micro sistem as

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 Microsistemas Cuauhtémoc Carbajal

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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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• CCD

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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 

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