Breve introducción a sistemas microelectro-mecánico (MEMS) A brief introduction to micro-electromechanical systems (MEMS) June 13, 2014 Thomas Adams, Ph.D. Professor, Mechanical Engineering ROSE-HULMAN Institute of Technology Terre Haute, IN, USA

¿Quien soy y por qué estoy aquí? Thomas Adams, Ph.D. Soy profesor de ingeniería mecánica en Rose-Hulman Institute of Technology. Estoy acá este semestre como profesor vistitante.

5794 km Universidad privada con 2000 estudiantes de pregrado Carreras en ciencias, ingeniería, y matemáticas

Instalaciónes Laboratorio MiNDS (Microtecnología)

Rose-Hulman fue una de las primeras univerisdades de los estados unidos tener cursos en microtecnología para pregrados.

Video de un motor

Video de motor y rueda desde Sandia National Laboratory

Video de un motor

Video de motor y ruedas desde Sandia National Laboratory

Fotos del motor

Una foto del motor…

¡con ácaro! (“mite” en inglés)

Otra vista

Boceto de la charla

• ¿Qué son MEMS? • Algunos ejemplos, muchas fotos hermosas • ¿Cómo se hacen MEMS? • ¿Por qué micro? • ¿Qué pasará en el futuro? (What mite the future hold?)

Cuatro puntos importantes

MEMS no signifa lo mismo pero más pequeño. 2. MEMS no es solo multidisciplinario sino interdisciplinario. 3. ¿Desafíos? ¡Sí! ¿Pero oportunidades? ¡Claro que sí! 4. Tenemos que enfocar los fundamentos. 1.

¿Qué son MEMS?

¿Qué son MEMS? Acrónimo para micro-electro-mechanical systems. Micro: El tamaño pequeño. Medimos MEMS usando micrones (μm) 1 μm = 10-6 m Electro: MEMS tienen componentes eléctricas (quizás) Mechanical: MEMS tienen componentes que se mueven (quizás) Systems: Quiere decir que los components se integraron (Funcionan juntos.) En realidad hoy en día MEMS quiere decir micro-tecnología y micro-íngeniería en general.

Unos ejemplos de MEMS

Ejemplos de MEMS

Se puede encontrar MEMS en • Automóviles (Carros)  Sensores para bolsas de aire • Impresoras  Ink jet print heads • Celulares  RF switches, etcetera • Tablets  Sensores de velocidad angular • Lab-on-a-chip  Microfluidics • Optical devices  Micro-espejos • Muchas otras cosas ¡Todo el mundo tiene MEMS!

MEMS acelerómetro

Los acelerómetros de MEMS se usan mucho para que las bolsas de aire sepan cuando desdoblar. (Casi todos los carros los tienen.)

MEMS acelerómetros

La mayoría de acelerómetros usa capacidad eléctrica para detectar aceleración. Se llama “comb structure” (estructura de peine)

From Introductory MEMS: Fabrication and Applications by T.M. Adams and R.A. Layton, Springer

Videos de micro-motores de Sandia National Laboratory Se puede usar en reverso como actuador. Si usas una corriente alterna se convierte en un motor. En MEMS se llama “comb drive”.

Videos por Sandia National Laboratories

Videos de micro-motoers de Sandia National Laboratory

Otro video

Video por Sandia National Laboratories

Ink jet print heads

Los puntos de tinta son pequeños (1030 por mm) como son las boquillas.

canales de tinta con activadores piezoeléctricos

boquillas

(http://www.konicaminolta.com)

Micro-espejos Micromirrors (micro-espejos) se usan como switches ópticos, televisores, pantallas de computadoras, y proyectores.

~ 10 μm

Micro-espejo que es parte de una matriz de switches usado en una red óptica Digital Micro-mirror Device (DMD) desarollado por Texas Instruments

Más ejemplos Tecnologías de “labs-on-a-chip” se usan mucho en detección química y biológica.

¿Cómo se hacen MEMS?

¿Cómo se hacen MEMS?

• Se toman muchas técnicas prestadas de la fabricación de microelectrónica. (IC fabrication) – El uso de obleas de silicio es muy común. – “Bulk micromachining” – “Surface micromachining” • Otras técnicas – Focused ion beam milling – Deep reactive ion etching (DRIE)

¿Cómo se hacen MEMS?

Ejemplo de bulk micromachining membrana para un sensor de presión

Membrane is piezoresistive; i.e., the electrical resistance changes with deformation.

Adapted from MEMS: A Practical Guide to Design, Analysis, and Applications, Ed. Jan G. Korvink and Oliver Paul, Springer, 2006

Bulk micromachining

Ejemplo de “bulk micromachining” membrana para un sensor de presión

Taken from Introductory MEMS: Fabrication and Applications, T. M. Adams and R. A. Layton, Springer, 2010

Bulk micromachining

Dependiendo de la sustancia química y la estructura cristalina del silicio, el ataque puede ser…

isotrópico

o anisotrópico

oblea de 001 silicio

oblea de 011 silicio

Ataques anisotrópicos

Surface micromachining La oblea funciona como si fuera la plancha verde de Legos.

