Usuari:Mcapdevila/Sistemes microelectromecànics

Sistemes microelectromecànics ( MicroElectroMechanical Systems , MEMS ) es refereixen a la tecnologia electromecànica, micromètrica i els seus productes, ia escales relativament més petites (escala nanomètrica) es fusionen en sistemes nanoelectromecànics (Nanoelectromechanical Systems, NEMS) i Nanotecnologia. MEMS també es denominen 'Micro Màquines' (al Japó) o 'Tecnologia de Micro Sistemes' - MST (a Europa).^[1]

Els MEMS són independents i diferents de la hipotètica visió de la nanotecnologia molecular o Electrònica Molecular. MEMS en general varien en grandària des d'un micròmetre (una milionèsima part d'un metre) a un mil·límetre (mil·lèsima part d'un metre). En aquest nivell d'escala de grandària, les construccions de la física clàssica no són sempre certes. A causa de la gran superfície en relació al volum dels MEMS, els efectes de superfície com electrostàtica i viscositat dominen els efectes de volum com ara la inèrcia o massa tèrmica. L'anàlisi d'elements finits és una part important del disseny de MEMS. La tecnologia de sensors ha fet progressos significatius a causa dels MEMS. La complexitat i el rendiment avançat dels sensors MEMS ha anat evolucionant amb les diferents generacions de sensors MEMS.

El potencial de les màquines molt petites va ser apreciat molt abans que existís la tecnologia que pogués construir-les - vegeu, per exemple, la famosa lectura de 1959 de Feynman "Hi ha molt espai en les coses petites". Els MEMS es van convertir en pràctics una vegada que poguessin ser fabricats utilitzant modificació de tecnologies de fabricació de semiconductors, normalment utilitzades en electrònica. Aquests inclouen emmotllament i galvanoplàstia, gravat humit (KOH, TMAH) i gravat en sec (RIE i DRIE), el mecanitzat per electro descàrrega (EDM), i altres tecnologies capaces de fabricar dispositius molt petits.

Hi ha diferents mides d'empreses amb importants programes MEMS. Les empreses més grans s'especialitzen en la fabricació de components de baix cost alt volum o paquets de solucions per als mercats finals com l'automotriu, biomedicina, i electrònica. L'èxit de les petites empreses és oferir valor en solucions innovadores i absorbir el cost de fabricació amb alts marges de ventas.Tanto les grans com les petites empreses realitzen treballs d'I+D per explorar la tecnologia MEMS.

Un dels majors problemes dels MEMS autònoms és l'absència de micro fonts d'energia amb alta densitat de corrent, potència i capacitat elèctrica.

MEMS descripció

Els avenços en el camp dels semiconductors estan donant lloc a circuits integrats amb característiques tridimensionals i fins i tot amb peces mòbils. Aquests dispositius, anomenats Sistemes Micro electromecànics (MEMS), poden resoldre molts problemes que un microprocessador més el programari o configuració no ASIC (Xip integrats d'aplicació específica) no poden. La tecnologia MEMS pot aplicar utilitzant un sense nombre de diferents materials i tècniques de fabricació; l'elecció dependrà del tipus de dispositiu que s'està creant i el sector comercial en el qual ha d'operar.

Silici

El silici és el material utilitzat per crear la majoria dels circuits integrats utilitzats en l'electrònica de consum en el món modern. Les economies d'escala, facilitat d'obtenció i el baix cost dels materials d'alta qualitat i la capacitat per incorporar la funcionalitat electrònica fan al silici atractiu per a una àmplia varietat d'aplicacions de MEMS. El silici també té avantatges significatius que han sorgit a través de les seves propietats físiques. En la forma mico cristal·lina, el silici és un material Hookeano (compleix la llei de Hooke) gairebé perfecte, el que significa que quan està en flexió pràcticament no hi ha histèresi i, per tant, gairebé no hi ha dissipació d'energia. Així com per fer moviments altament repetibles, això fa també que el silici sigui molt fiable, ja que pateix molt petita fatiga i pot tenir una durada de vida de servei en el rang de bilions o trilions de cicles sense trencar. Les tècniques bàsiques per a la producció de tots els dispositius MEMS basats en silici són la deposició de capes de material, produint un patró en aquestes capes per fotolitografia i després gravant per produir les formes necessàries.

