Integrantes:

Santiago Liivisaca

Chuquiguanga

Christian Montaleza

Docente:

Ing. Jonatan Pozo

Materia:

Diseño Mecánico

Tema:

Trabajo de investigación

Fecha de entrega:

07/01/2015

Ciclo lectivo:

Septiembre - Febrero

MEMS 2015

Objetivos: Objetivo principal:

Investigar sobre los sistemas micro electromecánicos (MEMS). Objetivos específicos:

Conocer que son y para qué sirven los sistemas micro electromecánicos. Comprender como es el proceso de diseño y manufactura de los MEMS. Explicar cuatro ejemplos de aplicación de los MEMS. Investigar si en Latinoamérica se realizan estos tipos de sistemas.

Introducción:Los Sistemas Micro-Electro-Mecánicos conocidos comúnmente por las siglas MEMS son definidos como dispositivos de pequeñas dimensiones compuestos por elementos activos y pasivos microfabricados y que realizan diferentes funciones como percepción, proceso de datos, comunicación y actuación sobre el entorno. Los tipos de dispositivos MEMS pueden variar desde estructuras relativamente simples que no tienen ninguna parte móvil, hasta sistemas electromecánicos muy complejos en la que múltiples elementos se mueven bajo el control de la electrónica integrada.

Desarrollo:

Sistemas Micro-Electro-Mecánicos (MEMS)¿Qué son?

Micro-Electro-Mechanical Systems, o MEMS, es una tecnología que en su forma más general se puede definir como elementos miniaturizados mecánicos y electromecánicos (es decir, los dispositivos y estructuras) que se realizan con las técnicas de microfabricación. Las dimensiones físicas críticas de dispositivos MEMS pueden variar desde muy por debajo de una micra en el extremo inferior del espectro dimensional, todo el camino hasta varios milímetros. Del mismo modo, los tipos de dispositivos MEMS pueden variar de estructuras relativamente simples que no tienen elementos móviles, sistemas electromecánicos a extremadamente complejas con múltiples elementos en movimiento bajo el control de la microelectrónica integrados. (1)

Los MEMS en general varían en tamaño desde un micrómetro (una millonésima parte de un metro) a un milímetro (una 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 electroestática y viscosidad dominan a los efectos de volumen tales como la inercia o la masa térmica.

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Figura 1. Tamaño de un MEMS (2)

¿Para qué sirven?

MEMS se trata de un dispositivo de pequeñas dimensiones con cierto nivel de autonomía, compuesto de elementos activos y pasivos microfabricados y que realizan diferentes funciones. Estas funciones son esencialmente la percepción, el procesado de datos, la comunicación con el exterior y la acción sobre el entorno. La naturaleza del microsistema puede ser eléctrica, magnética, óptica, térmica, mecánica o fluídica. La arquitectura del microsistema incorpora circuitos electrónicos y/u ópticos, generadores de señal y receptores, microsensores, microactuadores y microgeneradores. Los circuitos electrónicos/ópticos realizan principalmente funciones inteligentes, entre las que se encuentran el procesado de señal, el análisis de datos y las tareas de decisión. A su vez, la acción conjunta de generadores de señal y receptores permite realizar las funciones de comunicación del microsistema. Los microsensores, por su parte, realizan funciones sensoriales de detección y de percepción, mientras que los microactuadores llevan a cabo funciones de adaptación y de acción/reacción. La autonomía del sistema está garantizada por los microgeneradores que realizan funciones de suministro y de transformación de energía.

Como se observa en la Figura 2, básicamente, los MEMS son sistemas formados por microestructuras, microsensores, microelectrónica y microactuadores. Las microestructuras constituyen el armazón del sistema, los microsensores detectan señales, la microelectrónica procesa la señal y da órdenes al microactuador para reaccionar.

Figura 2. Partes de un MEMS (2)

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La naturaleza del microsistema puede ser eléctrica, magnética, óptica, térmica, mecánica o fluídica y la arquitectura del MEMS engloba circuitos electrónicos y/u ópticos, generadores de señal y receptores, microsensores, microactuadores y microgeneradores.

Los microsistemas pueden ser:

Sensores: son dispositivos MEMS diseñados para medir cambios en el ambiente. Estos microsistemas incluyen sensores químicos, de movimiento, inerciales, térmicos y ópticos.

Actuadores: son un grupo de dispositivos diseñados para proporcionar un estímulo a otros componentes o dispositivos MEMS. En los microsistemas los actuadores son operados electrostática o térmicamente.

