Microelectromechanical systems (MEMS)

Microelectromechanical systems (MEMS)

Introduction

Microelectromechanical systems (MEMS) are small integrated devices or systems that combine electrical and mechanical components. They range in size from the sub micrometer (or sub micron) level to the millimeter level, and there can be any number, from a few to millions, in a particular system. MEMS extend the fabrication techniques developed for the integrated circuit industry to add mechanical elements such as beams, gears, diaphragms, and springs to devices.

Examples of MEMS device applications include inkjet-printer cartridges, accelerometers, miniature robots, microengines, locks, inertial sensors, microtransmissions, micromirrors, micro actuators, optical scanners, fluid pumps, transducers, and chemical, pressure and flow sensors. New applications are emerging as the existing technology is applied to the miniaturization and integration of conventional devices.

These systems can sense, control, and activate mechanical processes on the micro scale, and function individually or in arrays to generate effects on the macro scale. The micro fabrication technology enables fabrication of large arrays of devices, which individually perform simple tasks, but in combination can accomplish complicated functions.
MEMS are not about any one application or device, nor are they defined by a single fabrication process or limited to a few materials. They are a fabrication approach that conveys the advantages of miniaturization, multiple components, and microelectronics to the design and construction of integrated electromechanical systems. MEMS are not only about miniaturization of mechanical systems; they are also a new paradigm for designing mechanical devices and systems.

The MEMS industry has an estimated $10 billion market, and with a projected 10-20% annual growth rate, it is estimated to have a $34 billion market in 2002. Because of the significant impact that MEMS can have on the commercial and defense markets, industry and the federal government have both taken a special interest in their development.

Historical Background

The invention of the transistor at Bell Telephone Laboratories in 1947 sparked a fast-growing microelectronic technology. Jack Kilby of Texas Instruments built the first integrated circuit (IC) in 1958 using germanium (Ge) devices. It consisted of one transistor, three resistors, and one capacitor. The IC was implemented on a sliver of Ge that was glued on a glass slide. Later that same year Robert Noyce of Fairchild Semiconductor announced the development of a planar double-diffused Si IC. The complete transition from the original Ge transistors with grown and alloyed junctions to silicon (Si) planar double-diffused devices took about 10 years. The success of Si as an electronic material was due partly to its wide availability from silicon dioxide (SiO2) (sand), resulting in potentially lower material costs relative to other semiconductors.

Since 1970, the complexity of ICs has doubled every two to three years. The minimum dimension of manufactured devices and ICs has decreased from 20 microns to the sub micron levels of today. Current ultra-large-scale-integration (ULSI) technology enables the fabrication of more than 10 million transistors and capacitors on a typical chip.

IC fabrication is dependent upon sensors to provide input from the surrounding environment, just as control systems need actuators (also referred to as transducers) in order to carry out their desired functions. Due to the availability of sand as a material, much effort was put into developing Si processing and characterization tools. These tools are now being used to advance transducer technology. Today's IC technology far outstrips the original sensors and actuators in performance, size, and cost.

Attention in this area was first focused on microsensor (i.e., microfabricated sensor) development. The first microsensor, which has also been the most successful, was the Si pressure sensor. In 1954 it was discovered that the piezoresistive effect in Ge and Si had the potential to produce Ge and Si strain gauges with a gauge factor (i.e., instrument sensitivity) 10 to 20 times greater than those based on metal films. As a result, Si strain gauges began to be developed commercially in 1958. The first high-volume pressure sensor was marketed by National Semiconductor in 1974. This sensor included a temperature controller for constant-temperature operation. Improvements in this technology since then have included the utilization of ion implantation for improved control of the piezoresistor fabrication. Si pressure sensors are now a billion-dollar industry .

Around 1982, the term micromachining came into use to designate the fabrication of micromechanical parts (such as pressure-sensor diaphragms or accelerometer suspension beams) for Si microsensors. The micromechanical parts were fabricated by selectively etching areas of the Si substrate away in order to leave behind the desired geometries. Isotropic etching of Si was developed in the early 1960s for transistor fabrication. Anisotropic etching of Si then came about in 1967. Various etch-stop techniques were subsequently developed to provide further process flexibility.

These techniques also form the basis of the bulk micromachining processing techniques. Bulk micromachining designates the point at which the bulk of the Si substrate is etched away to leave behind the desired micromechanical elements . Bulk micromachining has remained a powerful technique for the fabrication of micromechanical elements. However, the need for flexibility in device design and performance improvement has motivated the development of new concepts and techniques for micromachining.

Among these is the sacrificial layer technique, first demonstrated in 1965 by Nathanson and Wickstrom [15], in which a layer of material is deposited between structural layers for mechanical separation and isolation. This layer is removed during the release etch to free the structural layers and to allow mechanical devices to move relative to the substrate. A layer is releasable when a sacrificial layer separates it from the substrate. The application of the sacrificial layer technique to micromachining in 1985 gave rise to surface micromachining, in which the Si substrate is primarily used as a mechanical support upon which the micromechanical elements are fabricated.

Prior to 1987, these micromechanical structures were limited in motion. During 1987-1988, a turning point was reached in micromachining when, for the first time, techniques for integrated fabrication of mechanisms (i.e. rigid bodies connected by joints for transmitting, controlling, or constraining relative movement) on Si were demonstrated. During a series of three separate workshops on microdynamics held in 1987, the term MEMS was coined. Equivalent terms for MEMS are microsystems (preferred in Europe) and micromachines (preferred in Japan).

Fabrication Technologies

The three characteristic features of MEMS fabrication technologies are miniaturization, multiplicity, and microelectronics. Miniaturization enables the production of compact, quick-response devices. Multiplicity refers to the batch fabrication inherent in semiconductor processing, which allows thousands or millions of components to be easily and concurrently fabricated. Microelectronics provides the intelligence to MEMS and allows the monolithic merger of sensors, actuators, and logic to build closed-loop feedback components and systems. The successful miniaturization and multiplicity of traditional electronics systems would not have been possible without IC fabrication technology.

