Sistemas micro electromecánicos

Los sistemas microelectromecánicos ( MEMS ), también escritos como sistemas microelectromecánicos (o sistemas microelectrónicos y microelectromecánicos) y los microsistemas y micromecatrónicos relacionados, constituyen la tecnología de los dispositivos microscópicos, particularmente aquellos con partes móviles. Se fusionan a nanoescala en sistemas nanoelectromecánicos (NEMS) y nanotecnología . Los MEMS también se conocen como micromáquinas en Japón y tecnología de microsistemas ( MST ) en Europa.

Propuesta presentada a DARPA en 1986 introduciendo por primera vez el término "sistemas microelectromecánicos"
Microcantilever MEMS resonando dentro de un microscopio electrónico de barrido

Los MEMS están formados por componentes entre 1 y 100 micrómetros de tamaño (es decir, 0,001 a 0,1 mm), y los dispositivos MEMS generalmente varían en tamaño de 20 micrómetros a un milímetro (es decir, 0,02 a 1,0 mm), aunque los componentes están dispuestos en matrices ( por ejemplo, dispositivos de microespejos digitales ) puede ser superior a 1000 mm 2 . [1] Por lo general, consisten en una unidad central que procesa datos (un chip de circuito integrado como un microprocesador ) y varios componentes que interactúan con el entorno (como microsensores ). [2] Debido a la gran relación de área de superficie a volumen de MEMS, las fuerzas producidas por el electromagnetismo ambiental (p. Ej., Cargas electrostáticas y momentos magnéticos ) y la dinámica de fluidos (p. Ej., Tensión superficial y viscosidad ) son consideraciones de diseño más importantes que con una escala mayor. dispositivos mecánicos. La tecnología MEMS se distingue de la nanotecnología molecular o la electrónica molecular en que esta última también debe considerar la química de superficies .

El potencial de las máquinas muy pequeñas se apreció antes de que existiera la tecnología que podría fabricarlas (ver, por ejemplo, la famosa conferencia de 1959 de Richard Feynman Hay mucho espacio en la parte inferior ). Los MEMS se volvieron prácticos una vez que pudieron fabricarse utilizando tecnologías de fabricación de dispositivos semiconductores modificados , que normalmente se utilizan para fabricar productos electrónicos . [3] Estos incluyen moldeo y enchapado, grabado en húmedo ( KOH , TMAH ) y grabado en seco ( RIE y DRIE), mecanizado por descarga eléctrica (EDM) y otras tecnologías capaces de fabricar dispositivos pequeños.

La tecnología MEMS tiene sus raíces en la revolución del silicio , que se remonta a dos importantes invenciones de semiconductores de silicio de 1959: el chip de circuito integrado monolítico (IC) de Robert Noyce en Fairchild Semiconductor , y el MOSFET (efecto de campo de semiconductor de óxido de metal transistor o transistor MOS) por Mohamed M. Atalla y Dawon Kahng en Bell Labs . La escala de MOSFET , la miniaturización de MOSFET en chips IC, condujo a la miniaturización de la electrónica (como predijo la ley de Moore y la escala de Dennard ). Esto sentó las bases para la miniaturización de los sistemas mecánicos, con el desarrollo de la tecnología de micromecanizado basada en la tecnología de semiconductores de silicio, ya que los ingenieros comenzaron a darse cuenta de que los chips de silicio y los MOSFET podían interactuar y comunicarse con el entorno y procesar cosas como productos químicos , movimientos y luz . Uno de los primeros sensores de presión de silicio fue micromecanizado isotrópicamente por Honeywell en 1962. [4]

Un ejemplo temprano de un dispositivo MEMS es el transistor de puerta resonante, una adaptación del MOSFET, desarrollado por Harvey C. Nathanson en 1965. [5] Otro ejemplo temprano es el resonistor, un resonador monolítico electromecánico patentado por Raymond J. Wilfinger entre 1966 y 1971. [6] [7] Durante la década de 1970 hasta principios de la de 1980, se desarrollaron varios microsensores MOSFET para medir parámetros físicos, químicos, biológicos y ambientales. [8]