Polímers

Tot i que la indústria de l'electrònica proporciona una economia d'escala per a la indústria del silici, el silici cristal·lí és encara un material complex i relativament costós de produir. Els polímers per contra es poden produir en grans volums, amb una gran varietat de característiques materials. Els dispositius MEMS pot fer-se de polímers, pels processos d'emmotllament per injecció, estampat o estèreo litografia i són especialment adequats per a aplicacions micro fluídicas com ara els cartutxos sol ús per a anàlisis de sang.

Metalls

Els metalls també es pot usar per crear elements MEMS. Encara que els metalls no tenen algunes dels avantatges mostrades pel silici en termes de propietats mecàniques, quan són utilitzen dins de les seves limitacions, els metalls poden presentar graus molt alts de fiabilitat.

Els metalls poden ser dipositats per galvanoplàstia, per evaporació, i mitjançant processos de polvorització.

Els metalls comunament utilitzats inclouen a l'or, níquel, alumini, crom, titani, tungstè, plata i platí.

Processos MEMS

Processos de Deposició

Un dels elements bàsics en el processament de MEMS és la capacitat de dipòsit de pel·lícules primes de materials. En aquest text assumim que una fina pel·lícula pot tenir un gruix d'entre uns pocs nanòmetres a uns 100 micròmetres. Els processos de deposició d'ús comú són: Electroenchapado (Electroplating), Deposició polvoritzada (Sputter deposition), la deposició física de vapor (PVD) i deposició química de vapor (CVD).

Fotolitografia

Litografia en el context MEMS és, en general la transferència d'un patró a un material fotosensible per exposició selectiva a una font de radiació, com la llum. Un material fotosensible és un material que experimenta un canvi en les seves propietats físiques quan és exposat a una font de radiació. Si nosaltres exposem selectivament un material fotosensible a la radiació (per exemple, mitjançant l'emmascarament d'una mica de la radiació) el patró de la radiació sobre el material és transferit al material exposat, resultant que les propietats de les regions exposades i no exposades difereixen .

Aquesta regió exposada pot després ser eliminada o tractada proveint una màscara per al substrat subjacent. La Fotolitografia és típicament usada amb metall o una altra deposició de pel·lícula prima, en processos de gravat secs o mullats.

Processos de gravat

Hi ha dues categories bàsiques de processos de gravat: gravat mullat i sec. En el primer cas, el material es dissol quan se submergeix en una solució química. En l'últim, el material es polvoritza o dissol utilitzant vapor ions reactius o un gravat de fase vapor. Vegeu Williams i Muller [1] o Kovacs, Maluf i Peterson [2] per una mica de visió de conjunt de les tecnologies de gravat MEMS.

Gravat humit o mullat

El gravat per mullat químic consisteix en una eliminació selectiva de material per immersió d'un substrat dins d'una solució que la pugui dissoldre. La naturalesa química d'aquest procés proporciona una bona selectivitat, la qual cosa significa que la taxa de gravat del material a gravar és considerablement més alta que la del material de la màscara si es selecciona acuradament.

Alguns materials mico cristal·lins, com el silici, tindran diferents taxes de gravats depenent en l'orientació cristal·logràfica del substrat. Això es coneix com gravat anisotròpic i un dels exemples més comuns és el gravat del silici en KOH (hidròxid de potassi), on els plànols <111> del Silici es graven aproximadament 100 vegades més lent que altres plànols (orientacions cristal·logràfiques). Per tant, gravant un forat rectangular en un (100) - una hòstia de silici resulta en en un gravat de ranures en forma de piràmide amb parets en angle de 54.7°, en lloc d'un forat amb parets corbes com podria ser el cas del gravat isotròpic, on els processos de gravat progressen a la mateixa velocitat en totes les direccions. Forats llargs i estrets en una màscara produiran solcs en el silici. La superfície d'aquestes ranures pot ser automàticament suavitzades si el gravat es duu a terme correctament, amb les dimensions i els angulos sent extremadament precisos.

