MEMS, elektronik devreler (işlemciler) ile mekanik parçaların (sensörler, aynalar, dişliler) mikroskobik bir çip üzerinde birleştirilmesidir. Bir insan saç telinden daha ince olan bu sistemler, fiziksel dünyayı algılar ve yönetir.
Bu kadar küçük yapıların milyonlarca kez hareket edip bozulmamasını sağlamak, doğru malzeme seçimine bağlıdır. İşte MEMS üretiminde kullanılan temel yapı taşları:
Elektronik dünyasında olduğu gibi MEMS dünyasında da tartışmasız kral Silikondur. Ancak silikonun buradaki görevi sadece elektrik iletmek değildir; aynı zamanda mükemmel bir "mekanik" malzemedir.
Neden Silikon?
Mükemmel Elastikiyet: Çelik gibi metaller büküldüğünde zamanla deforme olur (yamulur). Silikon ise oda sıcaklığında "akma noktasına" sahip değildir. Milyarlarca kez bükülse bile ya orijinal haline tam döner ya da kırılır. Asla yamulmaz. Bu, yorulma ömrü gerektiren sensörler için hayati önem taşır.
Entegrasyon: Elektronik devreler zaten silikon üzerine kuruludur. Mekanik parçaları da aynı malzemeden yapmak, sensör ve işlemciyi tek pakette üretmeyi ucuzlatır.
Silikon sert ve kırılgandır. Ancak bazen esneklik ve biyolojik uyumluluk gerekir. İşte burada Polimerler devreye girer. Özellikle biyomedikal MEMS (BioMEMS) uygulamalarında vazgeçilmezdirler.
PDMS (Polidimetilsiloksan): Mikroakışkanlar (Lab-on-a-chip) teknolojisinde en çok kullanılan malzemedir. Şeffaftır, esnektir ve gaz geçirgendir. Kan tahlili yapan mikro çipler genellikle bundan üretilir.
SU-8: Kalın ve yüksek oranlı yapılar oluşturmak için kullanılan ışığa duyarlı bir epoksi türüdür.
MEMS cihazlarında metaller genellikle iki amaçla kullanılır: Elektriksel bağlantı (kablolama) ve manyetik aktivasyon.
Altın, Bakır ve Alüminyum: İletkenlikleri için kullanılır.
Nikel: Manyetik özellikleri nedeniyle, manyetik alanla kontrol edilen mikro robotlarda veya sensörlerde tercih edilir.
Şekil Hafızalı Alaşımlar (TiNi): Isıtıldığında eski şekline dönen bu metaller, mikro vanaları açıp kapatmak için "kas" görevi görür.
Ancak metallerin "metal yorulması" sorunu olduğu için, sürekli hareket eden parçalarda silikon kadar tercih edilmezler.
Bazı malzemeler vardır ki, üzerlerine baskı uyguladığınızda elektrik üretirler veya elektrik verdiğinizde şekil değiştirirler. Buna Piezoelektrik Etki denir.
PZT (Kurşun Zirkonat Titanat): En yaygın piezoelektrik seramiktir. Mikro hoparlörlerde, ultrasonik sensörlerde ve inkjet yazıcıların püskürtme başlıklarında kullanılır. Hareketi elektriğe, elektriği harekete çeviren en verimli "tercüman"dır.
MEMS teknolojisi daha da küçülerek NEMS (Nano-Elektro-Mekanik Sistemler) seviyesine indikçe, silikon bile fazla kalın kalmaya başladı. Tek atom kalınlığındaki Grafen, inanılmaz dayanıklılığı ve elektriksel özellikleriyle yeni nesil ultra-hassas sensörlerin kapısını aralıyor.
Bu malzemeleri bir torna tezgahında işleyemezsiniz. Üretim, "Mikrofabrikasyon" yöntemleriyle yapılır:
Yığın (Bulk) Mikrojşleme: Silikon bloğun kendisinin oyularak şekillendirilmesi.
Yüzey (Surface) Mikroişleme: Tabanın üzerine katman katman malzeme ekleyip, sonra geçici katmanların asitle eritilmesiyle hareketli parçaların serbest bırakılması.
MEMS teknolojisi, malzemelerin sadece elektriksel değil, mekanik özelliklerinin de sınırlarını zorlar. Silikonun sağlamlığı, polimerlerin esnekliği ve seramiklerin dönüştürücü gücü birleştiğinde; arabalarımız daha güvenli, telefonlarımız daha akıllı ve sağlık cihazlarımız daha hassas hale gelir. Mikro dünyada malzeme, her şey demektir.
