Dispositivos MEMS

Dispositivos mecánicos ultra pequeños: los MEMS

En el otro extremo de las técnicas de fabricación tenemos el método llamado de "top-down" que corresponde a la realización de estructuras micrométricas (1 m=1000 nm =10-6 m) a partir de un proceso de reducción y moldeado de materiales de dimensiones mayores. Este es el método típico de fabricación de dispositivos propios de la microelectrónica y que gracias al avance de las técnicas de litografía permite alcanzar hoy en día escalas submicrométricas.

Para fijar ideas podemos decir que en el microprocesador de una computadora actual tenemos unos 50 millones de transistores por cm2, lo que implica una dimensión típica de 1 m2 por transistor, con un detalle de los contornos del orden de los 100 nm. Esta miniaturización ha permitido reducir componentes electrónicos voluminosos dando a lugar a equipos portátiles, que de otra manera no se emplearían (radios personales, notebooks, teléfonos celulares, etc.) con un panorama de aplicaciones increíble.

¿Y qué tal si lográramos reducir máquinas enteras?

Se podrían construir, por ejemplo, pequeños dinamómetros (sensores de fuerza) que colocados en las patas de una cucaracha nos permitirían entender cómo efectúa y distribuye las fuerzas para lograr un desplazamiento tan eficiente en superficies no horizontales. Esta información nos llevaría eventualmente a construir nuevos dispositivos mecánicos en la escala humana para simular las técnicas de desplazamiento de estos insectos. También se podría armar, en dimensiones muy reducidas, un dispositivo ubicado en el cuerpo de un paciente ("lab on chip"), que analizara su sangre y que, en función de los resultados, inyectara fármacos en las dosis adecuadas, y hasta podría enviar una señal de alerta para que el paciente fuera atendido de urgencia. Estas máquinas funcionarían en definitiva como pequeños robots que nos permitirían la realización de un conjunto de tareas hasta hoy inaccesibles en un mundo de escala micrométrica.

 

La miniaturización de máquinas electromecánicas o MEMS ya es una realidad de nuestros días. Efectivamente, estos microdispositivos ya se emplean para la realización de acelerómetros, presentes en los airbags de los autos para determinar el momento justo en que se produce un choque y disparar así el mecanismo de inflado de las bolsas. Este mismo tipo de MEMS se emplean como elementos de navegación, particularmente en la industria aeroespacial, pero también se prevén aplicaciones como sensores de presión, temperatura y humedad. Se los ha incorporado en marcapasos, para sensar la actividad física del paciente y modificar su ritmo cardíaco. Para evitar falsificaciones de firmas, se ha pensado incorporar estos acelerómetros en lapiceras. De esta manera, no sólo estaría registrado el trazo particular de la firma sino también las velocidades y aceleraciones que le imprimió la mano a la lapicera mientras se firmaba, lo cual haría mucho más difícil su falsificación. También se emplean MEMS en los cabezales de las impresoras de chorro de tinta, produciendo la evaporación controlada de la tinta en el momento justo, y gracias a la entrega localizada de calor. Además de la ventaja del tamaño de estos dispositivos está el hecho de que se los puede fabricar de a miles abaratando notablemente su costo de fabricación.

Los MEMS, como toda nueva tecnología, han tenido un impacto importante a la hora de favorecer el acceso a nuevo conocimiento científico. Este es el caso de la llamada óptica adaptable. La luz de los objetos astronómicos que llega a los telescopios terrestres pasa necesariamente a través de la atmósfera, variando su camino óptico por las variaciones de densidad del aire y de temperatura. Como resultado se obtiene una imagen borrosa, con mala resolución angular. Para evitar este problema, una solución costosa es la de ubicar los telescopios en el espacio (como es el caso del Hubble). Otra solución menos costosa e interesante por su capacidad de emplear telescopios grandes, no limitados por las dimensiones que se pueden manejar en los transportes espaciales, es la que aportó el desarrollo de espejos cuya superficie se deforma mediante MEMS, corrigiendo las distorsiones que produce la atmósfera terrestre.

