Sistemas microelectromecánicos

Un ácaro cerca de un grupo de engranajes producidos utilizando MEMS. Cortesía de los Laboratorios Nacionales Sandia (Sandia National Laboratories), tecnologías SUMMiTTM, www.mems.sandia.gov.

Sistemas Microelectromecánicos (Microelectromechanical Systems, MEMS) se refieren a la tecnología electromecánica, micrométrica y sus productos, y a escalas relativamente más pequeñas (escala nanométrica) se fusionan en sistemas nanoelectromecánicos (Nanoelectromechanical Systems, NEMS) y Nanotecnología. MEMS también se denominan 'Micro Máquinas' (en Japón) o 'Tecnología de Micro Sistemas' - MST (en Europa). Los MEMS son independientes y distintos de la hipotética visión de la nanotecnología molecular o Electrónica Molecular. MEMS en general varían en tamaño desde un micrómetro (una millonésima parte de un metro) a un milímetro (milésima parte de un metro). En este nivel de escala de tamaño, las construcciones de la física clásica no son siempre ciertas. Debido a la gran superficie en relación al volumen de los MEMS, los efectos de superficie como electrostática y viscosidad dominan los efectos de volumen tales como la inercia o masa térmica. El análisis de elementos finitos es una parte importante del diseño de MEMS. La tecnología de sensores ha hecho progresos significativos debido a los MEMS. La complejidad y el rendimiento avanzado de los sensores MEMS ha ido evolucionando con las diferentes generaciones de sensores MEMS.

El potencial de las máquinas muy pequeñas fue apreciado mucho antes de que existiera la tecnología que pudiera construirlas - véase, por ejemplo, la famosa lectura de 1959 de Feynman "Hay mucho espacio en lo pequeño". Los MEMS se convirtieron en prácticos una vez que pudieran ser fabricados utilizando modificación de tecnologías de fabricación de semiconductores, normalmente utilizadas en electrónica. Estos incluyen moldeo y galvanoplastia, grabado húmedo (KOH, TMAH) y grabado en seco (RIE y DRIE), el mecanizado por electro descarga (EDM), y otras tecnologías capaces de fabricar dispositivos muy pequeños.

Existen diferentes tamaños de empresas con importantes programas MEMS. Las empresas más grandes se especializan en la fabricación de componentes de bajo costo alto volumen o paquetes de soluciones para los mercados finales como el automotriz, biomedicina, y electrónica. El éxito de las pequeñas empresas es ofrecer valor en soluciones innovadoras y absorber el costo de fabricación con altos márgenes de ventas.Tanto las grandes como las pequeñas empresas realizan trabajos de I + D para explorar la tecnología MEMS.

Uno de los mayores problemas de los MEMS autónomos es la ausencia de micro fuentes de energía con alta densidad de corriente, potencia y capacidad eléctrica.

MEMS descripción

Los avances en el campo de los semiconductores están dando lugar a circuitos integrados con características tridimensionales e incluso con piezas móviles. Estos dispositivos, llamados Sistemas Micro electromecánicos (MEMS), pueden resolver muchos problemas que un microprocesador más el software o configuración no ASIC (Chip integrados de aplicación específica) no pueden. La tecnología MEMS puede aplicarse utilizando un sin número de diferentes materiales y técnicas de fabricación; la elección dependerá del tipo de dispositivo que se está creando y el sector comercial en el que tiene que operar.

Silicio

El silicio es el material utilizado para crear la mayoría de los circuitos integrados utilizados en la electrónica de consumo en el mundo moderno. Las economías de escala, facilidad de obtención y el bajo costo de los materiales de alta calidad y la capacidad para incorporar la funcionalidad electrónica hacen al silicio atractivo para una amplia variedad de aplicaciones de MEMS. El silicio también tiene ventajas significativas que han surgido a través de sus propiedades físicas. En la forma mono cristalina, el silicio es un material Hookeano (cumple la ley de Hooke) casi perfecto, lo que significa que cuando está en flexión prácticamente no hay histéresis y, por lo tanto, casi no hay disipación de energía. Así como para hacer movimientos altamente repetibles, esto hace también que el silicio sea muy fiable, ya que sufre muy pequeña fatiga y puede tener una duración de vida de servicio en el rango de billones o trillones de ciclos sin romper. Las técnicas básicas para la producción de todos los dispositivos MEMS basados en silicio son la deposición de capas de material, produciendo un patrón en estas capas por fotolitografía y luego grabando para producir las formas necesarias.