Se quitan unas piezas de Jenga. Otras no. Los que quedan forman la estructura.

+

= “Surface micromachining”

Surface micromachining

Ejemplo de surface micromachining – Construir un cantilever

Taken from Introductory MEMS: Fabrication and Applications, T. M. Adams and R. A. Layton, Springer, 2010

Micromachining

Repéte y crea estructuras complicadas. thin film formation (by growth or deposition)

lithography

etching

release

Micromachining

¡Ojala estén limpias todas las cosas!

¿Por qué micro?

¿Por qué micro?

¿Por qué te gustaría hacer cosas tan pequeñas? • Necesitas menos material. • Menos invasivos y más o (Tenemos recursos limitados.) menos dechesables. (Es muy bueno para aplicaciónes en • MEMS requieren menos química y medicina.) energía para funcionar. • Puedes usar dos or tres MEMS en vez de uno. Repetición puede hacerte más seguro.

¿Por qué micro?

¿Por qué te gustaría hacer cosas tan pequeñas? • MEMS son baratos (¿?)  Menos material  Se fabrican en “batch processes”

¿Por qué micro?

¿Por qué te gustaría hacer cosas tan pequeñas? “Micro” no quiere decir “lo mismo pero más pequeño”.

Cosas diferentes pueden ser más importantes en escalas pequeñas.

Ejemplo del efecto de la escala

¿Va a funcionar en escalas normales?

From Introductory MEMS: Fabrication and Applications by T.M. Adams and R.A. Layton, Springer

¿Por qué micro?

¿Por qué te gustaría hacer cosas tan pequeñas? “Micro” no quiere decir “lo mismo pero más pequeño”.

Cosas diferentes pueden ser más importantes en escalas pequeñas. Puesto que la física puede ser diferente, ¡quizás no quieras hacer cosas pequeñas a veces!

Ejemplo del efecto de la escala

Vaso de chicha morada

D = 2 mm

Vasito de chicha morada

Ejemplo del efecto de la escala

¿Qué pasa con el vasito de chicha? •

La gravedad tira chicha abajo. La tensión superficial tira chicha arriba. ¿Quien va a ganar? Depende…

pero el vasitito no.

•

La gravedad depende de volumen/area/longitud

¿Por qué?

•

La tensión superficial depende de volumen/area/longitud

•

Entonces,

El vaso derrama chicha morada

σ tension 1 L = ~ 3 ~ 2 gravedad W L2 L

Volver a la tensión superficial

Tensión superficial

D = 2 cm

D = 20 μm

Vaso de chicha morada

¿Qué va a pasar en el futuro?

El futuro de MEMS y micro-tecnología

Cosas chéveres: • Advances in e-beam lithography resulting in smaller devices that are even less expensive • Laser micromachining • The confluence of nanotecnology and MEMS (quantum dots as sensors, etc.) • MEMS rockets in development • MEMS robots in development • Handheld microfluidic devices that provide primary care medical diagnostics

Tenemos que enfocar los fundamentos.

Otros ejemplos de efectos a la escala pequeña

Actuador térmico (brazo caliente)

~ 200 μm

Actuador térmico hecho de poli silicio

Actuador térmico

Como funciona el actuador

+ V -

I

Actuador térmico Modelo sencillo de actuador térmico

CSME Forum 2010, June 7-9, 2010, Victoria, BC

Lumped Element Model For A MEMS Hot Arm Actuator

Ah

hot arm at Th

T. M. Adams, A. Bomar, & S. Kirkpatrick

D

cold arm at Tc Desarrolado para explicar a alumnos pregrados

L

+

W

Vh

side view

Q conv = h(Th − T∞ )

-

+ V -

I -

Vc

+

Q conv = h(Tc − T∞ )

Ac

Actuador térmico Modelo sencillo de actuador térmico

CSME Forum 2010, June 7-9, 2010, Victoria, BC

Lumped Element Model For A MEMS Hot Arm Actuator

hot arm thermal stress σ = Eα T (Tc − Th )

T. M. Adams, A. Bomar, & S. Kirkpatrick

ωtip

D x

d 2ω M = − dx 2 EI

¡E no está!

induced bending moment M ≈ DσAh

2 2  Dα T AhV Ah  Ac  Ac  Ah    −      ωtip = 2hconv ρI  Ph  Ah + Ac  Pc  Ah + Ac     2

Tensión superficial

to infinity

Adams & White (2008) Corresponds to frictionless velocity. Washburn (1921)

Desarrolado como ejercisio para pregrados

System boundary m in

L

Cross section with Ac and P

“If you can’t explain it to a first year student, then you haven’t really understood it.” - Attributed to Richard Feynman

¿Quieres saber más?

Introductory MEMS: Fabrication and Applications by Thomas Adams and Richard Layton, Springer Disponible (¡gratis! ) en la base de datos de PUCP: http://biblioteca.pucp.edu.pe/colbasd.html

Tengo ganas de traducir este libro.

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