MEMS RF: son una clase de dispositivos usados para transmitir señales de radio frecuencia. Los dispositivos típicos incluyen: interruptores, capacitores, antenas, etc.

MOEMS (Micro-Opto-Electro-Mechanical Systems) son dispositivos diseñados para dirigir, reflejar, filtrar, y/o amplificar la luz. Estos componentes incluyen interruptores ópticos y reflectores.

Dispositivos MEMS para microfluidos: son diseñados para interactuar y trabajar con fluidos. Dispositivos como microbombas y microválvulas son creados para manipular pequeños volúmenes de fluido.

Bio MEMS son dispositivos que, como muchos MEMS para microfluidos, son diseñados para interactuar específicamente con muestras biológicas. Dispositivos como éstos fabricados para interactuar con proteínas, células biológicas, reactivos médicos, etc. y pueden usarse para suministrar medicamentos u otro análisis médico.

Los MEMS poseen una serie de ventajas:

Posibilidad de fabricación masiva con bajo costo. Componentes más sensibles. Tamaño y peso reducidos. Consumo de energía pequeño. Alta precisión y biocompatibilidad. Partes mecánicas específicamente diseñadas, las cuales serán más rápidas y eficientes. Materiales con propiedades que les permiten ser más fuertes y ligeros. Desarrollo de componentes electrónicos más rápidos. Sistemas mecánicos y ópticos más rápidos y complejos. Nuevos dispositivos opto-electrónicos.

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Procesos MEMS

Procesos de Deposición:

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

Fotolitografía:

Litografía en el contexto MEMS es, por lo general la transferencia de un patrón a un material fotosensible por exposición selectiva a una fuente de radiación, como la luz. Un material fotosensible es un material que experimenta un cambio en sus propiedades físicas cuando es expuesto a una fuente de radiación. Si nosotros exponemos selectivamente un material fotosensible a la radiación (por ejemplo, mediante el enmascaramiento de algo de la radiación) el patrón de la radiación sobre el material es transferido al material expuesto, resultando en que las propiedades de las regiones expuestas y no expuestas difieren. Esta región expuesta puede luego ser eliminada o tratada proveyendo una máscara para el sustrato subyacente. La Fotolitografía es típicamente usada con metal u otra deposición de película delgada, en procesos de grabado secos o mojados.

Procesos de grabado:

Hay dos categorías básicas de procesos de grabado: grabado mojado y seco. En el primer caso, el material se disuelve cuando se sumerge en una solución química. En el último, el material se pulveriza o disuelve utilizando vapor iones reactivos o un grabado de fase vapor.

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

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.

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Si los iones poseen energía suficientemente alta, pueden impactar a los átomos fuera del material a ser grabado sin una reacción química.

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". 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: (1) SF6 grabado isotrópico; (2) C4F8 pasivación; (3) SF6 grabado anisoptrópico para limpieza de suelo. En la 2 ª variación, los pasos (1) y (2) se combinan.

Grabado por difluoruro de XenonEl difluoruro de Xenon (XeF2) es un grabador por fase de vapor seco isotrópica para silicio originalmente aplicada en MEMS 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.

Aplicación:

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.

Los sensores de presión MEMS en el monitoreo respiratorio se utilizan en los ventiladores para monitorizar la respiración del paciente.

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.

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Conclusiones: Los MEMS son como dispositivos microscópicos diseñados, fabricados y utilizados para

interactuar o producir cambios dentro de un ambiente controlado, estos pequeños y sofisticados dispositivos que piensan, actúan, miden y se comunican, están reemplazando a los dispositivos actuales tradicionales en muchas aplicaciones.

Los MEMS son un sistema básicamente conformado por microestructuras, microsensores, microelectrónica, y microactuadores.

El uso de microsistemas ofrece un menor consumo de potencia, alto desempeño, peso reducido y un costo más bajo que los dispositivos utilizados actualmente.

Bibliografía1. (s.f.). MEMS y nanotechnology Exchange. Obtenido de

https://www.mems-exchange.org/MEMS/applications.html.

2. (s.f.). bibing.us.es. Obtenido de http://bibing.us.es/proyectos/abreproy/4966/fichero/e.+Tecnologia+MEMS.pdf.

Márquez David, C. O. (2006). Estado del arte de los sistemas microelectromecánicos. Ciencia e Ingenieria.

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