c) 3/4 da extensão ............................................................... 92 Figura 4.18: Banco de assinaturas para o colapso na viga negativa interna inferior em: (a) 1/4 da extensão; (b) 1/2 da extensão; (c) 3/4 da extensão ........................................................... 95 Figura 4.19 Assinaturas referentes ao colapso na viga positiva, interna superior em: (a) 1/4 da extensão; (b) 1/2 da extensão; (c) 3/4 da extensão ............................................................... 98 Figura 4.20: Assinaturas referentes ao colapso na viga positiva interna inferior em: (a) 1/4 da extensão; (b) 1/2 da extensão; (c) 3/4 da extensão ............................................................. 101 Figura 4.21: Relação entre Figuras de Lissajous e assinaturas força x deslocamento de elastomassa MEMS: (a) Figura de Lissajous (frequência 3:1 e fase  / 4 ); (b) Assinatura referente em colapso fraturada; (c) Figura de Lissajous (frequência 1:1 e fase 0 ); (d) Assinatura referente à atuação de elastomassa com defeito; (e) Figura de Lissajous (frequência 3:1 e fase 3 / 4 ); (f) Assinatura referente a viga intacta; (g) Figura de Lissajous (frequência 1:1 e fase.  ); (h) Assinatura referente à atuação de elastomassa intacta. ........ 104. Figura 4.22: Relação entre Figuras de Lissajous e assinaturas força x deslocamento de elastomassa MEMS: (a) Assinatura característica de quebra em vigas inferiores; (b) Figura de Lissajous (frequência 1:1 e fase.  /2. ; (c) Assinatura característica de quebra em vigas. superiores; Figura de Lissajous (frequência 1:1 e fase  / 4 ) ............................................... 106 Figura 4.23: Padrões de assinaturas: (a) nós “a” e “d” colapso em viga positiva inferior; (b) nós “a” e “d” colapso em viga positiva superior; (c) nós “c” e “f” colapso em viga positiva superior; (d) nós “c” e “f” colapso em viga positiva inferior. .............................................. 107 Figura 4.24: Série de assinaturas referentes ao colapso na elastomassa dobradiça em: (a) viga positiva externa superior; (b) viga positiva externa inferior; (c) viga negativa externa superior; (d) viga negativa externa inferior; (e) vigas internas .......................................................... 109.

(12) LISTA DE ABREVIATURAS ABS. Sistema de Freio Antitravamento. Antilock Braking System. ANSYS. Análises de Sistemas. Analisys System. BIOMEMS. Sistemas Biológicos Eletro. Biological Microelectromechanical. Mecânicos. Systems. BIST. Construção com teste próprio. Build-in self-test. CADMEMS. Projeto Auxiliado por Computador. Computer Aids Design for MEMS. CCR. Cubo de Canto reto-refletor. Corner Cube Retro-reflector. CARG. Taxa Composta Anual de. Compound Annual Growth Rate. Crescimento CIs. Circuitos Integrados. CR. Corpo Rígido. DARPA. Agência de Projetos de Pesquisa. Defense Advanced Research Projects. Avançada de Defesa. Agency. DFT. Projeto para teste. Desing for Test. FT. Função de transferência. Transfer Function. GPS. Sistema de Posicionamento Globlal. Global Positioningsy System. HI-MEMS. Insetos Híbridos MEMS. Hibrid Insect MEMS. HDD. Disco Rígido. Hard Disk Drive. ICs. Circuitos Integrados. Integrated Circuits. LTI. Linear e Invariante no tempo. Linear Invariant Time. IMEMS. Sistemas Micro Eletro Mecânicos. Integrated MicroElectroMechanical. integrados MATLAB. Laboratório de Matriz. Matrix Laboratory. MEMS. Sistemas Micro eletro Mecânicos. Micro Electro Mechanical Systems. MOEMS. Sistemas Opticos Micro Eletro. MicroOpticalElectroMechanical. Mecânicos. Systems. ODEs. Equações Diferenciais Ordinárias. Ordinary Differencial Equations. RF. Radio Frequência. Radio Frequency. ToC. Teste sobre chip. Test on Chip.

(13) LISTA DE SÍMBOLOS Símbolo. Definição. A. Área. A0. Mola. Ax. Amplitude em eixo. Ay. Amplitude em eixo y. D. Coeficiente de amortecimento. D. Distância. E. Módulo de Young. |ΔF|. Módulo da força. |Δl|. Módulo da deformação. . Alongamento. ɛ0. Permissividade do meio. x. f t . Função de entrada. F. Força. Fe. Força eletrostática. FH. Frequência do sinal horizontal. FV. Frequência do sinal vertical. l0. Área de secção transversal. K. Constante elástica. K. Coeficiente de elasticidade. L. Transformada de Laplace. m n. Ordem da derivada do sinal de entrada. M. Massa. . Tensão. Q. Carga Elétrica. S. Módulo de cisalhamento. T. Período. Ordem da derivada do sinal de saída.

(14) x. Deslocamento. x t . Função de saída. Υ. Coeficiente de Poisson. x. Frequência angular em eixo. y. Frequência angular em eixo y. . Fase do sinal. x.

(15) SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO ............................................................................................................... 16 1.1 Microssistemas Eletromecânicos MEMS .................................................................... 16 1.2 Aplicações .................................................................................................................. 18 1.2.1 Aplicações Automotivas ...................................................................................... 19 1.2.2 Aplicações Biomédicas ........................................................................................ 20 1.2.3 Aplicações Militares ............................................................................................ 21 1.1.4 Aplicações em Telecomunicações e Informática .................................................. 23 1.3 O Mercado Mundial de MEMS .................................................................................. 24 1.4 Qualidade de MEMS ................................................................................................. 26 1.5 Motivação .................................................................................................................. 28 1.6 Justificativa ................................................................................................................ 30 1.7 Objetivos .................................................................................................................... 31 1.8 Contribuições ............................................................................................................. 31 1.9 Organização do Trabalho ............................................................................................ 31 2 TRANSDUTORES MEMS BASEADOS EM DEFORMAÇÃO ELÁSTICA ................... 32 2.1 Atuadores MEMS: Transdução ou Conversão de Energia ........................................... 32 2.2 Transdutor Eletromecânico ......................................................................................... 33 2.3 Atuador Eletrostático .................................................................................................. 34 2.4 Elastomassas MEMS .................................................................................................. 36 2.5 Conceitos de Dinâmica e Cinemática .......................................................................... 38 2.5.1 Cinemática dos corpos rígidos ............................................................................. 38 2.6 Deformação Elástica................................................................................................... 39 2.6.1 Deformação normal: tração e compressão ............................................................ 39 2.6.2 Deformação cisalhante......................................................................................... 40 2.6.3 Deformação por torque ........................................................................................ 41.

