Aplicaciones de MEMS para teléfono móvil

Si los teléfonos móviles integran características cada vez más atractivas, para la 3ra. generación (3G) de servicios (Internet rápido, GPS, entretenimiento, juegos on line, noticias, correo electrónico, vídeo, fotos …), se necesitarán más MEMS.Estas nuevas funciones traerán nuevas cuestiones tales como: consumo de energía, flexibilidad, nuevas características y costo. El CAGR (Tasa de Crecimiento Anual Compuesta) para microteléfonos 3G se estima en 69 % para el período 2005-2007 mientras que para los Circuitos Integrados (ICs) es del 38.5 %. Realmente la 3G demandará un nuevo EVDO (Evolution Data Optimized – protocolo de transmisión por radio inalámbrica de datos) y plataformas WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access – soporte de servicios multimedia muy rápidos como video de movimiento completo, acceso de Internet y comunicación de video), nuevos chips y nuevo software. Algunas estimaciones valúan en más de 30.000 millones de dólares la participación de MEMS en la industria de los teléfonos móviles (incluye dispositivos RF, amplificadores de poder, drivers, memorias, sensores de imagen, etc).

El mercado de reemplazo es, por ahora, la porción mayor del negocio de teléfonos móviles a nivel mundial, y la diferenciación de productos es cada vez más difícil debido a la disponibilidad de las nuevas tecnologías de producción por parte de todos los fabricantes. Además, la vigencia de los productos se acorta, de 12 a 18 meses ya ha bajado a 8 a 12 meses.
Como breve descripción del concepto de generación, debemos decir que estas se definen por la diferenciación y/o calidad de las prestaciones y tecnologías que se integraron en los teléfonos móviles desde su aparición en 1979:
Los de la primera generación o 1G son analógicos, envían información sobre ondas cuya forma varía casi continuamente. Sólo se pueden usar para voz y su calidad de llamada es afectada por la interferencia.
La segunda generación o 2G sólo denomina una forma de marcar el cambio de protocolos de telefonía móvil analógica a digital.
Llegada alrededor de 1990 su desarrollo deriva de la necesidad de un mayor manejo de llamadas en prácticamente los mismos espectros de radiofrecuencia asignados, para lo cual se introdujeron protocolos de telefonía digital que permitían más enlaces simultáneos y, en la misma señal, integrar otros servicios como el Paging en un servicio denominado SMS, etc. Abarca varios protocolos (GSM, TDMA Cellular PCS o IS-136, CDMA, D-AMPS, PHS) desarrollados por varias compañías e incompatibles entre sí, lo que limitaba el área de uso de los teléfonos móviles.
En la tercera-generación o 3G los servicios asociados posibilitan transferir tanto voz y datos (una llamada telefónica) y datos no-voz (descarga de programas, intercambio de e-mail, y mensajería instantánea). Las tecnologías de 3G son la respuesta a la especificación IMT-2000 de la Unión Internacional de Telecomunicaciones. El estándar UMTS está basado en la tecnología W-CDMA. UMTS está gestionado por la organización 3GPP (abreviatura de 3rd Generation Partnership Project), también responsable de GSM, GPRS y EDGE.
Pero hay más!!!… ya viene la cuarta generación o 4G con una tecnología de acceso inalámbrico mediante ondas de radio, con transferencias de 1 gbps a 20km/h. No sólo define un estándar, sino que proporcionará un ambiente donde las conexiones podrán operar entre sí, proporcionando la sensación de interactuarse en tiempo real con servicios multimedia como video de alta calidad y videoconferencia, entre otros. Esperada para 2010, 4G cambiará radicalmente la forma a la cual el mundo ha estado acostumbrado a conectarse aumentado 10 veces las conexiones con base 3G.
Existe una muy fuerte correlación entre la ampliación, versatilidad y calidad de las funciones integradas en los teléfonos móviles con los avances que por otra parte (y en algunos casos, de manera específica) han expandido el potencial de la electrónica, el desarrollo de nuevos materiales, la industria del software y, más deslumbrantes quizás, los Nanodispositivos y sistemas Microelectromecánicos (MEMS).

Los Sistemas Microelectromecánicos (MEMS) son la integración de elementos mecánicos, sensores, accionadores, y electrónica en un sustrato de silicio común mediante la tecnología de microfabricación. Mientras la electrónica se fabrica usando el circuito integrado (IC) en secuencias de proceso (p.ej, CMOS, Bipolar, o procesos de BICMOS), los componentes micromecánicos son fabricados usando procesos “de microtrabajo a máquina”, (compatibles con el grabado al aguafuerte) sobre partes de una oblea de silicio y/o añadiendo nuevas capas estructurales para formar los dispositivos mecánicos y electromecánicos.
El MEMS promete revolucionar casi todas las categorías de producto juntando la microelectrónica a base de silicio con la tecnología de microtrabajo a máquina, haciendo posible la realización “systems-on-a-chip” (sistemas completos en un chip). El MEMS es una tecnología que permite al desarrollo de productos elegantes, aumentando la capacidad computacional de la microelectrónica con las capacidades de control y percepción de microsensores y microaccionadores y ampliando el espacio de posibles diseños y aplicaciones.