El gravat Electroquímic (CEPE) per a una eliminació selectiva del dopante del silici és un mètode comú per automatitzar i controlar selectivament el gravat. Es requereix un díode de juntura pn actiu, i qualsevol tipus de dopant pot actuar com a material resistent al gravat ("detenció del gravat"). El Bor és el dopante més comú de detenció del gravat. En combinació amb el gravat mullat anisotròpic com s'ha descrit anteriorment, el ECE s'ha utilitzat amb èxit per al control del gruix del diafragma de silici en sensors de pressió piezo-resistius de silici. Les regions selectivament dopades poden ser creades tant per implantació, difusió, o deposició epitaxial de silici.

Gravat per ions reactius (RIE)

En el gravat per ions reactius (RIE), el substrat es col·loca dins d'un reactor en el qual s'introdueixen diversos gasos. El plasma és premut en la barreja de gasos utilitzant una font d'energia de RF, trencant les molècules del gas en ions. Els ions són accelerats i reaccionen amb la superfície del material sent gravat, formant un altre material gasós. Això es coneix com la part química del gravat per ions reactius. També hi ha una part física que és de naturalesa similar al procés de deposició per polvorització. Si els ions posseeixen energia suficientment alta, poden impactar als àtoms fora del material a ser gravat sense una reacció química. És una tasca molt complexa desenvolupar processos de gravat en sec que equilibrin gravat químic i físic, ja que hi ha molts paràmetres a ajustar. En canviar l'equilibri és possible influir en l'anisotropia del gravat, ja que la part química és isòtropa i la part física altament anisotròpica, la combinació pot formar parets laterals, que tenen formes des arrodonides a verticals.

Gravat profund de ions reactius (DRIE)

Una subclasse de la RIE, que continua creixent ràpidament en popularitat és la RIE profunda (DRIE). En aquest procés, les profunditats de gravat de centenars de micròmetres poden ser aconseguits amb parets gairebé verticals. La principal tecnologia es basa en l'anomenat "procés de Bosch" [3], cridat després que l'empresa alemanya Robert Bosch, presentés la patent original, on dues composicions de gasos diferents s'alternen en el reactor. Actualment hi ha dues variacions de la DRIE. La primera modificació consisteix en tres passos (el procés de Bosch, tal com s'utilitza en l'eina UNAXIS), mentre que la segona variació només consisteix en dos passos (AGAFA utilitzat en l'eina de STB). A la 1 ª Modificació, el cicle de gravat és el següent: (I) SF6 gravat isòtrop; (Ii) C4F8 passivació; (Iii) SF6 gravat anisoptrópico per a neteja de sòl. A la 2 ª variació, els passos (i) i (iii) es combinen.

Totes dues variacions funcionen de manera similar. El C4F8 crea un polímer sobre la superfície del substrat, i en el segona, la composició del gas (SF6 i O2) grava el substrat. El polímer és immediatament polvoritzat lluny per la part física del gravat, però només en les superfícies horitzontals i no en les parets laterals. Des del polímer només es dissol molt lentament en la part de la química de gravat, s'acumula a les parets laterals i els protegeix de gravat. Com a resultat d'això, el gravat es poden aconseguir relacions d'aspecte de 50 a 1. El procés pot ser utilitzat fàcilment per gravar completament a través d'un substrat de silici, i les taxes de gravat són 3-4 vegades més altes que el gravat mullat.

Gravat per difluorur de Xenon

El difluorur de Xenon (XEF ₂) és un gravador per fase de vapor sec isòtropa per silici originalment aplicada en MEMS el 1995 a la Universitat de Califòrnia, Los Angeles [4] [5]. Originalment usada per a la liberdarión d'estructures de metall i dielèctriques mitjançant del tallat del silici, XEF ₂ té l'avantatge de no tenir enganxat per viscositat a diferència del gravat mullat. La seva selectivitat de gravat és molt alta, el que li permet treballar amb fotoresistencia, SiO ₂, nitrur de silici, i diversos metalls per emmascarar. La seva reacció al silici és "lliure de plasma", és purament químic i espontani i sovint és operat en manera premuda. Es troben disponibles models de l'acció del gravat estan disponibles [6], i laboratoris universitaris i diverses eines comercials ofereixen solucions utilitzant aquest enfocament.