(16) 2.6.4 Deformação por flexão ........................................................................................ 42 2.7 Módulo de Young ...................................................................................................... 42 2.8 Etapa de testes em dispositivos MEMS....................................................................... 43 2.8.1 A importância dos testes em MEMS .................................................................... 44 2.8.2 Tecnologias e ferramentas utilizadas .................................................................... 45 2.9 Otimização do Diagnóstico de Defeitos em MEMS .................................................... 47 3 MODELAGEM MATEMÁTICA ..................................................................................... 49 3.1 Definição de Modelagem Matemática......................................................................... 49 3.2 Classificação dos Modelos Dinâmicos ........................................................................ 49 3.3 Representação Linear de Sistemas Dinâmicos ............................................................ 51 3.4 Função de Transferência ............................................................................................. 53 3.5 Figuras de Lissajous e Medidas de Defasagem ........................................................... 55 3.6 Técnica de Signature ou Comparação de Assinaturas ................................................ 57 3.7 Metodologia ............................................................................................................... 59 3.9 Plataforma de Testes .................................................................................................. 62 4 RESULTADOS E DISCUSSÕES ..................................................................................... 64 4.1 Resultados para Tipologia Simples ............................................................................. 64 4.2 Resultados para a Tipologia Dupla ............................................................................. 68 4.3 Resultados para Tipologia Dobradiça ......................................................................... 78 5 CONCLUSÃO ................................................................................................................ 112 5.1 Considerações Finais ................................................................................................ 112 5.2 Sugestões Para Futuros Trabalhos de Investigação.................................................... 113 REFERÊNCIAS ................................................................................................................ 114 ANEXO A – Plataforma de teste: elastomassa ponte simples/entrada degrau (ANSYS) ..... 121 ANEXO B - Plataforma de teste: elastomassa ponte dupla/entrada degrau (ANSYS) ......... 124 ANEXO C - Plataforma de teste: elastomassa dobradiça/entrada degrau (ANSYS) ............ 128.

(17) 1. INTRODUÇÃO O presente capítulo aborda conceitos, definições e a contextualização de Sistemas Micro Eletromecânicos (MEMS). São enfatizadas as aplicações desses microdispositivos e apresentados alguns dos segmentos industriais onde se verifica a utilização de MEMS. Expõem-se também as projeções de mercado. Em sequência, a motivação para a realização da investigação e o objetivo a ser alcançado são descritos. Por fim, descreve-se a estrutura desta dissertação. 1.1 Microssistemas Eletromecânicos MEMS Sistemas Micro Eletro Mecânicos (MEMS) ou Micro Eletro Mechanical Systems são sistemas de dimensões micrométricas que atuam sob os domínios da energia elétrica e mecânica. Assim, são também classificados como microtransdutores. A concepção física de MEMS consiste na integração de microssensores, microatuadores e microeletrônica. Essa integração é ilustrada esquematicamente pela Figura 1.1. Figura 1.1: Concepção física de MEMS. (fonte: Elaborada pelo Autor). A detecção das grandezas físicas é realizada pelos microssensores. E os sinais são processados gerando comandos que ordenam ao microatuador executar movimentos previamente determinados (REIMBOLD, 2008). A Figura 1.2 ilustra o esquema conceitual e funcional de um microssistema eletromecânico..

(18) 17 Figura 1.2: Esquema conceitual e funcional de MEMS. (fonte: DAO, 2002). O termo “micromáquinas” é um dos vários que foram incorporados para a definição de MEMS. Outros termos peculiares como IMEMS (Integrated MicroElectroMechanical System) e MOEMS e (MicroOpticalElectroMechanical Systems) também são encontrados na literatura (SWART, 2000). Essa tecnologia tem despertado interesse tanto científico quanto industrial, encontra-se presente nas engenharias, física, matemática, computação, química, biologia entre outras ciências. Logo, caracteriza-se por uma tecnologia desafiadora pela sua multidisciplinaridade e promissora por atender às necessidades da sociedade moderna (BEDENDO, 2011). Desde os anos 90 até os dias de hoje, a sociedade tem testemunhado mudanças constantes na ênfase de pesquisa em tecnologia MEMS (ALLEN, 2005). A saturação na evolução dos circuitos integrados explica o crescente interesse do mercado mundial de MEMS (RIBAS, 2000). Estes, por sua vez, apresentam capacidades de integração e alta performance, no entanto, é preciso um esforço cada vez maior para obter pequenos avanços (TADIGADAPA; NAJAFI, 2003). Por isso, passou-se a considerar a possibilidade de integrar sistemas completos dentro de um único chip, incluindo, além da eletrônica, outras estruturas físicas, constituindo, assim, a tecnologia dos microssistemas. Neste sentido, a integração desses microdispositivos em chips tem sido garantida através do emprego de técnicas de micro usinagem. Os dispositivos MEMS podem ser considerados como a tecnologia do século XXI, com um mercado que movimenta dezenas de bilhões de dólares anualmente e que potencializa o crescimento do mercado da microeletrônica. As vantagens inerentes aos MEMS são precedentes da própria microeletrônica. A técnica de processamento em pacote garante a produção de milhões de dispositivos em uma única lâmina de silício (conforme Figura 1.3)..