Polímeros

A pesar de que la industria de la electrónica proporciona una economía de escala para la industria del silicio, el silicio cristalino es todavía un material complejo y relativamente costoso de producir. Los polímeros por el contrario se pueden producir en grandes volúmenes, con una gran variedad de características materiales. Los dispositivos MEMS puede hacerse de polímeros, por los procesos de moldeo por inyección, estampado o estéreo litografía y son especialmente adecuados para aplicaciones micro fluídicas tales como los cartuchos desechables para análisis de sangre.

Metales

Los metales también se puede usar para crear elementos MEMS. Aunque los metales no tienen algunas de las ventajas mostradas por el silicio en términos de propiedades mecánicas, cuando son utilizan dentro de sus limitaciones, los metales pueden presentar grados muy altos de fiabilidad.

Los metales pueden ser depositados por galvanoplastia, por evaporación, y mediante procesos de pulverización.

Los metales comúnmente utilizados incluyen al oro, níquel, aluminio, cromo, titanio, tungsteno, plata y platino.

Procesos MEMS

Procesos de Deposición

Uno de los elementos básicos en el procesamiento de MEMS es la capacidad de depósito de películas delgadas de materiales. En este texto asumimos que una fina película puede tener un espesor de entre unos pocos nanómetros a unos 100 micrómetros. Los procesos de deposición de uso común son: Electroenchapado (Electroplating), Deposición pulverizada (Sputter deposition), la deposición física de vapor (PVD) y deposición química de vapor (CVD).

Fotolitografía

Litografía en el contexto MEMS es, por lo general la transferencia de un patrón a un material fotosensible por exposición selectiva a una fuente de radiación, como la luz. Un material fotosensible es un material que experimenta un cambio en sus propiedades físicas cuando es expuesto a una fuente de radiación. Si nosotros exponemos selectivamente un material fotosensible a la radiación (por ejemplo, mediante el enmascaramiento de algo de la radiación) el patrón de la radiación sobre el material es transferido al material expuesto, resultando en que las propiedades de las regiones expuestas y no expuestas difieren.

Esta región expuesta puede luego ser eliminada o tratada proveyendo una máscara para el sustrato subyacente. La Fotolitografía es típicamente usada con metal u otra deposición de película delgada, en procesos de grabado secos o mojados.

Procesos de grabado

Hay dos categorías básicas de procesos de grabado: grabado mojado y seco. En el primer caso, el material se disuelve cuando se sumerge en una solución química. En el último, el material se pulveriza o disuelve utilizando vapor iones reactivos o un grabado de fase vapor. Véase Williams y Muller [1] o Kovacs, Maluf y Peterson [2] para un poco de visión de conjunto de las tecnologías de grabado MEMS.

Grabado húmedo o mojado

El grabado por mojado químico consiste en una eliminación selectiva de material por inmersión de un sustrato dentro de una solución que la pueda disolver. La naturaleza química de este proceso proporciona una buena selectividad, lo cual significa que la tasa de grabado del material a grabar es considerablemente más alta que la del material de la máscara si se selecciona cuidadosamente.

Algunos materiales mono cristalinos, como el silicio, tendrán diferentes tasas de grabados dependiendo en la orientación cristalográfica del sustrato. Esto se conoce como grabado anisotrópico y uno de los ejemplos más comunes es el grabado del silicio en KOH (hidróxido de potasio), donde los planos<111> del Silicio se graban aproximadamente 100 veces más lento que otros planos (orientaciones cristalográficas). Por lo tanto, grabando un agujero rectangular en un (100)- una oblea de silicio resulta en en un grabado de ranuras en forma de pirámide con paredes en ángulo de 54.7°, en lugar de un agujero con paredes curvas como podría ser el caso del grabado isotrópico, donde los procesos de grabado progresan a la misma velocidad en todas las direcciones. Agujeros largos y estrechos en una máscara producirán surcos en el silicio. La superficie de estas ranuras puede ser automáticamente suavizadas si el grabado se lleva a cabo correctamente, con las dimensiones y los ángulos siendo extremadamente precisos.

El grabado Electroquímico (CEPE) para una eliminación selectiva del dopante del silicio es un método común para automatizar y controlar selectivamente el grabado. Se requiere un diodo de juntura p-n activo, y cualquier tipo de dopante puede actuar como material resistente al grabado ("detención del grabado"). El Boro es el dopante más común de detención del grabado. En combinación con el grabado mojado anisotrópico como se ha descrito anteriormente, el ECE se ha utilizado con éxito para el control del espesor del diafragma de silicio en sensores de presión piezo-resistivos de silicio. Las regiones selectivamente dopadas pueden ser creadas tanto por implantación, difusión, o deposición epitaxial de silicio.