Paradigmes dels MEMS de Silici

Micromecanitzat volumètric

Micromecanitzat volumètric és el paradigma més antic dels MEMS basat en silici. Tot el gruix d'una oblia de silici s'utilitza per a la construcció de les micro-estructures mecàniques. [2] El silici és mecanitzat utilitzant diversos processos de gravat. La unió anòdica de plaques de vidre o hòsties de silici addicionals s'utilitzen per afegir característiques tridimensionals i per encapsulació hermètica. El micromecanitzat volumètric ha estat essencial perquè els sensors de pressió d'alt rendiment i acceleròmetres que han canviat la forma de la indústria dels sensors en els 80 'si 90.

Micromecanitzat superficial

El micromecanitzat superficial utilitza deposició de capes sobre la superfície d'un substrat com a material estructural, en lloc d'utilitzar el substrat mateix. [7] El micromecanitzat superficial es va crear a finals dels 80 per fer el micromecanitzat de silici més compatibles amb la tecnologia de circuit integrat plànol, amb l'objectiu de la combinació de MEMS i circuits integrats en la mateixa oblia de silici. El concepte original del micromecanitzat superficial es basa en primes capes de silici policristal·lí modelatge com a estructures mecàniques mòbils i exposades per gravat de sacrifici de les subcapas d'òxid. Elèctrodes en pinta interdigital són utilitzats per produir forces en plànol i detectar moviments en plànol de forma capacitiva. Aquest paradigma MEMS ha permès a la manufactura de acelerometros de baix cost, per exemple sistemes de Borses d'aire per a automòbils (Air-bags) i altres aplicacions on baixos rendiments i/o alts rangs de "g" són suficients. Mecanismes Analògics han estat pioners en la industrialització del micromecanitzat superficial i han realitzat la co-integració dels MEMS i els circuits integrats.

Micromecanitzat d'Alta relació d'aspecte (HAR)

Tots dos micromecanitzats volumètric i superficial són encara usats en la producció industrial dels sensors, els broquets de raig de tinta i altres dispositius. Però, en molts casos, la distinció entre aquests dos ha disminuït. La nova tecnologia de gravat, el gravat profund per ions reactius ha fet possible combinar el bon acompliment típic del micromecanitzat volumètric amb estructures en pinta i operacions en pla típiques de micromecanitzat superficial. Si bé és comú en el micromecanitzat superficial tenir espessors de capa estructurals en el rang de 2 micres, en el micromecanitzat HAR l'espessor és de 10 a 100 m. Els materials comunament utilitzats en el micromecanitzat HAR són silici policristal·lí dens, conegut com a epi-poly, i les hòsties pegades de silici-sobre-aïllant (SOI), tot i que els processos per a les hòsties de silici volumetricas també han estat creades (SCREAM) . Pegant una segona hòstia mitjançant fritada de vidre, la unió anòdica o unió d'aliatge s'utilitza per protegir les estructures MEMS. Els circuits integrats estan normalment no combinats amb el micromecanitzat HAR. El consens de la indústria en aquest moment sembla que la flexibilitat i la reducció en complexitat obtinguts tenint les dues funcions separades sembla pesar més que la petita penalitat en l'envasament.