(19) 18 Figura 1.3: Dispositivos montados sobre uma lâmina de silício. (fonte: LAPMASTER [s.d]). O emprego de técnicas de micro usinagem, na concepção de MEMS, resulta no oferecimento de baixos custos para uma grande quantidade de componentes. Além disso, o material utilizado, o silício, é barato e garante baixo impacto ambiental, uma vez que se encontra abundantemente na natureza. No entanto, os custos de prototipagem são elevados, devido ao número de etapas necessárias (ROMANOVICZ, 1998). De acordo com Reimbold (2008), a etapa de testes é onde se verifica os maiores gastos no que concerne ao tempo e recursos financeiros empregados. Sendo assim, é importante que se investigue acerca de métodos para a sua otimização. 1.2 Aplicações Devido às suas primeiras aplicações na indústria automotiva, o emprego de MEMS na expandiu-se multidirecionalmente (DIAS, 2012). Ainda que seja um campo premente, o mercado de MEMS conta com aplicações de centenas de milhões de dispositivos, fabricados e utilizados em diversos segmentos industriais. Esses dispositivos viabilizam o custo benefício direto, devido ao baixo preço unitário, ou indireto, por não apresentar custos com serviços e manutenção (MALUF e WILLIANS, 2004). O crescimento das aplicações que envolvem dispositivos MEMS é impulsionado por tendências globais. Quesitos como consumo de energia, meio ambiente e o bem-estar da população, entre outros fatores, potencializam o crescimento dessa tecnologia (BEDENDO, 2011). Ao adquirir funções ópticas, térmicas, magnéticas, mecânicas e químicas, os microssistemas ganham força e espaço, ampliando sua gama de aplicações e suas sendo limitadas apenas pela criatividade humana. Dentre os setores com maior difusão desta.

(20) 19 tecnologia, destacam-se o automotivo, biomédico, militar, aeroespacial, telecomunicações e informática (CARREÑO, 2010); (REIMBOLD, 2008); (LIAO; ZHAO, 2005). 1.2.1 Aplicações Automotivas Cabe destacar que a ascensão de MEMS no setor automotivo muito se deve a implantação de leis norte-americanas e europeias que preveem a segurança dos condutores (DIXON e BOUCHAUD, 2007). Nesse contexto se destacam os acelerômetros e os sensores de pressão utilizados nos sistemas de freio ABS e airbags. A tecnologia MEMS, aplicada em automóveis, viabiliza recursos como controle de estabilidade, monitoramento da pressão de pneus, sensores de gás que controlam a qualidade do ar no interior do veículo; infravermelho para monitoramento de temperatura; microbolômetros que auxiliam sistemas de visão noturna e osciladores usados para impulsionar câmeras retrovisoras. A Figura 1.4 apresenta esquematicamente a aplicação de microssistemas aos automóveis. Figura 1.4: Aplicações MEMS em automóveis. (fonte: MEMS JOURNAL, 2007). Os dispositivos são, em geral, interfaces de detecção para as entradas físico-química e biológicas. As mais comuns são pressão, temperatura, acústica, luz, campos magnéticos e elétricos, de gás, umidade, frequência, aceleração, inclinação/angular, massa, DNA (por exemplo, muitos países estão empregando etilômetros integrados de direção)..

(21) 20 1.2.2 Aplicações Biomédicas Microssistemas Biomédicos (BioMEMS) integram sensores e atuadores em micro escala, micro fluídica, micro óptica e elementos estruturais com computação, comunicações e controles para aplicação em medicina. Desta forma contribuem para a melhoria da saúde humana. Neste sentido, os bioMEMS têm revolucionado a forma como a medicina vem sendo praticada (WILLIAMSON, 2011). Muitos produtos MEMS projetados para uso em seres humanos são considerados dispositivos médicos. Isto inclui produtos para diagnóstico, monitoramento, cirurgia e aplicações terapêuticas (DIPAOLA, 2012). Conforme Bhansali ([s.d.]), esses dispositivos chamam a atenção pela sua eficiência sobre a doença, podendo substituir os convencionais e longos tratamentos. O mesmo autor afirma que a grande vantagem da inserção desses dispositivos é a possibilidade de ação direta no organismo humano. MEMS são implantados em partes do corpo, tais como coração e cérebro, entre outras partes de difícil monitoramento e diagnósticos (ROGER, 2010). Sua implementação é feita para prevenir doenças como câncer, doenças cardiovasculares, lúpus entre outras (BADILLA et al, 2012). Segundo dados da IRIS (Institute of Robotics and Intelligent Systems), atualmente, cerca de quatro por cento da população mundial são deficientes visuais. Pesquisas apontam que as doenças do segmento posterior do olho são responsáveis pela maioria das causas de cegueira. Exemplos como o protótipo de um microrobô intraocular MEMS (ver Figura 1.5 (a)) encontra-se em desenvolvimento. Sua função será a aplicação de medicamentos e o auxílio na realização de procedimentos cirúrgicos no humor vítreo. A aplicação do micro robô é dada através de injeção e garante mínimos riscos de infecções em relação aos procedimentos convencionais (WILLIAMSON, 2011). Os CardioMEMS também chamam atenção nesse contexto, os Endosensors MEMS (ver Figura 1.5 (b)) destacam-se na condição de sensores de pressão arterial, sendo utilizados para aferimento. Estes são muito úteis no tratamento de pessoas com aneurisma da aorta abdominal. Nos Estados Unidos, essa doença aparece como décima terceira maior causa de morte conforme dados da Georgia Institute of Technology (2005). Conforme Williamson (2011), outra realidade na medicina são os implantes cocleares, incorporando MEMS e tecnologias de microeletrônica que estão sendo comercializadas e continuamente desenvolvidas para restaurar a audição de pessoas que sofrem de perda auditiva severa. O objetivo é estimular a cóclea e recriar, na medida do possível, um retorno à percepção do som normal. A grande vantagem desses dispositivos é a sua capacidade de.