Grabado por iones reactivos (RIE)

En el grabado por iones reactivos (RIE), el sustrato se coloca dentro de un reactor en el que se introducen varios gases. El plasma es pulsado en la mezcla de gases utilizando una fuente de energía de RF, rompiendo las moléculas del gas en iones. Los iones son acelerados y reaccionan con la superficie del material siendo grabado, formando otro material gaseoso. Esto se conoce como la parte química del grabado por iones reactivos. También hay una parte física que es de naturaleza similar al proceso de deposición por pulverización. Si los iones poseen energía suficientemente alta, pueden impactar a los átomos fuera del material a ser grabado sin una reacción química. Es una tarea muy compleja desarrollar procesos de grabado en seco que equilibren grabado químico y físico, ya que hay muchos parámetros a ajustar. Al cambiar el equilibrio es posible influir en la anisotropía del grabado, ya que la parte química es isotrópica y la parte física altamente anisotrópica, la combinación puede formar paredes laterales, que tienen formas desde redondeadas a verticales.

Grabado profundo de iones reactivos (DRIE)

Una subclase de la RIE, que continúa creciendo rápidamente en popularidad es la RIE profunda (DRIE). En este proceso, las profundidades de grabado de cientos de micrómetros pueden ser alcanzados con paredes casi verticales. La principal tecnología se basa en el llamado "proceso de Bosch" [3], llamado luego de que la empresa alemana Robert Bosch, presentara la patente original, donde dos composiciones de gases diferentes se alternan en el reactor. Actualmente hay dos variaciones de la DRIE. La primera modificación consiste en tres pasos (el proceso de Bosch, tal como se utiliza en la herramienta UNAXIS), mientras que la segunda variación sólo consiste en dos pasos (ASE utilizado en la herramienta de STB). En la 1 ª Modificación, el ciclo de grabado es el siguiente: (i) SF6 grabado isotrópico; (ii) C4F8 pasivación; (iii) SF6 grabado anisoptrópico para limpieza de suelo. En la 2 ª variación, los pasos (i) y (iii) se combinan.

Ambas variaciones funcionan de manera similar. El C4F8 crea un polímero sobre la superficie del sustrato, y en el segunda, la composición del gas (SF6 y O2) graba el sustrato. El polímero es inmediatamente pulverizado lejos por la parte física del grabado, pero sólo en las superficies horizontales y no en las paredes laterales. Desde el polímero sólo se disuelve muy lentamente en la parte de la química de grabado, se acumula en las paredes laterales y los protege de grabado. Como resultado de ello, el grabado se pueden alcanzar relaciones de aspecto de 50 a 1. El proceso puede ser utilizado fácilmente para grabar completamente a través de un sustrato de silicio, y las tasas de grabado son 3-4 veces más altas que el grabado mojado.

Grabado por difluoruro de Xenon

El difluoruro de Xenon (XeF2) es un grabador por fase de vapor seco isotrópica para silicio originalmente aplicada en MEMS en 1995 en la Universidad de California, Los Angeles [4] [5]. Originalmente usada para la liberdarión de estructuras de metal y dieléctricas por medio del cortado del silicio, XeF2 tiene la ventaja de no tener pegado por viscosidad a diferencia del grabado mojado. Su selectividad de grabado es muy alta, lo que le permite trabajar con fotoresistencia, SiO2, nitruro de silicio, y diversos metales para enmascarar. Su reacción al silicio es "libre de plasma", es puramente químico y espontáneo y a menudo es operado en modo pulsado. Se encuentran disponibles modelos de la acción del grabado están disponibles[6], y laboratorios universitarios y diversas herramientas comerciales ofrecen soluciones utilizando este enfoque.

Paradigmas de los MEMS de Silicio

Micromaquinado volumétrico

Micromaquinado volumétrico es el paradigma más antiguo de los MEMS basado en silicio. Todo el grosor de una oblea de silicio se utiliza para la construcción de las micro-estructuras mecánicas. [2] El silicio es mecanizado utilizando diversos procesos de grabado. La unión anódica de placas de vidrio u obleas de silicio adicionales se utilizan para añadir características tridimensionales y para encapsulación hermética. El micromáquinado volumétrico ha sido esencial para que los sensores de presión de alto rendimiento y acelerómetros que han cambiado la forma de la industria de los sensores en los 80's y 90's.