Therefore, IC fabrication technology, or microfabrication, has so far been the primary enabling technology for the development of MEMS. Microfabrication provides a powerful tool for batch processing and miniaturization of mechanical systems into a dimensional domain not accessible by conventional (machining) techniques. Furthermore, microfabrication provides an opportunity for integration of mechanical systems with electronics to develop high-performance closed-loop-controlled MEMS.

Advances in IC technology in the last decade have brought about corresponding progress in MEMS fabrication processes. Manufacturing processes allow for the monolithic integration of microelectromechanical structures with driving, controlling, and signal-processing electronics. This integration promises to improve the performance of micromechanical devices as well as reduce the cost of manufacturing, packaging, and instrumenting these devices [7].

Fabrication

Any discussion of MEMS requires a basic understanding of IC fabrication technology, or microfabrication, the primary enabling technology for the development of MEMS. The major steps in IC fabrication technology are film growth, doping, lithography, etching, dicing, and packaging.

Film growth: Usually, a polished Si wafer is used as the substrate, on which a thin film is grown. The film, which may be epitaxial Si, SiO2, silicon nitride (Si3N4), polycrystalline Si (polysilicon), or metal, is used to build both active or passive components and interconnections between circuits.

Doping: To modulate the properties of the device layer, a low and controllable level of an atomic impurity may be introduced into the layer by thermal diffusion or ion implantation.
Lithography: A pattern on a mask is then transferred to the film by means of a photosensitive (i.e., light sensitive) chemical known as a photoresist. The process of pattern generation and transfer is called photolithography. A typical mask consists of a glass plate coated with a patterned chromium (Cr) film.

Etching: Next is the selective removal of unwanted regions of a film or substrate for pattern delineation. Wet chemical etching or dry etching may be used. Etch-mask materials are used at various stages in the removal process to selectively prevent those portions of the material from being etched. These materials include SiO2, Si3N4, and hard-baked photoresist.

Dicing: The finished wafer is sawed or machined into small squares, or dice, from which electronic components can be made.

Packaging: The individual sections are then packaged, a process that involves physically locating, connecting, and protecting a device or component. MEMS design is strongly coupled to the packaging requirements, which in turn are dictated by the application environment.

Bulk Micromachining and Wafer Bonding

Bulk micromachining is an extension of IC technology for the fabrication of 3D structures. Bulk micromachining of Si uses wet- and dry-etching techniques in conjunction with etch masks and etch stops to sculpt micromechanical devices from the Si substrate. The two key capabilities that make bulk micromachining a viable technology are:

1) Anisotropic etchants of Si, such as ethylene-diamine and pyrocatechol (EDP), potassium hydroxide (KOH), and hydrazine (N2H4). These preferentially etch single crystal Si along given crystal planes.
2) Etch masks and etch-stop techniques that can be used with Si anisotropic etchants to selectively prevent regions of Si from being etched. Good etch masks are provided by SiO2 and Si3N4, and some metallic thin films such as Cr and Au (gold).
A drawback of wet anisotropic etching is that the microstructure geometry is defined by the internal crystalline structure of the substrate. Consequently, fabricating multiple, interconnected micromechanical structures of free-form geometry is often difficult or impossible. Two additional processing techniques have extended the range of traditional bulk micromachining technology: deep anisotropic dry etching and wafer bonding. Reactive gas plasmas can perform deep anisotropic dry etching of Si wafers, up to a depth of a few hundred microns, while maintaining smooth vertical sidewall profiles. The other technology, wafer bonding, permits a Si substrate to be attached to another substrate, typically Si or glass. Used in combination, anisotropic etching and wafer bonding techniques can construct 3D complex microstructures such as microvalves and micropumps .

Surface Micromachining

Surface micromachining enables the fabrication of complex multicomponent integrated micromechanical structures that would not be possible with traditional bulk micromachining. This technique encases specific structural parts of a device in layers of a sacrificial material during the fabrication process. The substrate wafer is used primarily as a mechanical support on which multiple alternating layers of structural and sacrificial material are deposited and patterned to realize micromechanical structures. The sacrificial material is then dissolved in a chemical etchant that does not attack the structural parts. The most widely used surface micromachining technique, polysilicon surface micromachining, uses SiO2 as the sacrificial material and polysilicon as the structural material.

At the University of Wisconsin at Madison, polysilicon surface micromachining research started in the early 1980s in an effort to create high-precision micro pressure sensors. The control of the internal stresses of a thin film is important for the fabrication of microelectromechanical structures. The microelectronic fabrication industry typically grows polysilicon, silicon nitride, and silicon dioxide films using recipes that minimize time. Unfortunately, a deposition process that is optimized to speed does not always create a low internal stress film. In fact, most of these films have internal stresses that are highly compressive (tending to contract). A freestanding plate of highly compressive polysilicon that is held at all its edges will buckle (i.e., collapse or give way). This is highly undesirable. The solution is to modify the film deposition process to control the internal stress by making it stress-free or slightly tensile.

One way to do this is to dope the film with boron, phosphorus, or arsenic. However, a doped polysilicon film is conductive, and this property may interfere with the mechanical devices incorporated electronics. Another problem with doped polysilicon is that it is roughened by hydrofluoric acid (HF), which is commonly used to free sections of the final mechanical device from the substrate. Rough polysilicon has different mechanical properties than smooth polysilicon. Therefore, the amount of roughening must be taken into account when designing the mechanical parts of the micro device.

A better way to control the stress in polysilicon is through post annealing, which involves the deposition of pure, fine-grained, compressive (i.e., can be compressed) polysilicon. Annealing the polysilicon after deposition at elevated temperatures can change the film to be stress-free or tensile. The annealing temperature sets the film's final stress. After this, electronics can then be incorporated into polysilicon films through selective doping, and hydrofluoric acid will not change the mechanical properties of the material .

Deposition temperature and the film's silicon to nitride ratio can control the stress of a silicon nitride (Si3N4) film. The films can be deposited in compression, stress-free, or in tension [6].
Deposition temperature and post annealing can control silicon dioxide (SiO2) film stress. Because it is difficult to control the stress of SiO2 accurately, SiO2 is typically not used as a mechanical material by itself, but as electronic isolation or as a sacrificial layer under polysilicon.