(22) 21 restaurar a audição quase normal. Pretende-se a longo prazo eliminar componentes externos de um incremento da percepção do som por usuários dos dispositivos. Estima-se que cerca de 120.000 pessoas receberam implantes cocleares em todo o mundo. Os dispositivos (ver Figura 1.5 (c)) são inseridos no canal do tímpano através de uma janela redonda perto da base da cóclea (WILLIAMSON, 2011). A Figura 1.5 ilustra algumas das tecnologias BioMEMS. Figura 1.5: BioMEMS: (a) microrrobô intraocular; (b) endosensor MEMS; (c) dispositivo utilizado para implante coclear. (a). (b). (c). (fonte: WILLIAMSON, 2011). Atualmente, muitas empresas desenvolvem dispositivos com essa tecnologia para monitoramento de diversas patologias, inclusive o câncer. Também existem projetos que viabilizam a utilização como protótipos de chip para testar a presença de vírus e substâncias diversas (BADILLA et al, 2012). 1.2.3 Aplicações Militares Cabe destacar que os maiores investimentos em pesquisa para desenvolvimento de aplicações MEMS é o setor de segurança dos Estados Unidos (REIMBOLD, 2008). Uma das mais revolucionárias aplicações para fins militares é desenvolvido pela Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency). A empresa tem realizado pesquisas para controlar insetos através da microtecnologia. O projeto chamado Hibrid-Insect MEMS (HI-MEMS) prevê os chamados “insetos cyborg”. Dispositivos ligados ao cérebro de insetos, implantados em fase de larva, permitem o controle destes através de estímulos eletrônicos quando alcançam a vida adulta (DARPA, 2013). Os HI-MEMS são em geral, utilizados com a finalidade de espionagem. A Figura 1.6 ilustra o projeto HI-MEMS..

(23) 22 Figura 1.6: Insetos cyborg: (a) traça Pupa com chip (i) implantação em fase de larva, (ii) inseto em fase adulta; MEMS; (b) besouro cyborg. (a). (b) (fonte: DARPA, 2010). O sistema acoplado nos insetos utiliza estimuladores de nervos e músculos, uma micro bateria e um micro controlador com transmissor. O objetivo final da DARPA é criar insetos que possam voar mais de 300 pés, mantendo uma distância mínima do seu alvo, até que recebam o comando para retornar. Segundo Arnoni (2012), o projeto já conta com insetos cyborg capazes de gerar sua própria fonte de energia elétrica, através do implante de uma célula de combustível que, por meio de eletrodos mantidos por duas enzimas, quebram o açúcar trealose produzido pelo inseto. Desta forma, o inseto é capaz de produzir sua própria fonte de energia. Outro projeto de aplicação militar recente desenvolvido pela DARPA é chamado “poeira inteligente” ou smartdust. Trata-se de um sistema hipotético de dispositivos minúsculos desenvolvidos com a intensão de explorar superfícies. Essa tecnologia permite detectar luz, temperatura, vibração, magnetismo ou substâncias químicas; e geralmente formam uma rede de computadores sem fio distribuída por uma área para executar tarefas ligadas à sensoriamento. Segundo Abry (2010), essas pequenas formas inteligentes e móveis (controle autônomo ou remoto) podem ser empregadas na exploração do espaço e alguns planetas, ajustar temperaturas, detectar terremotos, capturar inimigos (no caso de uso militar) ou para finalidades domésticas. Os principais componentes da smartdust são diodo laser semicondutor e espelho MEMS da direção do feixe de transmissão óptica ativa; Corner Cube Retro-reflector (CCR) para a transmissão óptica passiva; fotodetectores e receptor; receptor óptico; circuito de processamento e controle de sinal; e fonte de energia com base em baterias espessa e células solares (ARORA, 2013). A Figura 1.7 ilustra esquematicamente os dispositivos que compõem a Smartdust..

(24) 23 Figura 1.7: Componentes da Smartdust. (fonte: ARORA, 2013). 1.1.4 Aplicações em Telecomunicações e Informática O. sucesso dos MEMS,. em. especial,. os ressonadores e. indutores,. nas. telecomunicações, é produto do oferecimento de alto desempenho, flexibilidade, sintonia e alta faixa de frequências de operação (REIMBOLD, 2008). Um dos destaques nessa área é a tecnologia de RF MEMS (Radio Frequency MEMS). Estes são microssistemas com partes móveis capazes de reconfigurar as características de um dispositivo de rádio frequência. Sensores e atuadores MEMS, quando combinados e integrados, constituem um novo dispositivo, o qual desempenha novas funções, tais como: transformação, amplificação, filtragem, mixagem, entre outras funcionalidades aplicadas nas telecomunicações (NGUYEN, 1995). Os RF MEMS podem ser utilizados em diversas áreas. Destacam-se na área de comunicação e apresentam vantagens como baixa perda de sinal, baixo consumo de energia, pequenas dimensões e peso reduzido (CHIODELLI, 2013). Contudo um dos fatores responsáveis pelo sucesso dessa aplicação em dispositivos móveis é a aprovação do público quanto aos smartphones e recentemente os tablets. Os smartphones ganharam espaço no mercado devido à diversidade de recursos disponíveis em apenas um aparelho (MOREIRA, 2013). A adesão de sensores MEMS em dispositivos móveis tem sido cada vez mais intensa nos últimos anos, muito em função das funções e aplicativos que demandam o uso destes..