Micromáquinado superficial

El micromáquinado superficial utiliza deposición de capas sobre la superficie de un sustrato como material estructural, en lugar de utilizar el sustrato mismo. [7] El micromaquinado superficial se creó a fines de los 80 para hacer el micromáquinado de silicio más compatibles con la tecnología de circuito integrado plano, con el objetivo de la combinación de MEMS y circuitos integrados en la misma oblea de silicio. El concepto original del micromaquinado superficial se basa en delgadas capas de silicio policristalino modelado como estructuras mecánicas móviles y expuestas por grabado de sacrificio de las subcapas de óxido. Electrodos en peine interdigital son utilizados para producir fuerzas en plano y detectar movimientos en plano de forma capacitiva. Este paradigma MEMS ha permitido a la manufactura de acelerometros de bajo costo, por ejemplo sistemas de Bolsas de aire para automóviles (Air-bags) y otras aplicaciones donde bajos rendimientos y/o altos rangos de "g" son suficientes. Mecanismos Analógicos han sido pioneros en la industrialización del micromaquinado superficial y han realizado la co-integración de los MEMS y los circuitos integrados.

Micromaquinado de Alta relación de aspecto (HAR)

Ambos micromaquinados volumétrico y superficial son todavía usados en la producción industrial de los sensores, las boquillas de chorro de tinta y otros dispositivos. Pero, en muchos casos, la distinción entre estos dos ha disminuido. La nueva tecnología de grabado, el grabado profundo por iones reactivos ha hecho posible combinar el buen desempeño típico del micromaquinado volumetrico con estructuras en peine y operaciones en plano típicas de micromaquinado superficial. Si bien es común en el micromaquinado superficial tener espesores de capa estructurales en el rango de 2 μm, en el micromaquinado HAR el espesor es de 10 a 100 μm. Los materiales comúnmente utilizados en el micromaquinado HAR son silicio policristalino denso, conocido como epi-poly, y las obleas pegadas de silicio-sobre-aislante (SOI), si bien los procesos para las obleas de silicio volumetricas también han sido creadas (SCREAM). Pegando una segunda oblea mediante fritura de vidrio, la unión anódica o unión de aleación se utiliza para proteger las estructuras MEMS. Los circuitos integrados están normalmente no combinados con el micromaquinado HAR. El consenso de la industria en este momento parece ser que la flexibilidad y la reducción en complejidad obtenidos teniendo las dos funciones separadas parece pesar más que la pequeña penalidad en el envasado.

Aplicaciones

Aplicaciones comunes incluyen:

• Impresoras de inyección de tinta, que utilizan piezoeléctricos o burbuja térmica de eyección para depositar la tinta sobre el papel.
• Acelerómetros en los automóviles modernos para un gran número de finalidades, entre ellas el despliegue de colchón de aire (airbag) en las colisiones.
• Acelerómetros en dispositivos de electrónica de consumo, tales como controladores de juegos (Nintendo Wii), reproductores multimedia personales y teléfonos móviles (Apple iPhone) [8] y una serie de Cámaras Digitales (varios modelos Canon Digital IXUS). También se usa en ordenadores para estacionar el cabezal del disco duro cuando es detectada una caída libre, para evitar daños y pérdida de datos.
• Giroscopios MEMS modernos utilizados en automóviles y otras aplicaciones de orientación para detectar, por ejemplo, un rolido y desplegar una cortina air-bag más o activar el control dinámico de estabilidad.
• Sensores de presión de Silicio, por ejemplo, en sensores de presión de neumáticos de automóviles, y en sensores de presión arterial desechables.
• Pantallas por ejemplo, el chip DMD en un proyector basado en la tecnología DLP posee en su superficie varios cientos de miles de microespejos.
• Tecnología de conmutación de fibra óptica que se utiliza para tecnología de conmutación y alineación para comunicaciones de datos.
• Proyector de cine digital : Philippe Binant^[1] realizó, 2000, la primera proyección de cine numérico público de Europa, fundada sobre la aplicación de un MEMS desarrollado por Texas Instruments^[2] .
• Aplicaciones Bio-MEMS aplicaciones en medicina y tecnologías relacionadas con la salud desde Lab-On-Chip (laboratorios en un chip) a Análisis Micro Total (biosensores, sensores químicos) para MicroTotalAnalysis (biosensor, chemosensor).
• Aplicaciones IMOD en la electrónica de consumo (sobre todo pantallas en los dispositivos móviles). Se utiliza para crear tecnología pantalla de modulación interferométrica - reflexiva.
• El Adams Golf DiXX Digital Instrucción Putter usa MEMS, concretamente un microsistema de navegación inercial para analizar los factores del movimiento del swing, incluyendo el camino, el tiempo, la velocidad y los niveles de vibración de la mano.
• Microscopia de fuerza atómica o AFM: Los sensores de fuerza (micropalancas) usados en AFM son en sí sistemas microelectromecánicos producidos con técnicas de microfabricación. Con estos pueden obtenerse medidas de fuerzas en el rango de pN (piconewton) a nN (nanonewton), así como levantar topografías de superficies a escala atómica.

