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7/17/2019 Micro Sistem As
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MicrosistemasCuauhtémoc Carbajal
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Microsistema
• Un microsistema puede ser considerado cualquierdispositivo o unidad hecho de un número de componentes
microconstruidos.
• Ejemplo: – Acelermetro para bolsa de aire
• !os microsistemas pueden ser construidos de componentes producidos por di"erentes tecnolo#$as en di"erentes
substratos %sistema híbrido& o ser construidos sobre unmismo substrato usando slo una tecnolo#$a %un sistema
monolítico&.
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Componentes de un microsistema
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Microin#enier$a
• !a microin#enier$a se re"iere a la tecnolo#$a ' pr(ctica de"abricar estructuras tridimensionales ' dispositivos condimensiones del orden de micrmetros.
– microelectrnica %circuitos electrnicos en chips desilicio&
– micromaquinado %técnicas usadas para producir lasestructuras ' partes mviles de los dispositivos
microconstruidos&• )entajas:
– bajo costo* "iabilidad ' peque+o tama+o
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,otolito#ra"$a
TÉCNICAS
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Micromaquinado de silicio
• -epsito de pel$culas del#adas
• rabado húmedo
– remocin de materiales mediante la inmersinde la oblea en una solucin que contiene el#rabante qu$mico
• rabado /eco %01E&
• !i"t o"" –
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• Depósito de películas delgadas
– Materiales: di2ido de silicio* nitruro de silicio*silicio policristalino* aluminio
– 3écnicas para de"inir patrones: "otolito#ra"$a '#rabado
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• Grabado húmedo
– 0emocin de materiales mediante la inmersin de la
oblea en una solucin que contiene el #rabante qu$mico. – rabantes húmedos:
• 1sotrpicos – Materiales: 2ido* nitruro* aluminio* pol'* oro ' silicio
– /olucin: (cido "luorh$drico
• anisotrpicos – Materiales: nitruro* 2ido
– /olucin: hidr2ido de potasio
Orientación cristalina: 100
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• Altas dosis de boro en silicio reducen la velocidadde #rabado en varios rdenes de ma#nitud.
Silicio dopado con boromediante difusión
Máscara deóido !rueso
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• Grabado seco
– !os iones son acelerados hacia los materiales aser #rabados* ' la reaccin #rabante esmejorada en la direccin de viaje del ion.
– Es una técnica de #rabado anisotrpico* con la
que pro"undos canales ' cavidades %ma'ores a45um& de "ormas arbitrarias con paredesverticales pueden ser "abricadas.
– Materiales: silicio* 2ido ' nitruro.
– 6o est( limitado por los planos cristalo#r("icosdel silicio.
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• Lift off
– Materiales: metales nobles
– 7rocedimiento:• Mediante "otolito#ra"$a se de"ine el
patrn deseado.
• El 2ido es #rabado con una solucin
húmeda %de manera que se elimine partedel 2ido que est( debajo del resist&.
• El metal se deposita medianteevaporacin.
• el patrn de metal es e"ectivamentede"inido por las re#iones sin resist.
• !a pel$cula au2iliar es eliminada*obteniendo el patrn de metal requerido.
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Estructuras 8(sicas
• Canales o cavidades
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• Diafragmas
"rosor: #0 micras o ma$ores
"rosor: %0 micras apro&
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• Puentes angostos o trampolines
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Micromaquinado de super"icie
• Esta técnica usa dos pel$culas de di"erentes materiales* unmaterial estructural ' otro llamado de sacrificio.
• Estos materiales son depositados ' #rabados %usando
técnicas de #rabado seco& en una secuencia establecida.,inalmente* el material de sacri"icio es removido %usandoun #rabado húmedo& hasta obtener la estructura deseada.
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• Una pel$cula de 2ido desacri"icio es depositada sobre lasuper"icie de la oblea.
• !ue#o* una capa de polisilicio se
deposita* ' se de"ine un patrnusando 01E.
• !a oblea es entonces introducidaen una solucin para remover el2ido bajo el trampol$n.
• En este proceso* la oblea essacada de la solucin antes deque todo el 2ido sea removido.
