Memahami MEMS: Sistem Mikro-Elektro-Mekanis, Jenis, dan Aplikasi

Sistem Mikro-Elektro-Mekanis, atau MEMS, adalah perangkat atau mesin miniatur yang terdiri dari komponen mekanik dan listrik, menggunakan teknik mikrofabrikasi.

Istilah ‘MEMS’ sering digunakan untuk menggambarkan kategori sistem mekatronika mikro dan teknologi proses yang digunakan untuk memproduksinya. Beberapa MEMS tidak memiliki komponen mekanik, tetapi karena mengubah sinyal mekanik tertentu menjadi sinyal listrik atau optik, mereka diklasifikasikan sebagai MEMS.

Di Eropa, MEMS lebih dikenal sebagai teknologi sistem mikro, dan di Jepang, disebut sebagai mikromesin.

Ukuran MEMS

Dimensi fisik perangkat MEMS dapat berkisar dari 20 mikrometer hingga satu milimeter. Mereka terbuat dari komponen dengan ukuran antara 1 dan 100 mikrometer.

Sementara komponen individu bisa lebih kecil dari lebar rambut manusia, beberapa modul yang disusun dalam array dapat menempati area lebih dari persegi 10 sentimeter.

Perangkat MEMS biasanya berisi unit pemrosesan data pusat (seperti mikroprosesor) dan instrumen kecil yang berinteraksi dengan lingkungan (seperti mikrosensor).

Jenis MEMS

Ada dua bentuk teknologi switch MEMS: ohmik dan kapasitif.

1. Ohmik switch MEMS dikembangkan menggunakan kantilever elektrostatis. Karena kantilever bereformasi seiring waktu, switch ini dapat gagal karena aus kontak atau kelelahan logam.

2. Kapasitif switch dikontrol oleh papan bergerak atau elemen pen sensor yang mengubah kapasitansi. Dengan memanfaatkan karakteristik resonansi mereka, mereka dapat dikonfigurasi untuk mengalahkan perangkat ohmik dalam rentang frekuensi tertentu.

Bagaimana Cara Pembuatannya?

Sementara minat dalam produksi MEMS tumbuh pada tahun 1980-an, membutuhkan waktu hampir dua dekade untuk mendirikan infrastruktur desain dan manufaktur yang diperlukan untuk pengembangan komersialnya. Salah satu perangkat pertama yang diproduksi adalah nozel printer injek tinta dan pengontrol airbag.

Menggunakan teknologi ini, peneliti mampu membuat proyektor dengan mikrocermin (yang menggunakan MEMS) pada akhir tahun 1990-an. Seiring waktu, mikrosensor menjadi lebih populer: mereka secara bertahap diintegrasikan ke dalam berbagai jenis sensor, termasuk sensor untuk radiasi, medan magnet, suhu, dan tekanan.

Saat ini, MEMS digunakan dalam hampir semua perangkat pintar, dan mereka telah jauh lebih efisien (dalam hal kinerja dan konsumsi energi) daripada versi yang lebih besar. Mereka terdiri dari bagian seperti mikroprosesor, mikroaktuator, mikrosensor, beberapa unit pemrosesan data.

Pembuatan MEMS melibatkan teknik yang sama yang digunakan untuk menciptakan rangkaian terintegrasi dan perangkat semikonduktor. Teknik dasar adalah

• Deposition: Lapisan tipis (antara 1 dan 100 mikrometer) bahan disetorkan pada permukaan khusus.
• Patterning: Pola ditransfer ke dalam bahan menggunakan proses yang disebut litografi.
• Etching: Bahan dilarutkan dalam larutan kimia atau menggunakan ion reaktif untuk menghasilkan bentuk yang diperlukan.
• Die preparation: Setelah perangkat MEMS disiapkan pada wafel silikon, die individu dipisahkan, dan kemudian pemotongan wafel dilakukan melalui cairan pendingin atau proses laser kering.

Silikon adalah bahan paling umum yang digunakan untuk membuat MEMS. Ini tersedia dengan mudah, murah, dan memiliki keuntungan besar, terutama di bidang mikroelektronika. Misalnya, silikon hampir tidak mengalami kelelahan dan hampir tidak ada dissipasi energi.