(25) 24 Atualmente, telefones móveis não se limitam apenas a efetuar e receber chamadas e mensagens. Com a tecnologia MEMS, é possível implementar aplicativos capazes de suprir as mais variadas necessidades dos usuários, fazendo com que telefones celulares tornem-se “inteligentes”, dai o termo smartphone. A diversidade das funções que facilitam atividades cotidianas é tamanha, que fica difícil pensar em uma vida sem esses aparelhos. Funções como realizar e atender chamadas, reconhecimento de movimentos, orientação de posição geográfica GPS (Global Positioning System) captura e posicionamento automático de imagens, mudança de faixas ao executar arquivos em diferentes formatos e interações com jogos eletrônicos são exemplos de ações que podem ser realizadas sem que botão algum seja pressionado. O sucesso de acelerômetros também é uma realidade na informática. O uso de discos rígidos (HDD - Hard Disk Drive) encontra-se em plena ascensão, devido a introdução emergente de equipamentos portáteis, como laptops. À medida que mais dispositivos se incorporam aos discos rígidos, a necessidade de proteção torna-se maior, em especial, contra impactos fortes. Neste sentido, acelerômetros (tais como os Analog Devices ADXL320 acelerômetros de eixo duplo) têm garantido o aumento da vida útil desses equipamentos, atuando na detecção de movimentos bruscos, típicos de queda. Funcionando como sensor, o acelerômetro capta o movimento brusco e em seguida gera um sinal que move o atuador head; responsável pela leitura, para uma zona segura. Isso ocorre antes de o produto atingir o chão ou outra superfície estável. Assim, a colisão entre o head e o platter será impedida (LIAO; ZHAO, 2005). 1.3 O Mercado Mundial de MEMS Nas últimas décadas, nota-se o crescimento do mercado de sensores e atuadores MEMS, tendo os sensores de inércia, como uma das maiores forças impulsionadoras. As aplicações com maior difusão social são observadas no setor de telecomunicações. Os acelerômetros estão sendo incorporados cada vez mais em celulares smartphones. A adoção desses dispositivos é observada em mais de um terço de todos os aparelhos fabricados. Os giroscópios também destacam-se nesse âmbito. Em 2010, os sensores inerciais representaram um movimento de 80 milhões dólares segundo dados da Yole Developments (2010). Da mesma forma, uma série de outras aplicações de sensoriamento tem impulsionado o crescimento do mercado de MEMS. A Figura 1.8 ilustra a evolução do mercado de sensores inerciais com projeção até 2015..

(26) 25 Figura 1.8: Mercado global de MEMS e sensores inerciais (em bilhões de dólares). (fonte: YOLE DEVELOPMENTS, 2010). Sensores e atuadores viabilizam otimizações em diferentes níveis tais como: navegação; otimização da qualidade de som e de desempenho da comunicação; aumento da vida útil de baterias e sensores infravermelho. Desde 2009 até 2011, o emprego de dispositivos MEMS em dispositivos móveis tem sido triplicado, conforme se ilustra na Figura 1.9. Figura 1.9: Mercado mundial de MEMS para smartphones e tablets. (fonte: Adaptada de MEMS TREND ISSUE nº11, 2012). Os acelerômetros dividem espaço com os giroscópios em aplicações tanto em tablets, quanto em smartphones. Estes permitem a criação de aplicativos controlados por movimento e realidade aumentada (JOHNSON, 2012). Neste sentido, uma das funções mais conhecidas é.

(27) 26 a troca de orientação da tela retrato/paisagem em smartphones, câmeras digitais e tablets (MOREIRA, 2013). Além dos giroscópios e acelerômetros, há uma grande variedade de dispositivos MEMS encontrados no mercado, os quais contribuem para soluções de demandas diversas em diferentes segmentos de aplicação, além do crescimento de mercado. A Figura 1.10 ilustra a CARG (Compound Annual Growth Rate) que é a taxa composta de crescimento anual e a perspectiva de mercado por segmento de aplicação para os próximos anos até 2018. Relatórios da Yole Developments projetam que esse mercado alcance US$ 22,14 bilhões em 2018, e 17,8 bilhões de unidades produzidas. Figura 1.10: Previsão de mercado (valores em milhões de dólares). (fonte: YOLE DEVELOPMENTS, 2013). 1.4 Qualidade de MEMS Para garantir qualidade aos dispositivos MEMS que chegam ao mercado, impedindo que o consumidor adquira equipamentos avariados, a fase de testes é de suma importância. De todas as etapas de fabricação de microssistemas, este é o processo que demanda maior investimento financeiro, sendo que o custo acaba sendo dissolvido na própria economia futura (CHIODELLI, 2013). A evolução de MEMS implica a combinação cada vez maior de dispositivos complexos e de produção industrial em massa. Sendo assim, torna-se importante a compreensão do funcionamento e dos materiais utilizados na fabricação dos dispositivos para determinar seu comportamento (BOYD et al, 2011)..

(28) 27 Conforme Oliveira (2010), existem vários processos de fabricação para MEMS, porém as técnicas empregadas ainda apresentam deficiências. A falta de padrões de testes aumenta o tempo e os custos de inovação em MEMS com percentagem de ensaio compreendida entre 20 e 50% do custo do dispositivo. Em dispositivos mais complexos, o percentual pode ultrapassar essa faixa, gerando um efeito indireto negativo em termos de negócio em todos os níveis da cadeia de valores (BROWN et al, 2011). Segundo Richetti ([s.d]), além dos altos custos financeiros, o custo de tempo durante a fabricação dos dispositivos também é alto. Muitas vezes os chips (que possuem dimensões mínimas para a operação dos testes) são projetados de forma a permitirem que pequenas pontas de prova sejam monitoradas em um ambiente conveniente (OLIVEIRA, 2010). No estágio de produção, é necessário otimizar a capacidade de fabricação em volumes (batch), desenvolver soluções para equipamentos de produção e também satisfazer as necessidades de testes (REIMBOLD, 2008). Ensaios e diagnósticos demandam repetitivas análises necessárias, não só para aperfeiçoar o projeto, mas também para constatar se houve cobertura de todas as possibilidades de falhas e, só então, criar uma biblioteca de possíveis falhas. Neste sentido, a obtenção de padrões de falhas em nível de sistema de dispositivos MEMS torna-se necessária (LITOVSKI, 2005). Conforme BROWN et al, (2011) preconiza: O mercado de MEMS tem sido displiscente no tocante a padronização dos testes, cujo impacto só está aumentando como uma função direta aos avanços para inovação. Felizmente, as empresas de MEMS, têm reconhecido recentemente que os testes são, de fato, um quesito pré-competitivo na cadeia de valores.. O mesmo autor afirma que, ao mesmo tempo em que os custos para os testes de microdispositivos tendem a subir, a tecnologia MEMS torna-se mais sofisticada. Neste sentido, fica evidente a importância do desenvolvimento de pesquisas que viabilizem a obtenção de modelos e padrões para defeitos e falhas dos dispositivos. Metodologias de teste devem ser desenvolvidas combinando recursos capazes de avaliar o comportamento defeituoso na forma de simulação de falhas e geração de padrão de teste automático (KOLPEKWAR, 1999). A obtenção de padrões matemáticos, por exemplo, surge como alternativa de metodologia eficaz e barata quando comparada aos testes físicos empregados em MEMS, contando com o auxílio de ferramentas CAD (Computer-Aided Design) e softwares capazes de imitar o comportamento real das estruturas em seu funcionamento (KOLPEKWAR, 1999)..