Micromolding

In the micromolding process, microstructures are fabricated using molds to define the deposition of the structural layer. The structural material is deposited only in those areas constituting the microdevice structure, in contrast to bulk and surface micromachining, which feature blanket deposition of the structural material followed by etching to realize the final device geometry. After the structural layer deposition, the mold is dissolved in a chemical etchant that does not attack the structural material. One of the most prominent micromolding processes is the LIGA process. LIGA is a German acronym standing for lithographie, galvanoformung, und abformung (lithography, electroplating, and molding). This process can be used for the manufacture of high-aspect-ratio 3D microstructures in a wide variety of materials, such as metals, polymers, ceramics, and glasses. Photosensitive polyimides are also used for fabricating plating molds. The photolithography process is similar to conventional photolithography, except that polyimide works as a negative resist.

Applications of MEMS
Here are some examples of MEMS technology:

Pressure Sensors

MEMS pressure microsensors typically have a flexible diaphragm that deforms in the presence of a pressure difference. The deformation is converted to an electrical signal appearing at the sensor output. A pressure sensor can be used to sense the absolute air pressure within the intake manifold of an automobile engine, so that the amount of fuel required for each engine cylinder can be computed. In this example, piezoresistors are patterned across the edges of a region where a silicon diaphragm will be micromachined. The substrate is etched to create the diaphragm. The sensor die is then bonded to a glass substrate, creating a sealed vacuum cavity under the diaphragm. The die is mounted on a package, where the topside of the diaphragm is exposed to the environment. The change in ambient pressure forces the downward deformation of the diaphragm, resulting in a change of resistance of the piezoresistors. On-chip electronics measure the resistance change, which causes a corresponding voltage signal to appear at the output pin of the sensor package

Accelerometers

Accelerometers are acceleration sensors. An inertial mass suspended by springs is acted upon by acceleration forces that cause the mass to be deflected from its initial position. This deflection is converted to an electrical signal, which appears at the sensor output. The application of MEMS technology to accelerometers is a relatively new development.

One such accelerometer design is discussed by DeVoe and Pisano (2001) [8]. It is a surface micromachined piezoelectric accelerometer employing a zinc oxide (ZnO) active piezoelectric film. The design is a simple cantilever structure, in which the cantilever beam serves simultaneously as proof mass and sensing element. One of the fabrication approaches developed is a sacrificial oxide process based on polysilicon surface micromachining, with the addition of a piezoelectric layer atop the polysilicon film. In the sacrificial oxide process, a passivation layer of silicon dioxide and low-stress silicon nitride is deposited on a bare silicon wafer, followed by 0.5 micron of liquid phase chemical vapor deposited (LPCVD) phosphorous-doped polysilicon. Then, a 2.0-micron layer of phosphosilicate glass (PSG) is deposited by LPCVD and patterned to define regions where the accelerometer structure will be anchored to the substrate. The PSG film acts as a sacrificial layer that is selectively etched at the end to free the mechanical structures. A second layer of 2.0-micron-thick phosphorus-doped polysilicon is deposited via LPCVD on top of the PSG, and patterned by plasma etching to define the mechanical accelerometer structure. This layer also acts as the lower electrode for the sensing film. A thin layer of silicon nitride is next deposited by LPCVD, and acts as a stress-compensation layer for balancing the highly compressive residual stresses in the ZnO film. By varying the thickness of the Si3N4 layer, the accelerometer structure may be tuned to control bending effects resulting from the stress gradient through the device thickness. A ZnO layer is then deposited on the order of 0.5 micron, followed by sputtering of a 0.2-micron layer of platinum (Pt) deposited to form the upper electrode. A rapid thermal anneal is performed to reduce residual stresses in the sensing film. Afterwards, the Pt, Si3N4, and ZnO layers are patterned in a single ion milling etch step, and the devices are then released by passivating the ZnO film with photoresist, and immersing the wafer in buffered hydrofluoric acid, which removes the sacrificial PSG layer .

Inertial Sensors

Inertial sensors are a type of accelerometer and are one of the principal commercial products that utilize surface micromachining. They are used as airbag-deployment sensors in automobiles, and as tilt or shock sensors. The application of these accelerometers to inertial measurement units (IMUs) is limited by the need to manually align and assemble them into three-axis systems, and by the resulting alignment tolerances, their lack of in-chip analog-to-digital conversion circuitry, and their lower limit of sensitivity. A three-axis force-balanced accelerometer has been designed at the University of California, Berkeley, [8] to overcome some of these limitations. The accelerometer was designed for the integrated MEMS/CMOS technology. This technology involves a manufacturing technique where a single-level (plus a second electrical interconnect level) polysilicon micromachining process is integrated with 1.25-micron CMOS.

Microengines

A three-level polysilicon micromachining process [10,11] has enabled the fabrication of devices with increased degrees of complexity. The process includes three movable levels of polysilicon, each separated by a sacrificial oxide layer, plus a stationary level. Operation of the small gears at rotational speeds greater than 300,000 rpm has been demonstrated. Microengines can be used to drive the wheels of microcombination locks. They can also be used in combination with a microtransmission to drive a pop-up mirror out of a plane. This device is known as a micromirror.

Some other applications

MEMS IC fabrication technologies have also allowed the manufacture of microtransmissions using sets of small and large gears interlocking with other sets of gears to transfer power.
A recently developed MicroStar cross-connect fabric developed by Bell Labs [12], a micro-optoelectromechanical system device, is based on MEMS technology. The most pervasive bottlenecks for communications carriers are the switching and cross-connect fabrics that switch, route, multiplex, demultiplex, and restore traffic in optical networks. The optical transmission systems move information as photons, but switching and cross-connect fabrics until now have been largely electronic, requiring costly and time-consuming bandwidth-limiting optical-to-electronic-to-optical conversions at every network connection and cross point. MicroStar is composed of 256 mirrors, each one 0.5 mm in diameter, spaced 1 mm apart, and covering less than 1 square inch of silicon. The mirrors sit within the router so that only one wavelength can illuminate any one mirror. Each mirror can tilt independently to pass its wavelength to any of 256 input and output fibers. The mirror arrays are made using a self-assembly process that causes a frame around each mirror to lift from the silicon surface and lock in place, positioning the mirrors high enough to allow a range of movement. MicroStar is part of Lucent Technology's Lambda Router cross-connect system aimed at helping carriers deliver vast amounts of data unimpeded by conventional bottlenecks.