Beberapa MEMS terbuat dari logam melalui proses elektroplating, evaporasi, dan sputtering. Logam yang menunjukkan tingkat keandalan tinggi termasuk emas, platinum, perak, tungsten, tembaga, titanium, dan aluminium.

Polimer juga dapat digunakan untuk memproduksi perangkat MEMS, karena dapat diproduksi dalam volume besar, dengan berbagai karakteristik bahan.

Bagaimana MEMS Berbeda dari NEMS?

NEMS (singkatan dari nano-electro-mechanical systems) adalah kelas perangkat yang memiliki karakteristik listrik dan mekanik pada skala nano. NEMS membentuk langkah miniaturisasi logis berikutnya dari MEMS.

Dalam istilah sederhana, NEMS mirip dengan MEMS tetapi lebih kecil: mereka memiliki elemen struktural kritis pada atau di bawah 100 nanometer (skala atom atau molekul).

Sementara NEMS dan MEMS disebut sebagai teknologi terpisah, mereka bergantung satu sama lain. Misalnya, mikroskop ujung penjelajahan, yang mendeteksi atom, adalah perangkat MEMS.

Dalam teknologi MEMS, gaya yang dihasilkan oleh dinamika fluida dan elektromagnetisme sekitar memerankan peran penting. Sedangkan dalam teknologi NEMS, mekanisme pengesanan berbasis permukaan dan efek mekanika kuantum besar juga krusial.

Berbeda dengan MEMS, teknologi NEMS menggunakan bahan berbasis karbon, khususnya berlian, nanotubul karbon, dan grafen. Akibat kemajuan besar dalam pertumbuhan, manipulasi, pengetahuan properti listrik dan mekanik grafen, peneliti semakin tertarik pada grafen untuk perangkat NEMS, seperti sensor tekanan, resonator, akselerometer, dan lainnya.

Contoh dan Aplikasi

Seiring MEMS menjadi lebih efisien dan lebih murah untuk dibuat, diharapkan mereka akan memerankan peran penting dalam IoT (internet of things) dan otomatisasi rumah. Aplikasi komersial umum MEMS adalah:

Akselerometer dalam smartphone | YouTube

• Akselerometer dalam kendaraan untuk berbagai tujuan, seperti kontrol stabilitas elektronik dan penyaluran airbag
• Sistem pendingin dan pemanas berdensor untuk sistem manajemen bangunan
• Switch optik yang digunakan untuk teknologi switching dan perataan untuk komunikasi data
• Sensor tekanan darah sekali pakai dan sensor tekanan kendaraan terbuat dari silikon
• Penenum mikro elektrostatis, elektromagnetis, dan piezoelektrik (digunakan untuk penenuman energi)
• Mikrofon kecil, barometer, dan giroskop untuk mendukung aplikasi smartphone
• Mikronozel yang digunakan dalam printer injek tinta untuk mengontrol aliran tinta.

Pasar Global

Banyak perusahaan bekerja pada proyek MEMS. Perusahaan kecil menawarkan nilai dalam solusi inovatif dan menangani biaya pembuatan kustom dengan margin penjualan tinggi. Perusahaan besar sebagian besar memproduksi bagian murah volume besar atau solusi dikemas untuk pasar akhir, seperti elektronik, biomedis, dan otomotif. Secara umum, baik perusahaan kecil maupun besar berinvestasi dalam riset dan pengembangan untuk membangun teknologi MEMS baru.

Menurut Grand View Research Inc, ukuran pasar MEMS global diperkirakan mencapai US$28,84 miliar pada tahun 2024. Pada tahun 2015, itu berada hampir US$12 miliar. Dengan mempertimbangkan popularitas yang meningkat dari gaya hidup terhubung, elektronik konsumen diharapkan menjadi segmen dominan (dengan lebih dari 40% dari porsi pendapatan global).

Masalah kalibrasi dan akurasi dapat melambatkan pertumbuhan pasar. Namun persaingan yang sengit akan memaksa pelaku industri untuk menjaga harga tetap rendah dalam tahun-tahun mendatang.