(29) 28 Assim, diferentes investigações vêm sendo realizadas com ênfase em fabricação e testes de MEMS, principalmente nas últimas duas décadas. Com o foco na fabricação de MEMS, destacam-se os trabalhos de: Yao et al (1992), Shaw et al (1993) e Chen (2008) Oliveira (2010) e Brown et al, (2011). Na área de modelagem e simulação: Zhang (1991), Shi et al (1995), Kolpekwar (1999), Ribas (2003); Reimbold (2006), Meng et al (2007), Ardito et al (2011), Tarabini et al (2011) Bedendo (2012), Chiodelli (2013) e Moreira (2013). Investigações científicas como estas oferecem a perspectiva de um melhor controle de qualidade para a indústria de microdispositivos e maior custo/benefício para o mercado consumidor. Desta forma, a melhoria em padrões de testes em MEMS proporciona vantagens tais como: redução de custos, otimização da qualidade dos dispositivos, rapidez de adesão no mercado, novos modelos de negócios e, assim, inovação e criação de empregos. 1.5 Motivação Pesquisas direcionadas à MEMS implicam inovações tecnológicas que proporcionam comodidade e melhor qualidade de vida para a sociedade. Além disso contribuem para o crescimento de um mercado mundial que se mostra cada vez mais promissor, chegando a movimentar bilhões de dólares com uma taxa composta de crescimento anual sendo elevada a cada ano. O que se evidencia cada vez mais neste sentido é a preocupação com o controle de qualidade dos dispositivos que chegam ao mercado, uma vez que este é fator preponderante para a consolidação da microtecnologia. Assim, surgem desafios para a otimização dos dispositivos, para que a confiabilidade e a superação de expectativas sejam suas principais características. Os testes em MEMS devem levar em consideração uma série de fatores. Os semicondutores, por exemplo, devem resistir ao acúmulo de calor, suportando uma ampla gama de cargas estruturais e oscilações de temperatura ambiente. Partes mecânicas, tais como diafragmas, membranas, vigas entre outras microestruturas no mesmo chip devem suportar choques e vibrações para efetuar adequadamente as suas funções mecânicas (REIMBOLD, 2008). Na escala micro, peças mecânicas são muitas vezes movidas por forças eletrostáticas ou piezoelétricas; estas devem superar os efeitos do fluído de película fina que resistem ao movimento do dispositivo (REVEL, 2011). Como muitos desses efeitos são interdependentes, a previsão do desempenho dos dispositivos MEMS torna-se um problema complexo, que muitas vezes desafia abordagens intuitivas utilizadas no projeto transdutor tradicional..

(30) 29 No âmbito de MEMS, há várias limitações que devem ser avaliadas para que ideias virem protótipos e estes resultem em produtos (BEDENDO, 2012). Conforme Deng (2005), o tempo. de desenvolvimento de MEMS é prolongado, estima-se que, desde a elaboração de um protótipo até a chegada do dispositivo ao mercado, o tempo é de 10 anos. São aproximadamente cinco anos para a elaboração do projeto e o mesmo período de tempo para que este chegue ao mercado. De acordo com Reimbold (2008), garantir robustez e confiabilidade a esses dispositivos é extremamente difícil devido à complexidade e a natureza heterogênea da maioria dos dispositivos. Neste sentido, torna-se importante o interesse pela otimização dos produtos em todos os aspectos, incluindo o projeto de MEMS, fabricação, montagem e testes (ARFT, 2011). O objetivo principal de investigações científicas nessa área é o interesse por alternativas e métodos que auxiliem para que custos sejam reduzidos e a qualidade de dispositivos seja assegurada. Tais fatores têm sido confirmados na produção em lote (batch), onde milhões de componentes são fabricados em uma única lâmina (ou wafer) e testados por amostragem. Para Revel 2011, os testes aplicados em MEMS devem ser feitos um a um para que se reduza a rejeição futura de dispositivos em função dos defeitos comumente apresentados. Conforme Moreira (2013), o comportamento de MEMS é extremamente sensível à geometria e tensões físicas aplicadas, devido ao seu tamanho. O mesmo autor destaca que o conhecimento dos fenômenos da escala micro ultrapassa o limite da física clássica, fazendo-se necessária uma alternativa para a modelagem destas estruturas. Além disso, os dispositivos na escala micrométrica são frágeis e podem ser danificados ainda no estágio de testes. Sabe-se que as técnicas empregadas no processo fabril de MEMS possibilitam a fabricação de milhões de peças em uma só vez. Contudo, essas técnicas ainda estão sendo aprimoradas (REVEL, 2011). Neste sentindo encontram-se com frequência dispositivos produzidos de forma defeituosa, que acabam tendo seu desempenho comprometido (RIBAS et al, 2003); (OLIVEIRA, 2010). Considerando que as estruturas comumente encontradas são vigas e membranas, embora outras geometrias podem ser também realizadas para as mais diversas aplicações, uma das principais causas de falha em dispositivos é o rompimento de alguns desses elementos (RIBAS et al, 2003). De acordo com Ribas et al, (2003), o colapso ou rompimento das vigas de elastomassas MEMS é um dos principais defeitos que causam falha no funcionamento dos dispositivos. Resultados gerados por simulações computacionais identificam essas unidades como a região mais propensa a defeitos pela vulnerabilidade que lhe é inerente em função do seu arranjo estrutural (KOLPEKWAR, 1999)..