Hay dos tipos básicos de tecnología de conmutación MEMS: capacitiva y óhmica . Un interruptor MEMS capacitivo se desarrolla utilizando una placa móvil o un elemento sensor, que cambia la capacitancia. [9] Los interruptores óhmicos se controlan mediante voladizos controlados electrostáticamente. [10] Los interruptores MEMS óhmicos pueden fallar debido a la fatiga del metal del actuador MEMS (voladizo) y al desgaste de los contactos, ya que los voladizos pueden deformarse con el tiempo. [11]

La fabricación de MEMS evolucionó a partir de la tecnología de proceso en la fabricación de dispositivos semiconductores , es decir, las técnicas básicas son la deposición de capas de material, el modelado por fotolitografía y el grabado para producir las formas requeridas. [12]

Silicio

El silicio es el material utilizado para crear la mayoría de los circuitos integrados utilizados en la electrónica de consumo en la industria moderna. Las economías de escala , la disponibilidad inmediata de materiales económicos de alta calidad y la capacidad de incorporar funcionalidad electrónica hacen que el silicio sea atractivo para una amplia variedad de aplicaciones MEMS. El silicio también tiene importantes ventajas derivadas de las propiedades de sus materiales. En forma de monocristal, el silicio es un material Hookean casi perfecto , lo que significa que cuando se flexiona prácticamente no hay histéresis y, por lo tanto, casi no hay disipación de energía. Además de generar un movimiento altamente repetible, esto también hace que el silicio sea muy confiable, ya que sufre muy poca fatiga y puede tener una vida útil en el rango de miles de millones a billones de ciclos sin romperse. Las nanoestructuras semiconductoras basadas en silicio están adquiriendo una importancia cada vez mayor en el campo de la microelectrónica y los MEMS en particular. Los nanocables de silicio , fabricados mediante la oxidación térmica del silicio, son de mayor interés en la conversión y el almacenamiento electroquímicos , incluidas las baterías de nanocables y los sistemas fotovoltaicos .

Polímeros

Aunque la industria electrónica proporciona una economía de escala para la industria del silicio, el silicio cristalino sigue siendo un material complejo y relativamente caro de producir. Por otro lado, los polímeros se pueden producir en grandes volúmenes, con una gran variedad de características de material. Los dispositivos MEMS pueden fabricarse a partir de polímeros mediante procesos como moldeo por inyección , estampado o estereolitografía y son especialmente adecuados para aplicaciones de microfluidos como cartuchos de análisis de sangre desechables.

Rieles

Los metales también se pueden utilizar para crear elementos MEMS. Si bien los metales no tienen algunas de las ventajas que muestra el silicio en términos de propiedades mecánicas, cuando se usan dentro de sus limitaciones, los metales pueden exhibir grados muy altos de confiabilidad. Los metales se pueden depositar mediante procesos de galvanoplastia, evaporación y pulverización catódica. Los metales de uso común incluyen oro, níquel, aluminio, cobre, cromo, titanio, tungsteno, platino y plata.

Cerámica

Imágenes de microscopio electrónico de un haz de TiN en forma de X sobre la placa de tierra (diferencia de altura de 2,5 µm). Debido al clip en el medio, se desarrolla una fuerza de reinicio creciente cuando la viga se dobla hacia abajo. La figura de la derecha muestra una ampliación del clip. [13]

Los nitruros de silicio, aluminio y titanio, así como el carburo de silicio y otras cerámicas, se aplican cada vez más en la fabricación de MEMS debido a las ventajosas combinaciones de propiedades de los materiales. El AlN cristaliza en la estructura de la wurtzita y, por lo tanto, muestra propiedades piroeléctricas y piezoeléctricas que permiten sensores, por ejemplo, con sensibilidad a las fuerzas normales y de corte. [14] TiN , por otro lado, exhibe una alta conductividad eléctrica y un gran módulo elástico , lo que permite implementar esquemas de actuación de MEMS electrostáticos con haces ultrafinos. Además, la alta resistencia del TiN a la biocorrosión califica el material para aplicaciones en ambientes biogénicos. La figura muestra una imagen de microscopio electrónico de un biosensor MEMS con un haz de TiN flexible y delgado de 50 nm sobre una placa de tierra de TiN. Ambos pueden accionarse como electrodos opuestos de un condensador, ya que la viga está fija en paredes laterales eléctricamente aislantes. Cuando un fluido está suspendido en la cavidad, su viscosidad puede derivarse de doblar la viga por atracción eléctrica a la placa de tierra y medir la velocidad de flexión. [13]

Procesos de deposición

Uno de los bloques de construcción básicos en el procesamiento de MEMS es la capacidad de depositar películas delgadas de material con un espesor entre un micrómetro y aproximadamente 100 micrómetros. El proceso NEMS es el mismo, aunque la medición de la deposición de la película varía desde unos pocos nanómetros hasta un micrómetro. Hay dos tipos de procesos de deposición, como sigue.

