Micromecanismos

La electrónica de consumo es posible hoy gracias a la miniaturización. Sin ella, sería imposible crear circuitos integrados con millones de transistores y un tamaño de solo una fracción de centímetro cuadrado. Sin la microelectrónica, el equivalente de un microprocesador como el que tiene nuestro ordenador ocuparía el volumen de un edificio de 12 ó 14 pisos. No habría iPods ni teléfonos móviles.

Sin embargo, y a pesar de los logros obtenidos en la reducción de tamaño de los componentes electrónicos, los sistemas mecánicos aun requieren de piezas cuyo tamaño es varios órdenes de magnitud más grandes que sus componentes electrónicos. Cualquier pieza de un reloj mecánico, por ejemplo, es millones de veces más grande que uno de los transistores integrados en un microprocesador. Pero esta situación está cambiando.

Definición

La miniaturización de máquinas electromecánicas ha dado lugar a los MEMS, que silenciosamente han ocupado un lugar en nuestra vida cotidiana. De hecho, el dispositivo capaz de medir la aceleración a la que se somete el mando de una Wii (un acelerómetro) es un MEMS. Se trata del mismo dispositivo que, instalado en el airbag de un coche determina el momento justo en que se produce un choque y dispara el mecanismo de inflado de las bolsas.

Engranajes microscópicos.

Pero si bien los acelerómetros son quizás los dispositivos basados en MEMS mas difundidos, no son los únicos. Existen sensores de presión, de temperatura y de humedad construidos a partir de piezas que tienen un tamaño similar al de un glóbulo rojo. Forman parte del sistema de control de los más modernos marcapasos, controlando la actividad física del paciente para modificar su ritmo cardíaco. También se emplean MEMS en los cabezales de las impresoras de inyección de tinta, como parte del dispositivo que produce la evaporación controlada de la tinta en el momento justo.

La máquina de vapor más pequeña del mundo. Cada uno de los tres pistones tiene 5 micras de diámetro.

Por lo general, estos mecanismos tienen un tamaño mayor al micrómetro (millonésima de metro) y menor al milímetro. Lo que los hace tan particulares es que, a estas escalas, el comportamiento físico que rige a las maquinas convencionales no siempre funciona como la intuición puede indicar. Efectivamente, el incremento en la relación entre la superficie y el volumen de las piezas de un MEMS hace que los efectos electrostáticos y térmicos predominen sobre la inercia o la masa térmica.

Los equipos que incorporan MEMS también se utilizan en circuitos inalámbricos para la conexión de equipos. Estos componentes utilizan tecnología compatible con la CMOS, para la realización de sintonizadores y filtros. En la tecnología CMOS convencional estos componentes suelen tener grandes pérdidas que se traducen en un gran nivel de ruido, cuando se trabaja en el rango de las microondas. Los investigadores de TRLabs están desarrollando nuevas estructuras de MEMS de RF para transmisores y receptores.

Fabricación

Para fabricar las pequeñas piezas que conforman estas maquinas se utiliza una tecnología que, en esencia, es la misma que la empleada para la fabricación de los circuitos integrados. La posibilidad de “integrar” piezas móviles es lo que ha hecho posibles maquinas a escala nanométrica. Existen motores a vapor del tamaño de un grano de polen, engranajes y palancas cuyo tamaño se mide en diámetros atómicos, y hasta pequeños espejos montados sobre soportes móviles, con un tamaño mucho menor al diámetro de un cabello, capaces de enfocar o corregir una imagen.

Los fabricantes de discos duros han ido ampliando la capacidad de los mismos, pero no es nada en comparación con la novedosa técnica desarrollada por dos expertos en nanotecnología, que permite almacenar 10,5 terabits, en un espacio inferior al que ocupa una moneda.

Los investigadores Ting Xu, de Berkeley, y Thomas Russell, de la University de Massachusetts, han creado una nueva técnica que permitiría almacenar la capacidad de 250 DVDs en un disco de un tamaño inferior a una moneda. El secreto de poder empaquetar tanta información en un tamaño tan pequeño, aproximadamente 15 veces más denso que la mayor densidad conseguida en los dispositivos de almacenamiento actuales, es el autodiseño o lo que viene a ser lo mismo, forzar que los materiales del disco se organicen por sí solos en una matriz de datos mucho más compacta que lo que se puede conseguir por técnicas actuales. Esta tecnología puede estar disponible dentro de una década.