As a final example, MEMS technology has been used in fabricating vaporization microchambers for vaporizing liquid microthrusters for nanosatellites [13]. The chamber is part of a microchannel with a height of 2-10 microns, made using silicon and glass substrates. The nozzle is fabricated in the silicon substrate just above a thin-film indium tin oxide heater deposited on glass.

The Future

Each of the three basic microsystems technology processes we have seen, bulk micromachining, sacrificial surface micromachining, and micromolding/LIGA, employs a different set of capital and intellectual resources. MEMS manufacturing firms must choose which specific microsystems manufacturing techniques to invest in.

MEMS technology has the potential to change our daily lives as much as the computer has. However, the material needs of the MEMS field are at a preliminary stage. A thorough understanding of the properties of existing MEMS materials is just as important as the development of new MEMS materials.

Future MEMS applications will be driven by processes enabling greater functionality through higher levels of electronic-mechanical integration and greater numbers of mechanical components working alone or together to enable a complex action. Future MEMS products will demand higher levels of electrical-mechanical integration and more intimate interaction with the physical world. The high up-front investment costs for large-volume commercialization of MEMS will likely limit the initial involvement to larger companies in the IC industry. Advancing from their success as sensors, MEMS products will be embedded in larger non-MEMS systems, such as printers, automobiles, and biomedical diagnostic equipment, and will enable new and improved systems

alumno: Ever Teneppe

seccion: 1

materia: EES

Fuente: http://www.csa.com/discoveryguides/mems/overview.php

Dispositivos mecánicos ultra pequeños: los MEMS

Dispositivos mecánicos ultra pequeños: los MEMS

En el otro extremo de las técnicas de fabricación tenemos el método llamado de "top-down" que corresponde a la realización de estructuras m=1000 nm =10-6 m) a partir de un proceso de micrométricas (1 reducción y moldeado de materiales de dimensiones mayores. Este es el método típico de fabricación de dispositivos propios de la microelectrónica y que gracias al avance de las técnicas de litografía permite alcanzar hoy en día escalas submicrométricas.
Para fijar ideas podemos decir que en el microprocesador de una computadora actual tenemos unos 50 millones de transistores por cm2, lo que implica m2 por transistor, con un detalle de los una dimensión típica de 1 contornos del orden de los 100 nm. Esta miniaturización ha permitido reducir componentes electrónicos voluminosos dando a lugar a equipos portátiles, que de otra manera no se emplearían (radios personales, notebooks, teléfonos celulares, etc.) con un panorama de aplicaciones increíble.

¿Y qué tal si lográramos reducir máquinas enteras?
Se podrían construir, por ejemplo, pequeños dinamómetros (sensores de fuerza) que colocados en las patas de una cucaracha nos permitirían entender cómo efectúa y distribuye las fuerzas para lograr un desplazamiento tan eficiente en superficies no horizontales. Esta información nos llevaría eventualmente a construir nuevos dispositivos mecánicos en la escala humana para simular las técnicas de desplazamiento de estos insectos. También se podría armar, en dimensiones muy reducidas, un dispositivo ubicado en el cuerpo de un paciente ("lab on chip"), que analizara su sangre y que, en función de los resultados, inyectara fármacos en las dosis adecuadas, y hasta podría enviar una señal de alerta para que el paciente fuera atendido de urgencia. Estas máquinas funcionarían en definitiva como pequeños robots que nos permitirían la realización de un conjunto de tareas hasta hoy inaccesibles en un mundo de escala micrométrica.

La miniaturización de máquinas electromecánicas o MEMS ya es una realidad de nuestros días. Efectivamente, estos microdispositivos ya se emplean para la realización de acelerómetros, presentes en los airbags de los autos para determinar el momento justo en que se produce un choque y disparar así el mecanismo de inflado de las bolsas. Este mismo tipo de MEMS se emplean como elementos de navegación, particularmente en la industria aeroespacial, pero también se prevén aplicaciones como sensores de presión, temperatura y humedad. Se los ha incorporado en marcapasos, para sensar la actividad física del paciente y modificar su ritmo cardíaco. Para evitar falsificaciones de firmas, se ha pensado incorporar estos acelerómetros en lapiceras. De esta manera, no sólo estaría registrado el trazo particular de la firma sino también las velocidades y aceleraciones que le imprimió la mano a la lapicera mientras se firmaba, lo cual haría mucho más difícil su falsificación. También se emplean MEMS en los cabezales de las impresoras de chorro de tinta, produciendo la evaporación controlada de la tinta en el momento justo, y gracias a la entrega localizada de calor. Además de la ventaja del tamaño de estos dispositivos está el hecho de que se los puede fabricar de a miles abaratando notablemente su costo de fabricación.

Los MEMS, como toda nueva tecnología, han tenido un impacto importante a la hora de favorecer el acceso a nuevo conocimiento científico. Este es el caso de la llamada óptica adaptable. La luz de los objetos astronómicos que llega a los telescopios terrestres pasa necesariamente a través de la atmósfera, variando su camino óptico por las variaciones de densidad del aire y de temperatura. Como resultado se obtiene una imagen borrosa, con mala resolución angular. Para evitar este problema, una solución costosa es la de ubicar los telescopios en el espacio (como es el caso del Hubble). Otra solución menos costosa e interesante por su capacidad de emplear telescopios grandes, no limitados por las dimensiones que se pueden manejar en los transportes espaciales, es la que aportó el desarrollo de espejos cuya superficie se deforma mediante MEMS, corrigiendo las distorsiones que produce la atmósfera terrestre.Esquema del dispositivo que corrige las deformaciones de la imagen producidas por la turbulencia de la atmósfera terrestre. La óptica adaptable, realizada mediante MEMS, permite neutralizar este efecto y obtener una resolución angular adecuada como para distinguir objetos estelares que de otra manera se encontrarían confundidos en una imagen borrosa.