Deposición física

La deposición física de vapor ("PVD") consiste en un proceso en el que un material se retira de un objetivo y se deposita en una superficie. Las técnicas para hacer esto incluyen el proceso de pulverización catódica , en el que un haz de iones libera átomos de un objetivo, lo que les permite moverse a través del espacio intermedio y depositarse en el sustrato deseado, y la evaporación , en la que un material se evapora de un objetivo utilizando ya sea calor (evaporación térmica) o un haz de electrones (evaporación por haz de electrones) en un sistema de vacío.

Deposición química

Las técnicas de deposición química incluyen la deposición química en fase de vapor (CVD), en la que una corriente de gas fuente reacciona sobre el sustrato para hacer crecer el material deseado. Esto se puede dividir en categorías dependiendo de los detalles de la técnica, por ejemplo, LPCVD (deposición química de vapor a baja presión) y PECVD ( deposición química de vapor mejorada con plasma ).

Las películas de óxido también se pueden hacer crecer mediante la técnica de oxidación térmica , en la que la oblea (típicamente de silicio) se expone a oxígeno y / o vapor, para desarrollar una capa superficial delgada de dióxido de silicio .

Modelado

El modelado en MEMS es la transferencia de un patrón a un material.

Litografía

La litografía en el contexto de MEMS es típicamente la transferencia de un patrón a un material fotosensible mediante 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 se expone a una fuente de radiación. Si un material fotosensible se expone selectivamente a la radiación (por ejemplo, enmascarando parte de la radiación), el patrón de radiación sobre el material se transfiere al material expuesto, ya que las propiedades de las regiones expuestas y no expuestas difieren.

Esta región expuesta se puede quitar o tratar proporcionando una máscara para el sustrato subyacente. La fotolitografía se usa típicamente con metal u otra deposición de película delgada, grabado en húmedo y en seco. A veces, la fotolitografía se utiliza para crear estructuras sin ningún tipo de grabado posterior. Un ejemplo es la lente basada en SU8 donde se generan bloques cuadrados basados ​​en SU8. Luego, la fotorresistencia se derrite para formar una semiesfera que actúa como una lente.

Litografía por haz de electrones

La litografía por haz de electrones (a menudo abreviada como litografía por haz de electrones) es la práctica de escanear un haz de electrones siguiendo un patrón a través de una superficie cubierta con una película (llamada resistencia ), [15] ("exponiendo" la resistencia) y de eliminar selectivamente las regiones expuestas o no expuestas de la capa protectora ("revelado"). El propósito, al igual que con la fotolitografía , es crear estructuras muy pequeñas en la capa protectora que posteriormente se puedan transferir al material del sustrato, a menudo mediante grabado. Fue desarrollado para la fabricación de circuitos integrados y también se utiliza para crear arquitecturas de nanotecnología .

La principal ventaja de la litografía por haz de electrones es que es una de las formas de superar el límite de difracción de la luz y crear características en el rango nanométrico . Esta forma de litografía sin máscara ha encontrado un amplio uso en la fabricación de fotomáscaras utilizadas en fotolitografía , producción de bajo volumen de componentes semiconductores e investigación y desarrollo.

La limitación clave de la litografía por haz de electrones es el rendimiento, es decir, el tiempo que lleva exponer una oblea de silicio o un sustrato de vidrio completo. Un tiempo de exposición prolongado deja al usuario vulnerable a la desviación del haz o la inestabilidad que puede ocurrir durante la exposición. Además, el tiempo de respuesta para volver a trabajar o rediseñar se alarga innecesariamente si el patrón no se cambia la segunda vez.