La tecnología Micro Electro Mechanical Systems (También conocida como MEMS) permite integrar en el mismo sustrato de silicio tanto circuitos electrónicos, como dispositivos ópticos y mecánicos. Para fabricar MEMS se utilizan tecnologías de fabricación de semiconductores, similares a los utilizados para fabricar circuitos integrados. El tamaño de un dispositivo MEMS se extiende generalmente desde algunos micrómetros hasta un milímetro, mientras que los componentes individuales que lo forman pueden ser de tan sólo 1 a 100 micrómetros.

La figura anterior muestra una unidad de múltiples engranajes con una cadena en primer plano. La barra blanca en la parte superior de la imagen (500 micrómetros de longitud) da una idea del tamaño del objeto real.

Con elementos MEMS se construyen acelerómetros, giroscopios y sensores de presión. La tecnología MEMS sustituye de forma gradual los productos convencionales debido a su menor consumo de energía, peso, tamaño y coste y un mayor rendimiento y fiabilidad.

La mayoría de los métodos de fabricación de MEMS son los usados en la tecnología convencional para la fabricación de circuitos integrados. Las técnicas más comunes son el micromecanizado profundo, el micromecanizado superficial, y el procedimiento LIGA (Roentgen Litography Galvanic Abformung). En el micromecanizado profundo, a partir de una oblea de silicio se va creando una estructura micro-mecánica en 3D eliminando de forma slectiva porciones del sustrato. El micromecanizado superficial se basa en la deposición de capas sobre el substrato y en la posterior definición de la estructura de micro-mecánica por medio de técnicas de fotolitografía. El procedimiento LIGA se basa en la litografía, la deposición, y el moldeado. Esta última técnica permite utilizar materiales diferentes del silicio, tales como polímeros y metales, para obtener estructuras complejas.

Los métodos de fabricación se basan en la deposición, el grabado y la litografía.

El proceso de deposición supone depositar películas delgadas de material sobre el sustrato (El grueso de esta película oscila entre unos pocos nanómetros y 100 micras). La deposición puede ser obtenida mediante reacciones químicas (Deposición mediante vapores químicos, electrodeposición, procedimiento epitaxial y oxidación térmica) o por procedimientos físicos (Deposición física de vapores y fundición).

El grabado es un proceso mediante el cual las porciones seleccionadas de las películas delgadas o el propio sustrato se eliminan con el fin de obtener la estructura MEMS deseada. Hay dos tipos de grabado, el grabado húmedo y el grabado en seco. En el primer método se disuelve el material a eliminar sumergiendo el sustrato en una solución química, mientras que en el segundo el material se disuelve mediante iones reactivos en fase de vapor.

Hay un tipo especial de grabado en seco llamado Deep Reactive Ion Etching (DRIE) desarrollado en los años 90 en Alemania por la empresa Bosch, por lo que también se le conoce como proceso Bosch. Este proceso se basa en la exposición consecutiva de dos composiciones diferentes de gas en el reactor. Este proceso puede alcanzar una relación de escalado de 50 a 1, aunque es más caro que el grabado húmedo.

La litografía es el principal proceso utilizado en microfabricación. El proceso de litografía aplicado a la tecnología MEMS consiste en la exposición selectiva de un material fotosensible depositado sobre el substrato a una fuente de radiación de una determinada longitud de onda. Algunas zonas de la película fotosensible se activan al pasar la radiación a través de una máscara y, posteriormente, se fijan o se eliminan según convenga.

Los dispositivos MEMS se utilizan en los acelerómetros para airbags del automóvil y en los microgiroscopios de uso militar. A medida que los dispositivos MEMS se vuelven más complejos y precisos, se necesitan herramientas para probarlos.

Medición y prueba

Tradicionalmente se utilizaban instrumentos ópticos, como los microscopios, para la medición y el control de los micromecanismos, pero los investigadores del Instituto Politécnico de Worcester han desarrollado una herramienta que puede medir los diferentes elementos de los MEMS mediante métodos interferométricos.