Esquema del dispositivo que corrige las deformaciones de la imagen producidas por la turbulencia de la atmósfera terrestre. La óptica adaptable, realizada mediante MEMS, permite neutralizar este efecto y obtener una resolución angular adecuada como para distinguir objetos estelares que de otra manera se encontrarían confundidos en una imagen borrosa. Otra aplicación científica de los MEMS fue la realización de instrumentos de medición de fuerzas entre dos objetos cuyas superficies se encuentran a distancias submicrométricas ). Uno de los objetivos era poner en evidencia posibles desviaciones de la ley de gravitación universal respecto de la ley establecida por Newton, como predicen algunos modelos teóricos. Según estos modelos, estas desviaciones se podrían hacer más evidentes cuanto menor sea la distancia entre los objetos. El problema es que a cortas distancias también aparecen otras interacciones, como la que surge del llamado efecto Casimir. Este efecto, ligado a la aparición de una fuerza atractiva entre objetos conductores, cuyo origen se relaciona con una propiedad cuántica (oscilaciones de punto cero), se manifiesta principalmente a distancias nanométricas y depende de la geometría de los objetos en cuestión. Los MEMS han aportado las herramientas para evaluar estas fuerzas y corroborar las leyes y sus desviaciones en un rango de distancias hasta ahora no explorado.

En esta imagen, obtenida mediante un microscopio electrónico de barrido (SEM), se puede apreciar un conjunto de bobinas de tamaño micrométrico realizadas mediante técnicas litográficas.

alumno: Ever Teneppe

 materia: EES

fuente :http://aportes.educ.ar/fisica/nucleo-teorico/estado-del-arte/nuevas-herramientas/dispositivos_mecanicos_ultra_p.php

Condensadores variables de RF con tecnología MEMS

Condensadores variables de RF con tecnología MEMS

INTRODUCCIÓN

Los condensadores variables son un elemento indispensable en la mayoría de las aplicaciones actuales de sistemas wireless, especialmente en osciladores controlados por tensión (VCO) y filtros sintonizables. También hay otras aplicaciones interesantes aunque no tan extendidas como las anteriores, como pueden ser circuitos desfasadores o circuitos de adaptación de impedancias ajustables.

La tendencia de los sistemas de comunicación actuales requiere cada vez más volumen de información transmitida con menor tiempo, haciendo necesarios VCOs con ruido de fase muy pequeño y filtros muy selectivos [1], [2]. En consecuencia, los condensadores variables que forman parte de estos circuitos requieren un factor de calidad (Q) elevado. Además, en sistemas wireless, uno de los mayores retos es la capacidad de miniaturización y, en consecuencia, de integración de la circuitería.


CONDENSADOR VARIABLE CON SUSPENSIÓN ANTI-STRESS.

El proceso de fabricación requiere la deposición del polisilicio a alta temperatura. Durante el enfriamiento hasta temperatura ambiente, las estructuras desarrollan un stress residual debido a la expansión térmica del polisilicio. Además, en la placa superior, formada por polisilicio y metal, con coeficientes de expansión térmicos muy distintos, este efecto es más notorio. La consecuencia de este fenómeno es el doblado de las estructuras suspendidas durante su proceso de liberación –pudiendo llegar a romper e inutilizar el dispositivo–, además de provocar un incremento en las tensiones de actuación. Por esta razón se han diseñado suspensiones que permitan la absorción de parte de este stress residual, permitiendo ligero movimiento en el plano X-Y durante la liberación de las estructuras suspendidas. Un ejemplo de estas suspensiones se puede observar en el condensador de 230 x 230 µm de la figura

Imágen del condensador con suspensión circular anti-stress.

Se deduce de la figura 5 que éste condensador se actua en un margen de tensiones entre 0 y 1.9 V, variando su capacidad entre 0.62 y 0.88 pF, con un margen de variación de aproximadamente 1.42:1.


El fenómeno conocido como stiction puede aparecer en los dos condensadores vistos hasta el momento: esto supone que las placas pueden estar en contacto permanente debido a microfuerzas aparecidas por diversas causas, principalmente durante el proceso de liberación de las estructuras suspendidas. Dos factores son importantes para evitar este fenómeno –a parte del método de liberación y secado–: la creación de estructuras con gap elevado y el diseño de suspensiones con constante de elasticidad elevada para así ofrecer mayor resistencia a este fenómeno.




CONDENSADOR VARIABLE CON MARGEN DE VARIACIÓN AMPLIADO.

Con la idea principal de conseguir dispositivos que mejoren el margen muy pequeño de variación de los dispositivos anteriores, se ha diseñado un condensador con margen de variación ampliado [4], que se muestra en la figura 6. Se puede observar en su sección vertical que consiste en separar las funciones de polarización y RF de la placa inferior. La tensión de actuación se aplica entre la placa móvil superior (conectada a masa) y un electrodo de Poly0 situado sobre el sustrato, entre las que hay una separación de 2.75 µm. Esto significa que la placa móvil podría desplazarse teóricamente 0.91 µm antes de colapsar. El electrodo de RF se ha intercalado entre los dos anteriores, dejando un gap de 0.75 µm con la placa superior móvil. De esta forma la capacidad variable se forma entre la placa móvil superior y el electrodo intermedio, pudiendo llegar a tener desplazamiento teórico en la totalidad del gap del condensador sin llegar a colapsar. El área del condensador de RF es de 400 x 200 µm. El dispositivo tiene un márgen de variación teórico entre su capacidad nominal de 0.95 pF y ∞ , aunque a la práctica esta variación será mucho menor, ya que la placa móvil superior, al ser actuada, no se comportará como un bloque rígido bajando de forma uniforme, sinó que su parte central bajará de foma más apreciable que sus extremos, que es por donde está anclada mediante las suspensiones

Las suspensiones del dispositivo se se han diseñado con una constante de elasticidad mecánica que permita tener un márgen de actuación razonable, entre 0 y 14 V. En la figura se muestra el desplazamiento de la placa móvil simulada con CoventorWare™ y la capacidad en función de la tensión aplicada. Se puede observar en la gráfica del desplazamiento que la placa móvil no colapsa durante el recorrido, al contrario que en las figuras 2 y 5, donde se alcanza la situación de colapse de pull-in, limitando el márgen de variación del condensador.