Litografía por haz de iones

Se sabe que la litografía de haz de iones enfocados tiene la capacidad de escribir líneas extremadamente finas (se han logrado menos de 50 nm de línea y espacio) sin efecto de proximidad. [ cita requerida ] Sin embargo, debido a que el campo de escritura en la litografía de haz de iones es bastante pequeño, se deben crear patrones de área grande uniendo los campos pequeños.

Tecnología de seguimiento de iones

La tecnología de seguimiento de iones es una herramienta de corte profundo con un límite de resolución de alrededor de 8 nm aplicable a minerales, vidrios y polímeros resistentes a la radiación. Es capaz de generar agujeros en películas delgadas sin ningún proceso de revelado. La profundidad estructural se puede definir por rango de iones o por espesor del material. Se pueden alcanzar relaciones de aspecto de hasta varios 10 4 . La técnica puede dar forma y texturizar materiales en un ángulo de inclinación definido. Se pueden generar patrones aleatorios, estructuras de pistas de iones únicos y patrones dirigidos que constan de pistas individuales individuales.

Litografía de rayos X

La litografía de rayos X es un proceso utilizado en la industria electrónica para eliminar selectivamente partes de una película delgada. Utiliza rayos X para transferir un patrón geométrico de una máscara a un fotorresistente químico sensible a la luz, o simplemente "resistir", en el sustrato. Luego, una serie de tratamientos químicos graba el patrón producido en el material debajo del fotorresistente.

Patrones de diamantes

Una forma sencilla de tallar o crear patrones en la superficie de los nanodiamantes sin dañarlos podría dar lugar a nuevos dispositivos fotónicos. [ cita requerida ]

El modelado de diamantes es un método para formar MEMS de diamantes. Se logra mediante la aplicación litográfica de películas de diamante a un sustrato como el silicio. Los patrones pueden formarse por deposición selectiva a través de una máscara de dióxido de silicio, o por deposición seguida de micromecanizado o fresado con haz de iones enfocado . [dieciséis]

Procesos de grabado

Hay dos categorías básicas de procesos de grabado: grabado en húmedo y grabado en seco . En el primero, el material se disuelve cuando se sumerge en una solución química. En este último, el material se pulveriza o se disuelve usando iones reactivos o un grabador en fase vapor. [17] [18]

Aguafuerte húmeda

El grabado químico húmedo consiste en la eliminación selectiva de material sumergiendo un sustrato en una solución que lo disuelve. La naturaleza química de este proceso de grabado proporciona una buena selectividad, lo que significa que la tasa de grabado del material objetivo es considerablemente más alta que la del material de la máscara si se selecciona con cuidado.

Grabado isotrópico

El grabado avanza a la misma velocidad en todas las direcciones. Los agujeros largos y estrechos en una máscara producirán ranuras en forma de V en el silicio. La superficie de estas ranuras puede ser atómicamente lisa si el grabado se realiza correctamente, con dimensiones y ángulos extremadamente precisos.

Grabado anisotrópico

Algunos materiales monocristalinos, como el silicio, tendrán diferentes velocidades de grabado dependiendo de la orientación cristalográfica del sustrato. Esto se conoce como grabado anisotrópico y uno de los ejemplos más comunes es el grabado de silicio en KOH (hidróxido de potasio), donde los planos Si ^ {111} graban aproximadamente 100 veces más lento que otros planos ( orientaciones cristalográficas ). Por lo tanto, grabar un agujero rectangular en una oblea (100) -Si da como resultado un foso de grabado en forma de pirámide con paredes de 54,7 °, en lugar de un agujero con paredes laterales curvas como con el grabado isotrópico.

Grabado HF

El ácido fluorhídrico se usa comúnmente como grabador acuoso para dióxido de silicio ( SiO
2, también conocido como BOX para SOI), generalmente en forma concentrada al 49%, BOE ( grabador de óxido tamponado ) o BHF (HF tamponado) 5: 1, 10: 1 o 20: 1 . Se utilizaron por primera vez en la época medieval para el grabado de vidrio. Se usó en la fabricación de circuitos integrados para modelar el óxido de la puerta hasta que el paso del proceso fue reemplazado por RIE.

El ácido fluorhídrico se considera uno de los ácidos más peligrosos en las salas blancas . Penetra en la piel al contacto y se difunde directamente al hueso. Por lo tanto, el daño no se siente hasta que es demasiado tarde.