Esquema del dispositivo que corrige las deformaciones de la imagen producidas por la turbulencia de la atmósfera terrestre. La óptica adaptable, realizada mediante MEMS, permite neutralizar este efecto y obtener una resolución angular adecuada como para distinguir objetos estelares que de otra manera se encontrarían confundidos en una imagen borrosa.
Otra aplicación científica de los MEMS fue la realización de instrumentos de medición de fuerzas entre dos objetos cuyas superficies se encuentran a distancias submicrométricas (< 1um). Uno de los objetivos era poner en evidencia posibles desviaciones de la ley de gravitación universal respecto de la ley establecida por Newton, como predicen algunos modelos teóricos. Según estos modelos, estas desviaciones se podrían hacer más evidentes cuanto menor sea la distancia entre los objetos. El problema es que a cortas distancias también aparecen otras interacciones, como la que surge del llamado efecto Casimir. Este efecto, ligado a la aparición de una fuerza atractiva entre objetos conductores, cuyo origen se relaciona con una propiedad cuántica (oscilaciones de punto cero), se manifiesta principalmente a distancias nanométricas y depende de la geometría de los objetos en cuestión. Los MEMS han aportado las herramientas para evaluar estas fuerzas y corroborar las leyes y sus desviaciones en un rango de distancias hasta ahora no explorado.

los sistemas de Cal (MEMS). RF MEMS proporciona una clase de nuevos dispositivos y componentes de visualización de alto desempeño superior de frecuenciamiento con respecto a convencionales (generalmente dispositivos semiconductores), y que permitan a las capacidades del nuevo sistema. Además, MEMS dispositivos están diseñados y fabricados por técnicas similares a los de integración en gran escala, y puede ser fabricado
por lote de los métodos tradicionales de procesamiento. En este documento, el único dispositivo de abordarse es la micro-tal vez la electrostática RF paradigma dispositivo de MEMS. A través de su rendimiento superior características, el micro se está desarrollando en una serie de circuitos y sistemas existentes, incluidos los fines de la radio frente,
los bancos de visitante, y el tiempo de las redes de demora. El rendimiento superior combinado con la disipación de potencia ultra-baja y en gran escala en integración debe habilitar la funcionalidad de este nuevo sistema como así. las posibilidades de abordar aquí son casi la dirección del haz óptico y eléctricamente antenas reconfigurables.

EN 1990 se ha traído un cambio profundo en la radio -
de radiofrecuencia (RF) impulsada por la tecnología en gran medida por los acontecimientos económicos
y los acontecimientos geopolíticos. Por un lado, el viento-abajo de la
de la guerra fría ha reducido la necesidad de sistemas de RF avanzada,
en particular, los sensores, por el otro lado, el amanecer de la
era de la información ha creado un mayor interés y en el mundo
mercado de sistemas de comunicaciones y redes de
de voz y datos por igual. La transición de la tecnología de RF
de una época a la otra ha sido tanto un desafío como
oportunistas. Para los ingenieros de sistemas de RF, que ha significado una
cambio de pensamiento de los grandes sistemas centralizados a los pequeños
los sistemas distribuidos. Junto con este cambio ha llegado un cambio
desde hace tiempo sistemas de gama, con gran potencia de transmisión RF, de
los sistemas de alcance más corto, con un poder de RF relativamente modesto.
En muchos casos, los sistemas más pequeños nuevo debe ser móvil
o de mano. El paradigma de estos nuevos sistemas es la
de red inalámbrica celular que consiste en una base única de gran alcance
la estación de alimentación de una célula local de la mano de conjuntos de actuar como individuo
de terminales o nodos de la red. El celular digital más populares
y el Servicio de Comunicaciones Personales (PCS), las bandas de alrededor de 0,9
y 1,9 GHz, respectivamente, comprenden la mayor parte de la frecuencia de
espectro se utilice con fines celular.