Ever Teneppe
17767425
Materia: EES
Seccion:1
fuente:http://w3.iec.csic.es/ursi/articulos_modernos/articulos_coruna_2003/actas_pdf/SESION%204/S4.%20Aula%202.2/1269-CONDENSADORES.PDF

An Electrostatically Actuated Broadband MEMS Switch S. Majumder, J. Lampen, R. Morrison and J. Maciel Radant MEMS, Incorporated

An Electrostatically Actuated Broadband MEMS Switch S. Majumder, J. Lampen, R. Morrison and J. Maciel Radant MEMS, Incorporated

Introduction
MEMS microswitches are receiving increasing attention, particularly in the RF community. Low power consumption, large ratio of off-impedance to on-impedance and the ability to be integrated with other electronics; makes microswitches an attractive alternative to other mechanical and solid-state switches. MEMS switches can be used in a variety of RF applications including cell phones, phase shifters and smart antennas1,2,3 and also in lower-frequency applications such as Automatic Test Equipment (ATE) and industrial and medical instrumentation

We have developed an electrostatically actuated MEMS microswitch for both DC and RF applications. The microswitch is a 3-terminal device that employs a cantilever beam (Figure 1) and is fabricated using an all-metal, surface micromachining process on high-resistivity silicon4,5,6,7,8. In operation, the beam is deflected by applying a voltage between the gate and source electrodes (marked G and S in Figure 2), so that the free end of the beam contacts the drain (marked D in Figure 2) and completes an electrical path between the drain and the source. The contact material is a thin layer of a Platinum group metal deposited on the underside of the beam and on the drain. The device operates in a hermetic environment obtained through a wafer- level capping process (Figure 3). Since 1999 we have employed a commercial MEMS foundry for switch fabrication and have obtained fabrication yields in excess of 90%.

Ongoing activities include manufacture of prototypes for use in a X-band Electronically Steerable Antenna (ESA) under an US Air Force contract, process and design modifications to optimize RF performance and contact resistance, and development of a 4-terminal relay for better isolation between the actuation and signal paths.

Low Frequency Performance and Applications Important operational characteristics are as follows. A gate voltage between 40 and 120 V, depending on the specific design, actuates the microswitch. Devices are usually operated at a contact force of 200 µN, and have a single contact resistance of 3 Ω. Switches typically have 8 contacts in parallel to yield a total on-resistance,
including interconnects, of less than 1 Ω at DC and low frequencies.

Device lifetime is generally measured at a current of 10 mA or less with the current applied only during switch closure (to avoid hot "breaks" and "makes", i.e. "cold-switched"). Under these conditions, switch lifetime exceeds 1010 cycles (Figure 4). Measurements at higher currents, up to 500 mA per switch contact, show lifetime greater than 109 cycles. Currently, lifetime measurements are limited by test time, rather than any failure mechanism. A relatively small number of hot-switching lifetime measurements with 1 V indicates a life of about 107 cycles with the lifetime limited by erosion of the drain metal.

The on-response time is approximately 5 µs, and is limited by squeeze-film damping of the cantilever beam. The off-response time is much smaller, and is limited by parasitics in our measurement circuit.

Another characteristic, which is important for some low-frequency applications, is the "stand- off" voltage, or the maximum voltage that can be applied across an open switch without damaging it. A voltage across the open microswitch sets up a field in the gap between the drain and the end of the beam. This can cause the switch to fail in two ways, either by causing the beam to deflect and closing the switch, or by causing an electrical breakdown of the gap. In our current designs, the failure is due to beam deflection, and occurs at about 150 V.

Microswitches are interesting candidates as replacements for low-power mechanical relays (generally reed relays), particularly in applications utilizing a large matrix of relays, often for multiplexing. Examples of such applications are pin electronics in Automated Test Equipment, transducer arrays in medical ultrasound, and sensor and data acquisition applications. Microswitches can bring significant savings in size and power consumption in such applications, and may also provide longer life. For example, a 8x8 array of reed relays each 2 cm x1 cm in size would occupy 250 cm2, the same array using microswitches would consume 1 cm2. Some applications may require an improvement of the stand-off voltage limit, and the hot- switched power handling capability. Certain applications may require a true 4-terminal relay, in which the signal path does not share a terminal with the actuation circuit. Prototypes of such devices have been built (Figure 5).

RF Performance and Applications

The benefits and applications for MEMS RF switches as fundamental building blocks, supplanting PIN diode and FET RF switches are numerous because MEMS switches combine the best features of both, having the low control power requirements of FETs, but having "on" resistances (and RF insertion losses) lower than PIN diodes. Furthermore, MEMS switches have lower off-state capacitance and, as a result, better off-state RF isolation than either FETs or PIN diodes, and, in addition, have inherently high RF linearity. Intended applications include microwave switches that replace PIN diode and FET switches, while providing lower insertion loss, higher isolation, higher linearity, higher radiation resistance, superior tolerance for high temperature environments, and lower prime power consumption. Examples of such applications include T/R switches in a variety of products such as cellular handsets and base stations, phase shifters for Electronically Steerable Antennas, tunable filters and reconfigurable antennas, to name a few.

One application of current interest is the cellular telephone market. Here, the frequency of interest is approximately 2 GHz. Measured performance of our wafer-level capped MEMS switches are very good at this frequency, with an insertion loss of 0.3 dB and isolation of 30 dB for a single element, series, SPST switch in a 50 mil sq. capped die package similar to that of Figure 3. This RF insertion loss is several tenths of a dB better than most current PIN diode, MESFET, and PHEMT switches with comparable isolation at this frequency. By combining series and shunt MEMS switches within the same capped package, substantially higher isolation should be attainable in the future, with little degradation in insertion loss. Future plans also include capped SP2T, SP4T, and transfer switches.