Grabado electroquímico

El grabado electroquímico (ECE) para la eliminación selectiva de dopantes de silicio es un método común para automatizar y controlar selectivamente el grabado. Se requiere una unión de diodo pn activo , y cualquier tipo de dopante puede ser el material resistente al ataque ("tope"). El boro es el dopante de parada de grabado más común. En combinación con el grabado anisotrópico húmedo como se describe anteriormente, ECE se ha utilizado con éxito para controlar el espesor del diafragma de silicio en sensores de presión de silicio piezorresistivos comerciales. Las regiones dopadas selectivamente pueden crearse mediante implantación, difusión o deposición epitaxial de silicio.

Grabado en seco

Grabado de vapor
Difluoruro de xenón

Difluoruro de xenón ( XeF
2) es un grabado isotrópico en fase de vapor seco para silicio aplicado originalmente para MEMS en 1995 en la Universidad de California, Los Ángeles. [19] [20] Se utiliza principalmente para liberar estructuras metálicas y dieléctricas al reducir el silicio, XeF
2tiene la ventaja de una fricción estática liberación exento a diferencia de reactivos de ataque en húmedo. Su selectividad de grabado al silicio es muy alta, lo que le permite trabajar con fotorresistente, SiO
2, nitruro de silicio y varios metales para enmascarar. Su reacción al silicio es "sin plasma", es puramente química y espontánea y, a menudo, se opera en modo pulsado. Se encuentran disponibles modelos de la acción de grabado [21], y los laboratorios universitarios y diversas herramientas comerciales ofrecen soluciones utilizando este enfoque.

Grabado con plasma

Los procesos VLSI modernos evitan el grabado en húmedo y, en su lugar , utilizan el grabado con plasma . Los grabadores de plasma pueden operar en varios modos ajustando los parámetros del plasma. El grabado por plasma ordinario funciona entre 0,1 y 5 Torr. (Esta unidad de presión, comúnmente utilizada en la ingeniería del vacío, equivale aproximadamente a 133,3 pascales). El plasma produce radicales libres energéticos, con carga neutra, que reaccionan en la superficie de la oblea. Dado que las partículas neutras atacan la oblea desde todos los ángulos, este proceso es isotrópico.

El grabado con plasma puede ser isotrópico, es decir, exhibiendo una tasa de corte lateral en una superficie modelada aproximadamente igual a su tasa de grabado descendente, o puede ser anisotrópico, es decir, exhibiendo una tasa de corte lateral menor que su tasa de grabado descendente. Dicha anisotropía se maximiza en el grabado profundo con iones reactivos. El uso del término anisotropía para grabado con plasma no debe confundirse con el uso del mismo término cuando se hace referencia al grabado dependiente de la orientación.

La fuente de gas para el plasma generalmente contiene pequeñas moléculas ricas en cloro o flúor. Por ejemplo, el tetracloruro de carbono ( CCl
4) graba silicio y aluminio, y el trifluorometano graba dióxido de silicio y nitruro de silicio. Se utiliza un plasma que contiene oxígeno para oxidar ("cenizas") el fotorresistente y facilitar su eliminación.

El fresado iónico, o grabado catódico, utiliza presiones más bajas, a menudo tan bajas como 10-4 Torr (10 mPa). Bombardea la oblea con iones energéticos de gases nobles, a menudo Ar +, que eliminan los átomos del sustrato transfiriendo impulso. Debido a que el grabado se realiza mediante iones, que se acercan a la oblea aproximadamente desde una dirección, este proceso es altamente anisotrópico. Por otro lado, tiende a mostrar una selectividad deficiente. El grabado con iones reactivos (RIE) funciona en condiciones intermedias entre el grabado catódico y el grabado con plasma (entre 10-3 y 10-1 Torr). El grabado profundo de iones reactivos (DRIE) modifica la técnica RIE para producir características profundas y estrechas.

Pulverización
Grabado de iones reactivos (RIE)

En el grabado con iones reactivos (RIE), el sustrato se coloca dentro de un reactor y se introducen varios gases. Se golpea un plasma en la mezcla de gas utilizando una fuente de energía de RF, que rompe las moléculas de gas en iones. Los iones se aceleran y reaccionan con la superficie del material que se está grabando, formando otro material gaseoso. Esto se conoce como la parte química del grabado con iones reactivos. También hay una parte física, que es similar al proceso de deposición por pulverización catódica. Si los iones tienen suficiente energía, pueden expulsar átomos del material para grabar sin una reacción química. Es una tarea muy compleja desarrollar procesos de grabado en seco que equilibren el 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 de redondeadas a verticales.