Investigación y Desarrollos MEMS

Los investigadores en MEMS utilizan diversas herramientas de software de ingeniería para llevar un diseño desde el concepto a la simulación, prototipado y ensayos. El análisis por elementos finitos (Finite element methods, FEM) es una parte importante en el diseño de los MEMS. Simulación dinámica, del calor, y eléctrica, entre otras, pueden ser realizadas por ANSYS y COMSOL, así como por COVENTOR. Otro software, como MEMS-PRO, se utiliza para producir una composición del diseño adecuado para la entrega a la empresa de fabricación. Una vez que los prototipos están listos, los investigadores pueden probarlos utilizando diversos instrumentos, entre ellos vibrómetros de escaneo doppler láser, microscopios, y estroboscopios.

Véase también

• NEMS, Sistemas nanoelectromecánicos (Nanoelectromechanical systems) son similares a los MEMS, pero más pequeños
• MOEMS, Sistemas Micro opto-electro-mecánicos (Micro Opto-Electrical-Mechanical Systems), MEMS incluyendo elementos ópticos
• Micropower, Generadores de hidrógenos, turbinas de gas, y generadores eléctricos realizados en silicio grabado
• MEMSuniverse, http://www.memsuniverse.com/ Vídeos de MEMS
• microFAB Bremen - Ver por procesos MEMS microFAB Bremen GmbH
• IBM Millipede, una tecnologío MEMS para el almacenamiento no voltátil de datosde más de un terabit por pulgada cuadrada
• Freescale Semiconductor un proveedor de alto volumen de acelerómetros y sensores de presión por más de 25 años
• STMicroelectronics para acelerómetros 2D y 3D
• Systron Donner Inertial (SDI) un nuevo líder en giroscópos MEMS basados en cuarzo
• Texas Instruments pioneros del Dispositivo digital de microespejos DMD chip
• VPInstruments http://www.vpinstruments.com. El Co-fundador de VPInstruments, Anton van Putten inventó en 1974 el primer sensor de flujo MEMS del mundo.
• Yamatake http://www.yamatake.com/ pioneered MEMS sensor technology in the early 80's and one of the major early players in development of CMOS (or comparable technology) flow sensors
• Sensirion http://www.sensirion.com/ Convirtió a los sensores de flujo MEMS en inteligentes, mediante la combinación de la tecnología MEMS con conversores analógico-digitales en un sólo chip usando tecnología CMOS
• ADI uno de los mayores primeros jugadores en el desarrollo de los acelerómetros
• Lucent Technologies quien desarrollo switches ópticos para telecomunicaciones altamente avanzados
• Cantilever una de las formas más común de MEMS.
• MEMS Thermal Actuator actuación de MEMS creada por expansión térmica
• Electrostatic motors usados donde son difíciles de construir espiras
• PolyTec http://www.polytec.com/default.asp Fabricantes de Lásers y equipamiento de perfilado y barrido basados en luz
• Sonion http://www.sonion.com/ Fabricantes de micrófonos MEMS
• IMOD http://www.qualcomm.com/qmt Fabricantes de pantallas MEMS
• Alcatel Micro Machining Systems Fabricantes de sistemas DRIE
• Applied MicroStructures http://www.appliedmst.com/ MEMS yield and lifetime improvement using vapor-deposited anti-stiction coatings
• Microvision http://www.microvision.com/ El proyector PicoP usa un único chip MEMS para inclinar rápidamente un micro espejo que relfeja un laser RGB para barrer una imagen sobre cualquier superficie
• Proceso liga Descripción del proceso LIGA

Notas

1. ↑ Philippe Binant
2. ↑ Texas Business