(31) 30 Assim é importante que sejam realizadas investigações com o propósito de auxiliar na detecção desses defeitos. A busca por novas metodologias que auxiliam na detecção de defeitos em MEMS oferece a perspectiva de otimização da etapa em que estes são testados. Além disso viabilizam a redução de custos referentes ao estágio de testes. 1.6 Justificativa O uso da Modelagem Matemática para otimização de MEMS permite a integração de várias ferramentas que facilitam o processo. Uma das ferramentas mais utilizadas é a simulação computacional. A utilização de softwares que funcionam como “laboratórios virtuais” vem sendo amplamente utilizada nas últimas décadas. Na engenharia elétrica, engenheiros empregam o uso softwares de design e ferramentas de simulação que permitem a modelagem do comportamento de microestruturas (FINCH et al, 2010). Assim, é possível tomar conhecimento da dinâmica de funcionamento dos dispositivos. Tal fato viabiliza a otimização dos processos de fabricação e controle de qualidade. Para garantir a qualidade e a confiabilidade acerca do funcionamento de MEMS é importante que se atente para a otimização da etapa em que estes são testados. Conforme Reimbold (2008), a maneira como os testes vêm sendo empregados, em lotes, não garante a qualidade dos dispositivos de forma integral. O mesmo autor chama a atenção para a necessidade de métodos que auxiliem na redução dos custos envolvidos nesta etapa. De acordo com Finch et al, (2010), a simulação de MEMS na fase de desenvolvimento é importante, pois permite aos engenheiros a previsão do comportamento dos dispositivos antes de gerar o processo de concepção de protótipos. A engenharia de MEMS depende cada vez mais de simulações multifísicas para que possa investigar acerca de dispositivos MEMS, tais como: chaves de RF, sensores e transdutores. Com os recursos de simulações, é possível determinar a resposta piezoelétrica, atuação eletrostática, acionamento elétrico, térmico, fluídico e amortecimento, de forma rápida e acurada. Conforme cita Finch et al, (2010), a simulação multifísica é essencial para contabilizar esses efeitos. Isto resulta num impacto significativo sobre a otimização do projeto de MEMS. Desta forma, há um benefício que se acomete de modo bilateral, isto é, tanto a indústria quanto o consumidor são beneficiados. Neste sentido, a combinação de recursos oferecidos pela Modelagem Matemática resulta no desenvolvimento de metodologias que viabilizam a otimização de processos em.

(32) 31 MEMS. Portanto, o interesse pela otimização dos testes empregados em MEMS, através da Modelagem Matemática, justifica a realização do presente trabalho investigativo. 1.7 Objetivos Este trabalho tem por objetivo a detecção do colapso de vigas em elastomassas MEMS do tipo ponte simples, dupla e dobradiça fabricadas em silício policristalino e que utilizam processos de microusinagem na fabricação. Além disso, a metodologia desenvolvida objetiva a identificação da viga colapsada, propondo uma nova metodologia capaz de auxiliar na garantia da qualidade dos atuadores MEMS baseados em deformação elástica. 1.8 Contribuições Com o desenvolvimento de uma metodologia que auxilia a detecção de defeitos em elastomassas MEMS, o presente trabalho investigativo pretende contribuir para que os testes empregados em MEMS sejam realizados de forma simples e dinâmica. 1.9 Organização do Trabalho As informações para a condução da investigação proposta por esta dissertação foram organizadas em cinco capítulos. O Capítulo 2 descreve os aspectos e conceitos pertinentes às elastomassas MEMS e seu princípio de funcionamento. No Capítulo 3, a ênfase é voltada aos principais aspectos matemáticos envolvidos, em especial, conceitos referentes à Modelagem Matemática de elastomassas MEMS. Neste capítulo também se apresenta a metodologia desenvolvida para a concepção da técnica proposta. No Capítulo 4, são apresentados os resultados obtidos através dos ensaios experimentais por meio de simulações computacionais. Também é realizada a discussão dos resultados obtidos para as três tipologias de elastomassas MEMS abordadas nesta investigação. E, por fim, o Capítulo 5, apresenta as conclusões e comentários referentes ao desenvolvimento do trabalho. Também são propostas as sugestões para trabalhos futuros, os quais propiciam a continuidade deste trabalho investigativo..

(33) 2. TRANSDUTORES. MEMS. BASEADOS. EM. DEFORMAÇÃO. ELÁSTICA Este capítulo destaca os conceitos essenciais acerca de atuadores MEMS baseados em deformação elástica e ação eletrostática. Será abordada a constituição desses dispositivos através das diferentes tipologias das elastomassas de estruturas comb-drive, bem como, o princípio de funcionamento. O foco da investigação é direcionado para dispositivos com um grau de liberdade de ação longitudinal. 2.1 Atuadores MEMS: Transdução ou Conversão de Energia As leis da Física estabelecem que a quantidade total de energia contida em um sistema isolado é permanentemente constante. Essa premissa está ligada à definição de energia, a qual enuncia a impossibilidade de criá-la ou destruí-la, mas sim transformá-la de um domínio para outro. A energia é classificada em seis diferentes domínios: química, elétrica, mecânica, magnética, irradiante e térmica. Segundo Nicolau e Toledo (1998), quando se faz necessário certa quantidade de energia na realização de um trabalho, a mesma deve ser obtida através de um processo de transdução. Transdução é o nome dado ao processo que converte a energia de um domínio para outro. O termo transdutor deriva do latim transducere, que significa “levar através”. Sensores e atuadores são formas de transdutores (ALEN, 2005). Um sensor define-se como um transdutor de entrada. Conforme Reimbold (2008), a função do sensor é detectar um sinal de entrada de energia e fazer a conversão, em geral para o domínio elétrico. Segundo o mesmo autor, um atuador é um transdutor de saída, que, na maioria dos casos, transforma uma forma de energia em uma saída com caráter mecânico. A Figura 2.1 representa esquematicamente o transdutor. Figura 2.1: Fluxo de energia estímulo/resposta do transdutor tipo sensor. (fonte: REIMBOLD, 2008).