Deep RIE (DRIE) es una subclase especial de RIE que está ganando popularidad. En este proceso, se logran profundidades de grabado de cientos de micrómetros con paredes laterales casi verticales. La tecnología primaria se basa en el llamado "proceso Bosch", [22] que lleva el nombre de la empresa alemana Robert Bosch, que presentó la patente original, donde dos composiciones de gas diferentes se alternan en el reactor. Actualmente existen dos variaciones del DRIE. La primera variación consta de tres pasos distintos (el proceso original de Bosch) mientras que la segunda variación solo consta de dos pasos.

En la primera variación, el ciclo de grabado es el siguiente:

(i) SF
6grabado isotrópico;
(ii) C
4F
8pasivación;
(iii) SF
6 grabado anisoptrópico para la limpieza de suelos.

En la segunda variación, se combinan los pasos (i) y (iii).

Ambas variaciones operan de manera similar. La C
4F
8crea un polímero en la superficie del sustrato y la segunda composición de gas ( SF
6y O
2) graba el sustrato. El polímero es inmediatamente pulverizado por la parte física del grabado, pero solo en las superficies horizontales y no en las paredes laterales. Dado que el polímero solo se disuelve muy lentamente en la parte química del grabado, se acumula en las paredes laterales y las protege del grabado. Como resultado, se pueden lograr relaciones de aspecto de grabado de 50 a 1. El proceso se puede usar fácilmente para grabar completamente a través de un sustrato de silicio, y las tasas de grabado son de 3 a 6 veces más altas que las del grabado en húmedo.

Preparación de matrices

Después de preparar una gran cantidad de dispositivos MEMS en una oblea de silicio , se deben separar las matrices individuales , lo que se denomina preparación de matrices en la tecnología de semiconductores. Para algunas aplicaciones, la separación está precedida por un molido inverso de la oblea para reducir el espesor de la oblea. El corte en cubitos de obleas se puede realizar aserrando con un líquido refrigerante o mediante un proceso de láser seco llamado corte sigiloso .

Micromecanizado a granel

El micromecanizado a granel es el paradigma más antiguo de MEMS basados ​​en silicio. Todo el espesor de una oblea de silicio se utiliza para construir las estructuras micro-mecánicas. [18] El silicio se mecaniza mediante varios procesos de grabado . La unión anódica de placas de vidrio u obleas de silicio adicionales se utiliza para agregar características en la tercera dimensión y para la encapsulación hermética. El micromecanizado a granel ha sido esencial para habilitar sensores de presión y acelerómetros de alto rendimiento que cambiaron la industria de los sensores en las décadas de 1980 y 1990.

Micromecanizado de superficie

El micromecanizado de superficies utiliza capas depositadas sobre la superficie de un sustrato como materiales estructurales, en lugar de utilizar el sustrato en sí. [23] El micromaquinado de superficie se creó a finales de la década de 1980 para hacer que el micromaquinado de silicio fuera más compatible con la tecnología de circuitos integrados planos, con el objetivo de combinar MEMS y circuitos integrados en la misma oblea de silicio. El concepto original de micromaquinado de superficies se basaba en finas capas de silicio policristalino modeladas como estructuras mecánicas móviles y liberadas por grabado sacrificial de la capa de óxido subyacente. Se utilizaron electrodos de peine interdigitales para producir fuerzas en el plano y para detectar el movimiento en el plano de forma capacitiva. Este paradigma MEMS ha permitido la fabricación de acelerómetros de bajo costo para, por ejemplo, sistemas de bolsas de aire automotrices y otras aplicaciones donde el bajo rendimiento y / o los rangos g altos son suficientes. Analog Devices ha sido pionero en la industrialización del micromaquinado de superficies y se ha dado cuenta de la cointegración de MEMS y circuitos integrados.