Estos aparatos se conocen como MIMS (Modular Interferometric Measurement System) y utilizan la interferometría de Michelson y Mirau y el escaneado con luz blanca para analizar y medir las superficies de los diferentes elementos. Cada técnica tiene sus ventajas e inconvenientes. La interferometría de Michelson proporciona un gran campo de visión y alta precisión, la de Mirau proporciona una gran ampliación y precisión, y una fácil alineación, y el escaneo con luz blanca (Que utiliza cualquiera de los dos métodos de interferometría) proporciona la posibilidad de realizar medidas en pasos sucesivos, en los que se va moviendo la muestra.

Para controlar y medir los movimientos de los MEMS se utiliza el vibrómetro, que también utiliza técnicas interferométricas. Estos aparatos tan sensibles se montan sobre una base de granito, de algo menos de un metro de lado, montada de forma que no transmita las vibracionesde su entorno.

En la imagen superior se puede ver un escaneado con luz blanca para obtener el perfil en 3-D de un motor MEMS y en la parte de abajo una micrografía de barrido de electrones. Con una longitud de coherencia del orden de una micra, el interferómetro de luz blanca desplaza la muestra sucesivamente en pequeños incrementos longitudinales para construir el perfil en 3-D, que se visualiza mediante un software especializado.

Estos instrumentos tienen una resolución en altura de algo menos de 1 nm, pueden realizar escaneados en franjas de hasta 50 micras de anchura y tienen un área de visión de 20 x 20 micras ó 20 × 20 mm, dependiendo del tipo de interferometría utilizado. El dispositivo MEMS a estudiar se situa en una pequeña cámara en donde se pueden controlar las condiciones ambientales. Se puede variar la temperatua entre -30 y 120° C, la frecuencia de vibración entre 1 kHz y 1 MHz, dentro de un vacío de hasta 3 μbar o en gas seco.

La luz utilizada procede o bien de un diodo LED que produce una longitud de coherencia de 10 a 20 micras, o de una lámpara halógena que proporciona una longitud de coherencia, incluso más pequeña para la interferometría de barrido con luz blanca.

Ejemplos de uso

Los diseñadores de teléfonos inteligentes de próxima generación están atareados agregando giroscopios MEMS a los acelerómetros que ya tienen los teléfonos móviles de gama alta actuales. Además de proporcionar una mayor sensibilidad para las aplicaciones de juegos, los giroscopios también permitirán actuar a los servicios de localización en el interior del centro de trabajo. Los diferentes fabricantes esperan introducir sus modelos de teléfonos inteligentes con giroscopios antes de finales de 2011.

Texas Instruments ha fabricado un elemento de visualización a base de elementos MEMS (DLP). El procesador utiliza espejos de un tamaño de micras, movidos mecánicamente, para desviar la luz de LEDs o láser creando tramas visibles. Sin embargo se está trabajando a escala más pequeña con el fin de manipular directamente la luz misma. Mediante la modulación, el filtrado, y el multiplexado y demultiplexado de luz infrarroja, la información viaja a través de la luz en lugar de usar los electrones de los dispositivos actuales.

Intel consiguió velocidades de 50 Gb/segundo mediante chips transmisores y receptores ópticos, utilizando guías de onda de silicio, con lo que se pueden coseguir velocidades de terabits por segundo.

Los microbots basados en MEMS se podrán utilizar para recoger muestras del medio ambiente, para buscar supervivientes en edificios derruidos y para otras misiones de reconocimiento. Uno de los problemas para su fabricación sigue siendo el diseño de elementos de locomoción adecuados.

El National Institute of Standards and Technology (NIST) celebra un concurso anual de microbots, el Mobile Microrobotics Challenge. En la organización de esta actividad también participa el IEEE. En estos microbots la fuente de energía es externa y procede de campos magnéticos o eléctricos situados en su proximidad. En estos microbots se utilizan electrodos y bobinas que les permiten aprovechar los campos eléctricos y magnéticos para moverse. Fuera del espacio de competición estos microbots se vuelven totalmente inútiles, ya no pueden moverse.