(34) 33 Os MEMS são empregados na transdução de energia eletromecânica. Seu funcionamento baseia-se na geração de força através de carga eletrostática (atuador) ou por variações que resultam na aceleração mecânica (sensor) (SCHMIDT et al, 2004). 2.2 Transdutor Eletromecânico Definem-se, como transdutores eletromecânicos, dispositivos que transformam energia elétrica em mecânica e vice-versa. Se a transformação acontece do domínio mecânico para o elétrico, então o transdutor é caracterizado como sensor. Segundo Sze (1994), o transdutor é um caso particular de sensor, conforme representado na Figura 2.2 Figura 2.2 Sensor ou conversor de energia mecânica em elétrica. (fonte: Adaptada de Reimbold, 2008). Caso a transformação aconteça de forma inversa, ou seja, do domínio elétrico para o mecânico, então o transdutor caracteriza-se como atuador. De acordo com Reimbold (2008), a concepção de qualquer atuador necessita de dois blocos funcionais em função unívoca, que estabeleça a relação entre o sinal de entrada e o sinal de saída. A Figura 2.3 ilustra o funcionamento de um atuador eletromecânico por diagrama de blocos. Figura 2.3: Diagrama de funcionamento de um atuador eletromecânico.. (fonte: REIMBOLD, 2008). O bloco, denominado acionador, desempenha duas funções: monitoramento e geração de força. O bloco, chamado meio, canaliza a manifestação da força através do movimento..

(35) 34 Dispositivos MEMS, como chaves, capacitores sintonizáveis e ressonadores mecânicos, possuem partes móveis que apresentam movimento através de um micro atuador (SANTOS et al, 2004). Há uma grande variedade de atuadores eletromecânicos apresentados pela indústria. Estes são caracterizados por atuações eletroquímicas, eletromagnéticas e eletrostáticas, sendo que a última é amplamente utilizada para a concepção de MEMS. Tal fato justifica-se por apresentar facilidade de integração, rapidez de resposta e compatibilidade com os processos de CIs. 2.3 Atuador Eletrostático A ação eletrostática baseia-se na força de Coulomb Fel existente entre cargas opostas. Considerando esta força entre duas placas paralelas, onde é aplicada uma diferença de potencial, então a força eletrostática é expressa pela equação (2.4).. 1 Q 2 1  0 AV 2 Fel     2 0A 2 d 2. ( 2.4 ). Onde: Q - carga atuante nas placas do capacitor; A - área das placas; d - distância entre as placas e. 0 - permissividade do meio.. Segundo Reimbold (2008), um atuador, baseado nas tipologias de dedos capacitivos, que vem despertando crescente interesse industrial e científico é a estrutura comb-drive. Esse micro mecanismo funciona como transdutor eletromecânico. Seu princípio de funcionamento relaciona energia mecânica com energia elétrica, regido pelas leis físicas destes dois domínios (RIBAS et al, 2003). De acordo com Pelesko e Bernstein (2003), a estrutura comb-drive (do inglês “pentesmóveis”) recebe esse nome pela semelhança com um par de pentes com dentes entrelaçados, porém sem contato físico. Os dentes ou dedos são micro cantilevers arranjados convenientemente para formar estruturas capacitivas, as quais possuem diferentes perfis, distância, permissividade elétrica e eletrostática de diferentes intensidades (REIMBOLD, 2008). Assim, formam pentes capacitivos com forças eletrostáticas de diferentes intensidades. A Figura 2.4 ilustra esquematicamente as partes que constituem a estrutura comb-drive..

(36) 35 Figura 2.4: Estrutura do atuador comb- drive. (fonte: Elaborada pelo Autor). Quando se aplica uma diferença de potencial entre os dois eletrodos, é gerado o efeito capacitivo em função da concentração de cargas opostas em suas superfícies. As variações da diferença de potencial geram forças de atração e repulsão entre os eletrodos, resultando no deslocamento da parte móvel. A amplitude dos deslocamentos gerados depende da frequência de variação da diferença de potencial aplicada (RIBAS et al, 2003). O movimento pode ser translacional ou rotacional (REIMBOLD, 2008). A Figura 2.5 ilustra diferentes tipologias para a estrutura Comb-drive segundo seu movimento. Figura 2.5: Tipos de comb-drive: (a) translação; (b) rotação. (a). (b) (fonte: SANDIA LABORATORIES, 2011). Para o comb-drive de translação, são atribuídas três classificações segundo a direção de seu deslocamento. Estas são classificadas segundo suas ações: lateral, longitudinal e vertical, como ilustra a Figura 2.6..

(37) 36 Figura 2.6: Direção de deslocamentos do comb-drive translacional: (a) longitudinal; (b) lateral; (c) vertical. (a). (b). (c). (fonte: JOHNSTONE, 2006; SUN, 2002; NGUYEN, 2002). Este trabalho investigativo tem seu interesse na estrutura comb-drive de ação translacional longitudinal (Figura 2.6 (a)). O estudo é direcionado para a detecção do colapso nas vigas que compõem a massa elástica suspensa no núcleo deformável da estrutura. A abordagem dessa estrutura é justificada pela simplicidade das tipologias de suas elastomassas. 2.4 Elastomassas MEMS. Micro vigas em balanço ou microestruturas suspensas compõem o núcleo deformável de sensores e atuadores MEMS. Estas consistem em arranjos de vigas formadas por partes móveis sobre uma base fixa. As elastomassas MEMS são constituídas por vigas e colunas como elementos não rígidos e de âncoras ou engastes e massa, como elementos rígidos (REIMBOLD, 2008). O cantilever é um tipo de elemento estrutural amplamente utilizado em MEMS. Este, segundo Gomes e Silva (2012), consiste numa viga engastada em balanço que possui uma de suas extremidades engastada suscetível a movimentos de rotação e translação restritos a qualquer direção e outra extremidade livre. As diferentes combinações do micro cantilever originam outras microestruturas suspensas, as quais permitem conceber variadas tipologias de molas cujo princípio se baseia na deformação elástica (REIMBOLD, 2008). A Figura 2.7 ilustra a estrutura de um cantilever..