Oxidación térmica

Para controlar el tamaño de los componentes a micro y nanoescala, a menudo se aplica el uso de los denominados procesos sin grabado. Este enfoque para la fabricación de MEMS se basa principalmente en la oxidación del silicio, como se describe en el modelo Deal-Grove . Los procesos de oxidación térmica se utilizan para producir diversas estructuras de silicio con un control dimensional de alta precisión. Se han producido dispositivos que incluyen peines de frecuencia óptica [24] y sensores de presión MEMS de silicio [25] mediante el uso de procesos de oxidación térmica para ajustar las estructuras de silicio en una o dos dimensiones. La oxidación térmica es de particular valor en la fabricación de nanocables de silicio , que se emplean ampliamente en los sistemas MEMS como componentes mecánicos y eléctricos.

Micromecanizado de silicio de alta relación de aspecto (HAR)

El micromaquinado de silicio a granel y de superficie se utiliza en la producción industrial de sensores, boquillas de inyección de tinta y otros dispositivos. Pero en muchos casos la distinción entre estos dos ha disminuido. Una nueva tecnología de grabado, el grabado profundo de iones reactivos , ha hecho posible combinar el buen rendimiento típico del micromecanizado a granel con estructuras de peine y el funcionamiento en plano típico del micromecanizado de superficie . Si bien es común en el micromecanizado de superficies tener un espesor de capa estructural en el intervalo de 2 µm, en el micromecanizado de silicio HAR el espesor puede ser de 10 a 100 µm. Los materiales comúnmente utilizados en el micromecanizado de silicio HAR son silicio policristalino grueso, conocido como epi-poli, y obleas de silicio sobre aislante (SOI), aunque también se han creado procesos para obleas de silicio a granel (SCREAM). La unión de una segunda oblea mediante unión de frita de vidrio, unión anódica o unión de aleación se utiliza para proteger las estructuras MEMS. Los circuitos integrados normalmente no se combinan con el micromecanizado de silicio HAR.

Chip de sistemas microelectromecánicos, a veces llamado " laboratorio en un chip "

Un chip DMD de Texas Instruments para proyección cinematográfica
"> Reproducir medios
Medición de las propiedades mecánicas de una franja dorada (ancho ~ 1 µm) usando MEMS dentro de un microscopio electrónico de transmisión . [26]

Algunas aplicaciones comerciales comunes de MEMS incluyen:

  • Impresoras de inyección de tinta , que utilizan piezoeléctricas o expulsión térmica de burbujas para depositar tinta sobre el papel.
  • Acelerómetros en automóviles modernos para una gran cantidad de propósitos, incluido el despliegue de bolsas de aire y el control electrónico de estabilidad .
  • Unidades de medida inercial (IMU): acelerómetros MEMS y giroscopios MEMS en helicópteros, aviones y multirrotores controlados a distancia o autónomos (también conocidos como drones), utilizados para detectar y equilibrar automáticamente las características de vuelo de balanceo, cabeceo y guiñada. El sensor de campo magnético MEMS ( magnetómetro ) también puede incorporarse en dichos dispositivos para proporcionar rumbo direccional. Los MEMS también se utilizan en los sistemas de navegación inercial (INS) de automóviles, aviones, submarinos y otros vehículos modernos para detectar guiñada, cabeceo y balanceo ; por ejemplo, el piloto automático de un avión. [27]
  • Acelerómetros en dispositivos electrónicos de consumo como controladores de juegos (Nintendo Wii ), reproductores multimedia personales / teléfonos móviles (prácticamente todos los teléfonos inteligentes, varios modelos de HTC PDA) [28] y varias cámaras digitales (varios modelos Canon Digital IXUS ). También se utiliza en PC para estacionar el cabezal del disco duro cuando se detecta una caída libre, para evitar daños y pérdida de datos.
  • Barómetros MEMS
  • Micrófonos MEMS en dispositivos portátiles, por ejemplo, teléfonos móviles, auriculares y ordenadores portátiles. El mercado de micrófonos inteligentes incluye teléfonos inteligentes, dispositivos portátiles, aplicaciones para el hogar inteligente y automotrices. [29]
  • Resonadores de precisión con compensación de temperatura en relojes en tiempo real . [30]
  • Sensores de presión de silicio , por ejemplo, sensores de presión de neumáticos de automóviles y sensores de presión arterial desechables
  • Muestra , por ejemplo, el chip del dispositivo digital de microespejos (DMD) en un proyector basado en tecnología DLP , que tiene una superficie con varios cientos de miles de microespejos o microespejos de escaneo individuales, también llamados microscaneadores.
  • Tecnología de conmutación óptica , que se utiliza para tecnología de conmutación y alineación para comunicaciones de datos.
  • Aplicaciones de Bio-MEMS en tecnologías médicas y relacionadas con la salud, desde Lab-On-Chip hasta MicroTotalAnalysis ( biosensor , quimiosensor ), o integrado en dispositivos médicos, por ejemplo, stents. [31]
  • Aplicaciones de visualización de modulador interferométrico (IMOD) en electrónica de consumo (principalmente pantallas para dispositivos móviles), utilizadas para crear modulación interferométrica: tecnología de pantalla reflectante como la que se encuentra en las pantallas mirasol
  • Aceleración de fluidos, como para microenfriamiento
  • Recolección de energía a microescala , incluidas las micro cosechadoras piezoeléctricas, [32] electrostáticas y electromagnéticas.
  • Micromecanizado transductores de ultrasonido . [33] [34]
  • Altavoces basados ​​en MEMS que se centran en aplicaciones como auriculares internos y audífonos
  • Osciladores MEMS
  • Microscopios de sonda de barrido basados ​​en MEMS, incluidos microscopios de fuerza atómica