Campo de competición del Mobile Microrobotics Challenge.

Microbot participante en el concurso Mobile Microrobotics Challenge. La microfotografía muestra el microbot Mag-μBot (Microrobot magnético), de la Universidad Carnegie-Mellon, en el campo del concurso. El microbot está hecho a partir de una matriz de poliuretano en la que se encuentran suspendidas particulas de boro, acero y neodimio. Su longitud es de unos 500 micrómetros, algo similar al tamaño de una ameba. Para impulsar el Mag-μBot se utilizan los campos electromagnéticos de la pista de competición de 2 milímetros de lado.

El Defense Advanced Research Project Agency (DARPA) ha resuelto el problema de locomoción utilizando insectos. La idea en la que se basan los insectos híbridos (Dotados de elementos MEMS) del DARPA (HI-MEMS) es la de usar electrodos implantados para activar sus músculos y, así, permitir a un operador en Arizona manejar una mariposa en Bagdad, dotada de un micrófono y un transmisor de radio para operaciones de vigilancia. La parte más complicada de la operación es la implantación de los dispositivos MEMS en el interior del insecto mientras está en la etapa de pupa, para que cuando salga de su capullo como una mariposa adulta, hayan curado todas las cicatrices y el daño causado por la implantación, después del proceso de metamorfosis.

El proyecto de creación de insectos Cyborg-Centinelas utiliza implantes MEMS para crear insectos cibernéticos, con una parte biológica y otra electromecánica. Se utilizarán en misiones de vigilancia y reconocimiento. Los implantes de los elementos MEMS se realizan durante la fase de pupa, para que cuando las polillas salgan de su metamorfosis, lo hagan como auténticos cyborgs.

En el laboratorio Intelligence Machine Systems de la Universidad de Cornell están desarrollando otros insectos cyborg. Estos insectos centinelas llevarán sujetas al cuerpo pequeñas mochilas piezoeléctricas que proporcionarán electricidad para alimentar los sensores y el transmisor de radio, con el movimiento de las alas del animal.

Por otra parte los investigadores de la Universidad de Washington están desarrollando elementos mecánicos para permitir el desplazamiento de microbots que caminan. Estos microbots utilizan la electricidad de una batería o una célula solar, su sistema de locomoción, del tipo "ciempiés", les permite moverse en cualquier dirección y llevar encima una carga útil de siete veces su propio peso, suficiente para una batería y el conjunto de sensores y transmisor de radio para el envío de datos.

Los microbots creados por el profesor Karl Bohringer en la Universidad de Washington utilizan tecnología originalmente creada en la Universidad de Stanford, para su uso en un alimentador de papel fino en una impresora y fue adaptado posteriormente para un mecanismo de acoplamiento para satélites artificiales.

Los investigadores colocaron una carga de clips sobre el microrobot para estudiar el peso que podría llevar, comprobando que será de hasta siete veces su propio peso. El microrobot tiene una longitud similar a la anchura de un dedo y es mucho más delgado que una moneda de diez céntimos.

Pequeños cilios de cuatro lados pulsantes que imitan los pelillos que recubren la tráquea humana. Se utilizan como medios de locomoción en los microrobots que caminan creados en la Universidad de Washington.

Las conexiones eléctricas le proporcionan energía y el control de la dirección que se desea que siga. En su parte delantera y trasera está equipado con una matriz de 8 por 8 elementos de locomoción similares a los mostrados en la fotografía anterior. El microbot ciempiés pesa menos de medio gramo y dispone de 512 cilios, organizados en 128 grupos de cuatro, que le permiten desplazarse en cualquier dirección. Los cilios se controlan eléctricamente, mediante el calentamiento de una resistencia durante unos 20 milisegundos, lo que provoca la dilatación diferencial de las dos caras de un panel formado por la unión de dos polímeros y, en consecuencia, el doblado en un sentido y en otro de los diferentes cilios. El paso de la corriente eléctrica a través de los 128 grupos de cuatro cilios, a un ritmo de 30 contracciones por segundo, permite al microrobot una velocidad de cerca de tres metros por hora.

El proyecto ha sido financiado por el Defense Advanced Research Projects Agency, la National Science Foundation y la General Motors Co.