Para los ingenieros de la tecnología, la transición no ha sido menos
desafiante. Los dispositivos de la prima y los componentes anteriormente
necesarios para construir potentes sistemas centralizados no son
requiere más tiempo o ya no puede ser concedida en muchos de los nuevos
los sistemas distribuidos que vienen en línea hoy en día. En cambio, hay
un énfasis en la tecnología más accesible e integrable,
lo que permite un mayor grado de funcionalidad de RF por unidad de
volumen, aunque a un menor nivel de rendimiento que obtiene
con las tecnologías anteriores. Esto ha generado generalizada
de investigación y desarrollo de base de silicio integrados RF cir -
Cuits (RFIC), y la profunda submicrométricas Si CMOS y
Transistores bipolares de heterounión SiGe (HBT's). Teniendo ad -
de vista de la inherente capacidad de fabricación de Si muy grande
integración a gran escala (VLSI), la tecnología ha encontrado RFIC único
de circuito y un subsistema de arquitecturas y fuera de los tradicionales
diseño digital. Un ejemplo de esto es el "sistema RF-on-a -
chip ", como la familia de circuitos integrados (CI), ahora
disponibles comercialmente para los receptores de posicionamiento global.

Este artículo trata de otra tecnología que ha surgido
en los últimos años con un nivel comparable de interés y más
rápido desarrollo de RFIC's. La tecnología es el diseño
y fabricación de sistemas microelectromecánicos (MEMS)
para los circuitos de RF (RF MEMS). De alguna manera, representa MEMS
la nueva revolución de la microelectrónica. Es similar a la VLSI
circuitos en los que permite la ejecución de funciones complejas
en una escala de tamaño de las órdenes de magnitud inferior y en mucho menos
poder que los circuitos discretos. Sin embargo, los MEMS permite que esta
miniaturización en una clase de sensores y transductores que
Tradicionalmente, se construyeron sobre el modelo de una grande, a menudo
transductor engorroso o un sensor acoplado a un gran inte -
circuitos VLSI rallado lectura o el procesador. Un buen ejemplo de
Este es el acelerómetro MEMS, actualmente uno de los más grande
Aplicación de MEMS a través de su incorporación en las bolsas de aire [1].
Al mismo tiempo, aprovecha MEMS VLSI a través del uso
de diseño y metodologías comunes de procesamiento por lotes y de
herramientas. Esta es la comunidad con VLSI que se ha acreditado
en gran medida de la rápida difusión de los MEMS en la
el mercado comercial.

Es importante tener en cuenta desde el principio de que la RF MEMS no
implica necesariamente que el sistema está funcionando micromecánica
en las frecuencias de RF. Como se verá brevemente, en la mayor
la clase de dispositivos de RF MEMS y componentes, la microelectrónica -
operación tromechanical se utiliza simplemente para la actuación  o
de ajuste de un dispositivo de RF o de componente, como un
condensador variable. En muchos de estos dispositivos, una ventaja clave de
de los dispositivos de MEMS en comparación con semiconductores tradicionales
los dispositivos electromecánicos, es el aislamiento. Por esto, queremos decir que
el circuito de RF no se derramen o la pareja de manera significativa a la
circuito de accionamiento. Una segunda ventaja es el consumo de energía.
Muchos de los dispositivos de MEMS de RF en desarrollo llevar a
a cabo de acoplamiento electromecánico electrostática a través del aire (o
de vacío). Por lo tanto, el consumo de energía proviene de dinámica de
corriente que fluye a los MEMS de actuación sólo cuando se está produciendo.
Sin embargo, la aplicación de MEMS de RF no viene
con impunidad. Debido a la mecánica de actuación, se
inherentemente más lento que los interruptores electrónicos. El electromechan -
tiempo de accionamiento de iCal es normalmente microsegundos muchos o mayor,
que es considerablemente más largo que el tiempo eléctrico típico con -
stants en dispositivos semiconductores. Además, RF MEMS de -
vicios pueden presentar el fenómeno de "fricción estática", según el cual las partes
de que el dispositivo puede unidas al contacto físico.

Agustin Egui

CAF