El mercado global de sistemas microelectromecánicos, que incluye productos como sistemas de bolsas de aire para automóviles, sistemas de visualización y cartuchos de inyección de tinta totalizó $ 40 mil millones en 2006 según Global MEMS / Microsystems Markets and Opportunities, un informe de investigación de SEMI y Yole Development y se prevé que llegar a $ 72 mil millones en 2011. [35]

Las empresas con programas MEMS sólidos vienen en muchos tamaños. Las empresas más grandes se especializan en la fabricación de componentes económicos de gran volumen o soluciones empaquetadas para mercados finales como el de automóviles, biomédicos y electrónicos. Las empresas más pequeñas proporcionan valor en soluciones innovadoras y absorben los gastos de fabricación personalizada con altos márgenes de venta. Tanto las empresas grandes como las pequeñas suelen invertir en I + D para explorar nuevas tecnologías MEMS.

El mercado de materiales y equipos utilizados para fabricar dispositivos MEMS superó los mil millones de dólares en todo el mundo en 2006. La demanda de materiales está impulsada por los sustratos, que representan más del 70 por ciento del mercado, los recubrimientos de empaque y el uso creciente de planarización químico-mecánica (CMP). Si bien la fabricación de MEMS sigue estando dominada por equipos semiconductores usados, hay una migración a líneas de 200 mm y nuevas herramientas seleccionadas, incluido el grabado y la unión para ciertas aplicaciones de MEMS.

  • Cantilever : una de las formas más comunes de MEMS
  • Motores electrostáticos utilizados donde las bobinas son difíciles de fabricar
  • Modelado electromecánico
  • Microscopio de fuerza de sonda Kelvin
  • Generaciones de sensores MEMS
  • Actuador térmico MEMS , actuación MEMS creada por expansión térmica
  • Sistemas microoptoelectromecánicos (MOEMS), MEMS incluidos elementos ópticos
  • Sistemas microoptomecánicos (MOMS), una clase de MEMS que utiliza componentes ópticos y mecánicos, pero no electrónicos.
  • Polvo neuronal : dispositivos de tamaño milimétrico que funcionan como sensores nerviosos alimentados de forma inalámbrica
  • Fotoelectrometría , activación óptica MEMS mediante humectación fotosensible
  • Microenergía , generadores de hidrógeno, turbinas de gas y generadores eléctricos hechos de silicio grabado
  • Memoria de milpiés , una tecnología MEMS para el almacenamiento de datos no volátiles de más de un terabit por pulgada cuadrada
  • Los sistemas nanoelectromecánicos son similares a los MEMS pero más pequeños
  • Actuador de arrastre , accionamiento MEMS utilizando diferencias de voltaje aplicadas repetidamente

  1. ^ Gabriel K, Jarvis J, Trimmer W (1988). Pequeñas máquinas, grandes oportunidades: un informe sobre el campo emergente de la microdinámica: informe del taller sobre investigación de sistemas microelectromecánicos . Fundación Nacional de Ciencias (patrocinador). Laboratorios AT&T Bell.
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