Measured insertion loss and isolation are plotted on Figure 6 for a 4 contact switch from 0 GHz to 4 GHz. Most of the insertion loss at the higher frequencies is due to reflections (return loss) caused by inductive wire bonds and by switch inductance, and is not due to switch resistance. This reflective loss will be mostly eliminated in the future by reducing switch inductance. Efforts are currently underway to increase the off-state switch isolation by modifying the switch geometry and to decrease the on-state insertion loss by identifying and minimizing the various loss mechanisms.

Summary
We have developed a surface micromachined microswitch which can be used in applications from DC through microwave.

We have also developed a wafer scale package, and reported results in this package up to 4 GHz. Key characteristics for a single element, series, SPST switch are; at 4 GHz, insertion loss of 0.4 dB and isolation of 27 dB.

Results from DC to low frequencies include a total on-resistance, including interconnects, of less than 1 Ω, cold switch lifetimes exceeding 1010 cycles, and hot switch lifetimes exceeding 107 cycles. Additional testing is underway along with efforts to further increase the lifetime of these devices.

Applications for our microswitch include T/R switches in a variety of products such as cellular handsets and base stations, phase shifters for Electronically Steerable Antennas, tunable filters and reconfigurable antennas, pin electronics for Automated Test Equipment, transducer arrays in medical ultrasound, and sensor and data acquisition applications.

References:

(1) Elliott R. Brown, "RF-MEMS Switches for Reconfigurable Integrated Circuits" , IEEE Trans. On Microwave Theory and Techniques. Vol. 46, No. 11. November 1998
(2) Gabriel M. Rebeiz, Jeremy B. Muldavin, "RF MEMS Switches and Switch Circuits" IEEE Microwave Magazine, Dec. 2001, pp. 59-71
(3) Gabriel M. Rebeiz, Guan-Leng Tan, Joseph S. Hayden, "RF MEMS Phase Shifters" IEEE Microwave Magazine, June 2002, pp. 72-81
(4) P.M. Zavracky, S. Majumder and N.E. McGruer, "Micromechanical Switches Fabricated Using Nickel Surface Micromachining" J. Micromechanical Systems, Vol. 6, 3-9 (1997)
(5) Sumit Majumder, N.E. McGruer, Paul M. Zavracky, George G. Adams, Richard H. Morrison, Jacqueline Krim, "Measurement and Modeling of Surface Micromachined, Electrostatically Actuated Microswitches" Proceedings of Transducers '97, 1997
International Conference on Solid-State Sensors and Actuators, Chicago, June 16-19, 1997
(6) Paul M. Zavracky, Nicol E. McGruer, Richard H. Morrison, Gregory Jenkins and Keith Warner, "Microswitches for Microwave and Other Applications" Proceedings of Sensors Expo, Detroit, Michigan. October 21-23, 1997
(7) Mark L. Schirmer, Paul M. Zavracky, N.E. McGruer, Sumit Majumder, Richard H. Morrison, David Potter, George G. Adams, Jaqueline Krim. "Design, Characterization and Application of Surface Micromachined, Electrostatically Actuated Microswitches" NARM Conference, Chicago Il, April 20-22, 1998
(8) N.E. McGruer, P.M. Zavracky, R. Morrison, S. Majumder, D. Potter and M. Schirmer, "RF and Current Handling Performance of Electrostatically Actuated Microswitches" Proceedings of Sensors Expo, Cleveland OH, October 1999

Figure 2. Schematic representation of the microswitch shown in Fig. 1.

Figure 6. Capped switch isolation and insertion loss vs. frequency for a 4-contact microswitch.
Ever Teneppe
seccion:1
materia: EES
fuente:http://www.radantmems.com/radantmems.data/Library/Finalsensorsexp2paperREVSR.pdf

BIOMEMS

 BIOMEMS

Aplicación de la tecnología de microsistemas los campos de la biología y la medicina

Usados en áreas sanitarias e industriales como:
• Ciencias forense (análisis de ADN)
• Diagnósticos clínicos (medida de glucosa en sangre)
• Administración de medicamentos (insulina o drogas)
• Control de calidad (análisis de aguas)

Parámetros de un biosensor
• Sensitividad
• Sensitividad cruzada
• Relación señal-ruido
• Resolución
• Rango dinámico
• Selectividad
• Histéresis
• Precisión

ejemplos:

Electroquímicos
• Amperométricos

Corriente generada a voltaje constante ej sensores de glucosa, lactosa, etc…

robustos sencillos

poco selectivos

Electroquímicos

• Potenciométricos
Variación de potencial a corriente cero ej sensor de CO2
pequeños, sencillos
poco sensibles

Electroquímicos

• De efecto de campo
Variación de corriente de drenador ej sensor de penicilina
alta integración complejo

Ópticos

• De fluorescencia Luz emitida por una sustancia sensible al analíto ej sensores de glucosa
alta precisión pequeño tamaño
complejos

Piezoeléctricos

Variación de la masa depositada en un cristal de cuarzo ej detección de biomoléculas
baratos y fáciles de usar poco selectivos
difíciles de fabricar


• Bulk acustic wave (BAW)
• Surface acustic wave (SAW)

alumno:Ever Teneppe
seccion:1
materia:EES
fuente:http://www.radantmems.com/radantmems.data/Library/Finalsensorsexp2paperREVSR.pdf

Sistemas microelectromecánicos

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, poder 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 removida 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 mojado

El grabado por mojado químico consiste en una remoción selectiva de material por inmersión de un sustrato dentro de una solución que la pueda disolver. Debido a la naturaleza química de este proceso de grabado, usualmente una buena selectividad puede ser obtenida, 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 remoción 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 difluorido de Xenon

El difluorido 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 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.
• 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.