Aplicacions

Aplicacions comuns inclouen:

Impressores d'injecció de tinta, que utilitzen piezoelèctrics o bombolla tèrmica d'ejecció per dipositar la tinta sobre el paper.
Acceleròmetres en els automòbils moderns per a un gran nombre de finalitats, entre elles el desplegament de matalàs d'aire (coixí de seguretat) en les col·lisions.
Acceleròmetres en dispositius d'electrònica de consum, com ara controladors de jocs (Nintendo Wii), reproductors multimèdia personals i telèfons mòbils (Apple iPhone) [8] i una sèrie de Cambres Digitals (diversos models Cànon Digital IXUS). També s'usa en ordinadors per estacionar el capçal del disc dur quan és detectada una caiguda lliure, per evitar danys i pèrdua de dades.
Giroscopis MEMS moderns utilitzats en automòbils i altres aplicacions d'orientació per detectar, per exemple, un rolido i desplegar una cortina coixí de seguretat més o activar el control dinàmic d'estabilitat.
Sensors de pressió de Silici, per exemple, en sensors de pressió de pneumàtics d'automòbils, i en sensors de pressió arterial sol ús.
Pantalles per exemple, el xip DMD en un projector basat en la tecnologia DLP posseeix en la seva superfície diversos centenars de milers de microespejos.
Tecnologia de commutació de fibra òptica que s'utilitza per a tecnologia de commutació i alineació per a comunicacions de dades.
Projector de cinema digital: Philippe Binant ^[2] va realitzar, el 2000, la primera projecció de cinema digital públic d'Europa, fundada sobre l'aplicació d'un MEMS desenvolupat per Texas Instruments.^[3]
Aplicacions Bio-MEMS aplicacions en medicina i tecnologies relacionades amb la salut des Lab-On-Chip (laboratoris en un xip) a Anàlisi Micro Total (biosensors, sensors químics) per MicroTotalAnalysis (biosensor, chemosensor).
Aplicacions IMOD en l'electrònica de consum (sobretot pantalles en els dispositius mòbils). S'utilitza per crear tecnologia pantalla de modulació interferomètrica - reflexiva.
El Adams Golf DiXX Digital Instrucció putter utilitza MEMS, concretament un microsistema de navegació inercial per analitzar els factors del moviment del swing, incloent el camí, el temps, la velocitat i els nivells de vibració de la mà.
Microscòpia de força atòmica o AFM: Els sensors de força (micropalancas) usats en AFM són en si sistemes microelectromecànics produïts amb tècniques de microfabricació. Amb aquests poden obtenir mesures de forces en el rang de pN (piconewton) a nN (nanonewton), així com aixecar topografies de superfícies a escala atòmica.

Investigació i Desenvolupaments MEMS

Els investigadors en MEMS utilitzen diverses eines de programari d'enginyeria per portar un disseny des del concepte a la simulació, prototipat i assajos. L'anàlisi per elements finits (Finite element methods, FEM) és una part important en el disseny dels MEMS. Simulació dinàmica, de la calor, i elèctrica, entre altres, poden ser realitzades per ANSYS i COMSOL, així com per COVENTOR. Un altre programari, com MEMS-PRO, s'utilitza per produir una composició del disseny adequat per al lliurament a l'empresa de fabricació. Una vegada que els prototips estan a punt, els investigadors poden provar-los utilitzant diversos instruments, entre ells vibrómetros d'escaneig doppler làser, microscopis, i estroboscopis.

Vegeu també

NEMS , Sistemes nanoelectromecànics ( Nanoelectromechanical systems ) són similars als MEMS, però més petits
MOEMS , Sistemes Micro opto-electromecànics ( Micro Opto-Electrical-Mechanical Systems ), MEMS incloent elements òptics
Procés LIGA

Notes

↑ Nadim Maluf; Kirt Williams. Introduction to Microelectromechanical Systems Engineering. Artech House, 1 June 2004. ISBN 978-1-58053-590-8 [Consulta: 5 juliol 2012].
↑ Philippe Binant
↑ Texas Business

Enllaços externs

A Wikimedia Commons hi ha contingut multimèdia relatiu a: Mcapdevila/Sistemes microelectromecànics

[MalufWilliams2004-1] Nadim Maluf; Kirt Williams. Introduction to Microelectromechanical Systems Engineering. Artech House, 1 June 2004. ISBN 978-1-58053-590-8 [Consulta: 5 juliol 2012].

[2] Philippe Binant

[3] Texas Business

[1]

[2]

[3]