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/ellado de obleas
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!1A
metal plástico
Solución final ASolución final '
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Microsensores: /ensores 3érmicos
• Termopar
) 9 % 7a 7b &% 3a 3b &
(os materiales semiconductores a menudo presentan un me)or efectotermoel*ctrico +ue los metales&
Ecuacin %4&
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(a alta conducti,idad t*rmica del silicio dificulta el mantener un !radientede temperartura !rande -Ta.Tb/& or consi!uiente una aplicación delmicroma+uinado de silicio es el aislar t*rmicamente el elemento sensor delsubstrato de silicio&
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• Termistor
Ecuacin %;&
=++=
RbT aT Rr &4%
;
2 (os termistores pueden ser formados de óidos metálicos o desilicio&2 Su costo de fabricación es ba)o $ son fáciles de inte!rar&2 3l coeficiente de temperatura resisti,o para un termistor es
altamente no lineal $ ne!ati,o $ depende de la potencia +uedisipa el dispositi,o&
4esisti,idad del material a unatemperatura de referencia -0 5C/
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• Sensores térmicos de fluo
– /e puede medir la temperatura de un "luido con"orme pase por el sensor* ' como aquel pasa sobre un resistor
<caliente< la di"erencia en temperatura ser( proporcional a la ra=n m(sica del "lujo.
– >tra posibilidad es mantener el sensor a unatemperatura constante ' medir la cantidad de potencia
requerida para mantener esa temperatura. -e nuevacuenta* la di"erencia de temperatura ser( proporcional ala ra=n m(sica del "lujo sobre el sensor.
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Sensor de flu)o
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/ensores de radiacin
• !otodiodo " fototransistor
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?ptica inte#rada
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?ptica inte#rada
• Componentes pasivos: – dobladores* – acopladores*
– espejos* – multiple2ores divisores
de lon#itud de onda ' polari=adores.
• Componentes activos: – diodos laser* – "otodiodos* e – interruptores pticos.
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/ensores Ma#néticos
6n sensor de efecto 7all consiste de un material conductor usualmentesemiconductor $ de una corriente el*ctrica +ue se 8ace pasar entre dos
electrodos situados en lados opuestos del dispositi,o& 9os contactos sensoresson colocados en los lados restantes del dispositi,o -opuestos uno a otro $ endirección perpendicular al flu)o de corriente/&
(os sensores de efecto 7all operan en el ran!o de 0&1 mT a 1 T -el campo
ma!n*tico de la tierra es aproimadamente #0 T/& (os circuitos de efecto 7allcomerciales disponibles proporcionan una respuesta del orden de 10 m;mT&
• #fecto $all
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/ensores @u$micos
• %S!#T
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• &iosensor basado en en'imas
(as en<imas son altamente espec=ficas en las reacciones +ue catali<an&
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• (icroelectrodos
a/ Son usados en estudios celulares&
b/ Tienen sitios de lectura a lo lar!o de un >tallo> del!ado elcual es insertado en el te)ido ba)o in,esti!ación&
c/ Son electrodos de re!eneración son colocados entre los
etremos de ,arios >tallos> perif*ricos -las fibras ner,iosascrecen o se re!eneran por medio del dispositi,o/&
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/ensores mec(nicos
• )celerómetros
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• Sensores de presión
Un peque+o sensor construido en el M13 usa un dia"ra#ma de 55micras de di(metro ' contiene cuatro pie=oresistencias inte#radas
para convertir la presin en una se+al eléctrica
http:BB.desi#n.caltech.eduBmicropropulsionBtr4DDD45Binde2.html
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Microactuadores
• Un microactuador es requerido para controlar un sensor
resonante o para generar la respuesta mecánica de un
sistema en particular .
– movimiento de microespejos para e2plorar el ha= de unlaser*
– control de microbombas ' v(lvulas en sistemas demicroan(lisis o en micro"lu$dos*
– microelectrodos para estimular tejido nervioso enaplicaciones de prtesis.
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Métodos
• !a actuación electrostática es el m(s común ' mejormétodo que se ha'a desarrollado %padece problemas deadherencia&.
• !os actuadores ma#néticos usualmente requieren altascorrientes %' alta potencia&* ' a escala microscpica elmétodo de actuacin electrost(tico o"rece mejor respuesta por unidad de volumen.
• Mientras que la actuacin térmica requiere #randescantidades de ener#$a eléctrica* ' #ran cantidad de calor esdisipado.
• !os métodos hidr(ulico ' pie=oeléctrico son los m(s prometedores.
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Actuador electrost(tico
x
C V F
V
C E
x∂
∂=
=
;
;;
;
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Motor de balanceo
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Motor ?obble
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Actuadores pie=oeléctrico
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Actuador ma#nético
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Actuador térmico
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Actuador hidr(ulico
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Tecnología de MEMS: tendencias"ráfico lo!.lo! del n@mero de transistores enrelación al n@mero de componentes mecánicos
/cienti"ic American %abriel* 4DD&
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(otor rotativo
El video muestra el motor operando avarias velocidades
Defle*ión de un ha' laser
Un espejo sube ' baja lentamente paramostrar la de"le2in del ha=
Tren de engranes
/e muestra un tren planar de en#ranesoperando a velocidades de trabajo variables