Alumno: Ever Leonardo Teneppe Valero

materia: EES

Sección: 1

Fuente: http://es.wikipedia.org/wiki/Sistemas_microelectromec%C3%A1nicos

Satélites al espacio con nanotecnología platense

Satélites al espacio con nanotecnología platense

Un egresado de la UNLP desarrolla aplicaciones para las comunicaciones del futuro

El año pasado se cumplió el cincuenta aniversario del histórico lanzamiento del legendario satélite ruso Sputnik, hecho que inauguró la carrera aeroespacial, y en la actualidad en los proyectos espaciales participan una gran cantidad de países. En ese marco, nuestro país ha hecho numerosos aportes y hoy suma otro grano de arena con la labor de Maximiliano Fischer, un joven ingeniero aeronáutico de 36 años, platense, que estudió en la Universidad Nacional de La Plata y en Purdue University, en los Estados Unidos, quien hace varios años ayudó a iniciar proyectos para la Comisión Nacional de Actividades Espaciales (CONAE) en el Grupo de Sistemas Micro-Electro-Mecánicos (MEMS) de la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA), donde actualmente desarrolla aplicaciones microtecnológicas para misiones espaciales.
La meta más importante de este trabajo es la de generar la capacidad de fabricar dispositivos innovadores de tamaño reducido


"Trabajo en el diseño de piezas para futuras generaciones de satélites. Desde muy joven busco el modo de aplicar la creatividad y la ingeniería a mi labor, para que un día algún satélite o nave espacial lleve una pequeña parte de la que me sienta orgulloso", señala el platense Fischer, quien aprendió microtecnología en la Universidad de Harvard y en el Massachusetts Institute of Technology (MIT), y desde entonces, está decidido a llevar adelante desarrollos tecnológicos en la Argentina.

La meta más importante en su trabajo es la de generar la capacidad de fabricar dispositivos innovadores de tamaño reducido. Para ello está contribuyendo con la formación de personal y con la construcción de un laboratorio de investigación y desarrollo para fabricar MEMS, que presentan ventajas sobresalientes para sistemas espaciales. Y la idea de este equipo de investigadores es aprovecharlas en misiones espaciales argentinas.

LAS VENTAJAS DEL DESARROLLO PLATENSE

De acuerdo con Fischer, poner satélites en órbita "cuesta varios miles de dólares por kilo, por lo que reducir peso y tamaño es fundamental. Además, en satélites pequeños el consumo de energía es menor y por lo tanto se pueden prolongar las misiones. Inclusive, muchas funcionalidades de estas micromáquinas son completamente novedosas, de modo que pueden lograrse sistemas o componentes satelitales hasta hoy impensados".

Para crear piezas de máquinas tan pequeñas, se trabaja con micro y nanotecnología, dos ramas de aplicaciones de la ciencia que estudian y manipulan la materia a escalas micrométricas y nanométricas, de manera respectiva. "Un micrómetro o micrón es la milésima parte de un milímetro, mientras que un nanómetro equivale a la mil millonésima parte de un metro", señala Fischer, quien agrega que "los MEMS, también llamados micromáquinas, podrían compararse a chips o circuitos integrados, como el procesador de una computadora, pero con partes móviles".

El ingeniero egresado de la UNLP, junto a su equipo de colegas de CNEA, del grupo MEMS, desarrollan micromáquinas que servirán para antenas de comunicaciones de última generación para satélites. "Nuestro objetivo es hacer antenas más eficientes para la comunicación Tierra-espacio y viceversa. Los `Switches MEMS de RF' son pequeñísimos interruptores fabricados sobre silicio, con piezas metálicas móviles de unos 700 micrones de largo, y serán la clave en antenas planas que podrían reemplazar a las antenas parabólicas. "Estas últimas tienen una gran desventaja, ya que para captar las señales deben orientarse electromecánicamente, lo que implica una gran pérdida de energía de las baterías para moverlas", explica Fischer.

El simple hecho de orientar la antena en el espacio, requiere un tipo de motor mecánico pesado, y además hace necesario el consumo de combustible del satélite para contrarrestar el movimiento y mantener su orientación con respecto a la Tierra.

MIRANDO HACIA EL FUTURO

"Todos estos problemas -describe Fischer- se reducen o se anulan con el uso de una antena plana tipo compuesta. Se trata de un conjunto de antenas pequeñas ubicadas en una placa que se fija a la estructura del satélite. La antena plana compuesta puede orientar su haz de transmisión o recepción (lóbulo de radiación) electrónicamente, sin moverse. Por lo tanto, la aplicación propuesta de microingeniería al espacio, además de reducir el peso de los satélites en órbita por suprimir el motor que movería la antena y disminuir el consumo de la batería, evitará el consumo de combustible líquido que en los actuales sistemas se emplea para estabilizar y reorientar el satélite cada vez que se mueve la antena".

Fischer estima que el primer sistema completo de antena plana con interruptores MEMS estará listo en tres años. "Por ahora, tenemos listos los primeros prototipos de los interruptores, diseñados acá y construidos en el laboratorio italiano FBK-IRST, líder europeo en microfabricación".

"Cierto día un vehículo espacial transmitirá imágenes y datos a la Tierra desde muy lejos, y todo este grupo de personas tan valioso sentirá el orgullo de haber alcanzado un objetivo ambicioso, no sólo de fabricar una antena espacial innovadora, sino de haber hecho el esfuerzo de llevar nuestro conocimiento a la creación de soluciones tangibles y concretas", concluye Fischer, en cuyo proyecto se han involucrado grupos de investigación y desarrollo que trabajan en la Universidad Tecnológica Nacional, en el Instituto Nacional de Tecnología Industrial, en el Instituto Argentino de Radioastronomía, en la Universidad Nacional de General San Martín, y el laboratorio italiano Instituto per la Ricerca Scientifica e Tecnologica de Trento, entre otros.

MEDIDAS

Las dimensiones de los elementos manejados por el equipo del ingeniero Fischer son más que diminutas, se miden en micrones o nanómetros. Un micrómetro o micrón es la milésima parte de un milímetro, mientras que un nanómetro equivale a la mil millonésima parte de un metro.

alumno:Ever Leonardo Teneppe

 materia : EES

 SECCION:1
Fuente: Agencia CyTA, Instituto Leloir
http://www.eldia.com.ar/edis/20081110/informaciongeneral0.htm