La captura de movimiento es una aplicación vital para acelerómetros y giroscopios. Éstos son, sensores de aceleración para el interfaz máquina / humano (activación de modo silenciosa, control de juegos, presentación de imagen, animación del logotipo activo). Los sensores 3D de aceleración están ya en la producción en Freescale, STM, Kionix y más de 15 compañías en Japón (MEW, DNP, etc.) Los otros dispositivos MEMS de inercia que podrían ser usados en teléfonos celulares son giroscopios. Ellos pueden ser usados para la estabilización de imagen junto al sensor de imagen (sobre todo para funciones con los nuevos sensores 3MPixels).
Los acelerómetros combinados con giroscopios podrían alcanzar un valor de mercado de 64 millones de dólares en 2008. Este cálculo es bastante conservador: Si la aplicación del sensor de aceleración es realmente útil, el mercado será significativamente mayor. Sólo un ejemplo: una aplicación de crecimiento muy fuerte en Corea para el sensor de aceleración es la capacidad de descargar logotipos que podrían ser activados por el movimiento del teléfono móvil. Los operadores de servicio venden tales “telecargas” y esto es un mercado muy importante en Corea. Tal negocio es permitido por el acelerómetro y los operadores quieren pagar por incorporar esta nueva función en el teléfono móvil porque así consiguen más ingresos (estamos directamente en la Regla 1 del negocio telefónico Móvil).
Una segunda aplicación de MEMS en teléfonos móviles es el reemplazo del micrófono de condensador electromagnético (ECM) por micrófonos de Silicio. Este mercado podría comenzar con productos de alta calidad con una tasa de crecimiento mayor al 80% en los próximos 3 años. Knowles Acoustics ha vendido 20 millones de unidades en 2004, más de 80 millones de unidades en 2005 y se cree que el mercado alcanzará más de 350 millones de unidades (o 157 millones de dólares) en 2008.
Dos clases de RF MEMS podrían ser de interés en comunicaciones móviles: interruptores de RF, permitiendo bandas de multifrecuencia y dispositivos pasivos de RF, sustituyendo los dispositivos pasivos existentes. Ya están en producción en Agilent e Infineon. Los interruptores de MEMS podrían permitir que teléfonos celulares funcionaran en bandas de frecuencia múltiples, pero deberían tener:

– Valores de pérdida de inserción bajos (<1 db)
– Bajo costo (<1 dólar)
– Operar con baja energía

Un problema serio del teléfono móvil es la corta duración de la batería. Se trabaja en el desarrollo de microcélulas de combustible. Este elemento debería tener al menos 1 semana de plena operación y su precio entre 3 y 8 dólares. Integrada directamente en el teléfono móvil con su acumulador, y esto a su vez integrar tecnologías MEMS. Toshiba, NEC y Fujitsui ya disponen de prototipos, con producción anunciada para 2007.

Aunque las tecnologías sean más cercanas a la microelectrónica que a las microtecnologías, los nuevos sensores de imagen también integrarán cada vez más dispositivos autofocus, aportando un alto valor agregado en funciones ópticas. Estos sensores, con resolución mayor a 1.3 MPixels necesitarán un módulo autofocus. Algunas compañías proponen lentillas de foco automáticas (tecnología de lente líquida de Varioptic) y otros investigan la tecnología MEMS para este fin (Siimpel).

La función de identificación es otra de las innovaciones previstas. Alps Electronics ha desarrollado una miniatura delgada que es sensible a la presión. Este sensor es más orientado hacia PDA pero los teléfonos móviles podrían ser un mercado de interés. Además serán importantes las innovaciones de pantalla, por cuanto las funciones multimedia necesitarán demostraciones muy avanzadas, y en este campo los MEMS pueden ofrecer buenas prestaciones en el futuro. Estas 2 aplicaciones pueden lograrse después de 2008, según la disponibilidad de producto y la clave de su éxito será el costo, si consideramos que el dispositivo actual, en un móvil de 2da. generación no supera los 20 dólares, el precio del dispositivo MEMS deberá ser proporcionadamente bajo.

Ante un futuro de móviles con más multifunción, hay cinco razones principales para integrar MEMS:
· Se requiere sensibilidad para detectar lo que pasa en el mundo externo: p.ej el uso de acelerómetros, giroscopios (para añadir nuevas capacidades de detección de movimientos) y autofocus para captura de imagen.
· Se necesita ampliar la vida útil del teléfono móvil: (microcélula de combustible para sustituir baterías)
· Se requiere más integración: (módulo de RF con dispositivos MEMS)
· Mayor definición y realce: (nueva pantalla capaz de mostrar vídeo)
· Necesidad de añadir nuevas funciones: (GPS, biometría, identificación …)

Sin embargo, hay que considerar que el negocio telefónico móvil se dinamiza según 3 leyes:

1. Las nuevas funciones son bienvenidas si pueden disminuir el precio o crear/aumentar la corriente de ingresos a operadores. El sensor de imagen es el ejemplo perfecto.
2. Si una nueva función puede ser realizada con software en lugar de hardware, el software siempre ganará. Es un vector de costo, volumen y peso: ejemplo de módulo de estabilización
3. Bajar el costo año tras año es clave. La disminución de precios por año está en el orden del 20 %.

Estiman que el mercado MEMS 2008 alcanzará un costo promedio del dispositivo de 6 dólares por teléfono móvil. La parte principal del mercado es para MEMS de inercia, micrófono de silicio y FBAR. Por supuesto, la presión de precios en el negocio telefónico móvil es realmente una coacción y los MEMS serán aprobados conforme al éxito de las nuevas funciones. Este análisis podría ser afectado por cambios positivos según dos vías principales:
Primero, habrá un fuerte impacto si las nuevas características proporcionados por dispositivos MEMS son aceptados por el usuario. El segundo impacto es la capacidad de los dispositivos MEMS para brindar capacidades técnicas ampliadas (como el tiempo de vida ampliado de la batería).