Sensores MEMS basados principalmente en

En este siglo XXI, la experiencia de los MEMS ha demostrado su potencial para revolucionar a los compradores, además de las mercancías económicas, al combinar la microelectrónica basada principalmente en el silicio con la experiencia del micromecanizado. La experiencia de los MEMS ofrece importantes ventajas sobre los sensores electromecánicos microscópicos habituales.

El término MEMS se refiere a los aparatos que tienen trazas de medir muy poco, desde un número de micrómetros hasta milímetros, que mezclan cada una de las partes mecánicas y eléctricas y que pueden fabricarse utilizando circuitos integrados de procesamiento por lotes de las ciencias aplicadas.

Los aparatos MEMS están en condiciones de detectar, gestionar y actuar a microescala y también de producir el resultado a microescala. Normalmente, las dimensiones de estos artilugios varían entre 20 micrómetros y un milímetro. Los gadgets MEMS están presentes en muchos propósitos junto con los campos industrial, automovilístico, de instrumentación, de defensa y médico.

¿Qué es la especialidad MEMS?

MEMS son las siglas de Microelectromecánico, es una experiencia utilizada para la microfabricación {de piezas eléctricas} y mecánicas en una sola oblea. Este periodo de tiempo se originó en los Estados Unidos en la década de los 90, y también se denominó microtécnicas en Europa y se etiquetó como micromáquinas en Japón.

Anteriormente, esta experiencia se denominaba micromecanizado de silicio. La experiencia de los MEMS proporciona un rendimiento totalmente nuevo que antes no podían proporcionar los aparatos semiconductores.

En otras palabras, MEMS es un sistema de precisión mediante el cual se fabrican elementos mecánicos y microsensores junto con circuitos de acondicionamiento de señales en una pequeña pieza de silicio. La letra S dentro del acrónimo MEMS representa las técnicas que reflejan que esta experiencia contribuye a la creación de opciones de sistemas recientes.

El tiempo que puede incorporarse al chip de silicio utilizando la experiencia MEMS abarca los microsensores, las construcciones mecánicas, la microelectrónica y los microactuadores, como se ha demostrado en la determinación.

Los microsensores detectan las modificaciones de la atmósfera del sistema midiendo datos térmicos, químicos, electromagnéticos y mecánicos, mientras que estas variables corporales son procesadas por la microelectrónica, tras lo cual los microactuadores actúan de acuerdo con las modificaciones de la atmósfera.

  • Algunos de los principales elementos que dan lugar a una fase demasiado curiosa en el experimento MEMS son
  • Como resultado de la construcción cristalina pura con un 99,999 p.c de material de silicio, los aparatos MEMS ofrecen gloriosas características mecánicas que no conducen a ninguna histéresis mecánica o fatiga del material.
  • Es posible proporcionar a las MIPYMES aparatos de bajo precio y gran volumen con experiencia en el procesamiento de obleas por lotes. Esta fabricación de gran volumen puede ser muy útil con la disponibilidad de equipos de procesamiento de CI de última generación.
  • Se gestiona de forma significativa una dimensión lateral a la etapa submicrónica.
  • Se puede encontrar la disponibilidad de artilugios sutiles para la verificación y el análisis, así como técnicas excesivas de programas de acabado para el diseño y la simulación.
  • En el aspecto empresarial, los aparatos MEMS garantizan unas características monetarias gigantescas a una serie de mercados en alza. La Semana de la Empresa de 1999 eligió a las MIPYMES como una de las tres ciencias aplicadas que se prevé que amplíen la expansión del sistema financiero en el siglo XXI.

Experiencia en la fabricación de MEMS

El progreso de los MEMS es el resultado de un paso lógico dentro de la revolución del silicio y, más tarde, con la incorporación de las micromáquinas, permitió la combinación de la electrónica con las piezas mecánicas para proporcionar una eficacia excesiva, un precio bajo y un rendimiento excesivo de las microtécnicas incorporadas.

El silicio es el material adecuado para fabricar microsensores y microactuadores para diversos fines, ya que es un material bien caracterizado con propiedades como una excesiva conductividad térmica, ausencia de histéresis, bajo crecimiento en masa, propiedades eléctricas bien definidas y delicadas a la presión, la temperatura, la tensión y otros elementos ambientales, módulo de elasticidad comparable al del metal, etc.

En la fabricación de MEMS, el silicio se grabará químicamente en formas variadas y los respectivos materiales de película fina, como el polisilicio, el aluminio y el nitruro de silicio, se micromecanizarán por lotes en un número ilimitado de formas y configuraciones mecánicas.

Se pueden encontrar numerosas ciencias aplicadas para la fabricación de MEMS, pero se emplean con frecuencia dos ciencias aplicadas principales: el micromecanizado a granel y el micromecanizado en el suelo. Permítenos hablar en pocas palabras de estos dos.

Micromecanizado a granel

Esta es la experiencia más antigua y más caliente que se utiliza en la fabricación de MEMS. En ella, se crean construcciones mecánicas dentro de los límites de la oblea de silicio monocristalino, erradicando selectivamente elementos de un material de la oblea mediante el uso de un grabado dependiente de la orientación. Basándose principalmente en la sección de grabado, la fabricación de micromecanizado a granel se dividirá en grabado húmedo y grabado seco.

En el grabado húmedo, el tejido se elimina sumergiendo una oblea de silicio en grabados líquidos que dependen de productos químicos acuosos. El grabado (erradicación de los materiales de la oblea) será anisótropo, isótropo o una mezcla de ambos.

En el grabado isotrópico, la oblea de silicio se elimina en todas las instrucciones de forma independiente según la orientación cristalográfica del sustrato.

En este caso, la precisión de la definición de la construcción no será magnífica, pero depende de elementos como la temperatura, el enfoque del grabador y el tiempo. El HNA es el tipo más común de grabador de silicio que contiene la mezcla de ácido nítrico (HNO3), ácido fluorhídrico (HF) y ácido acético (CH3CHOOH).

Estos tipos de grabado están limitados por la construcción geométrica que se va a grabar. La carga de grabado puede desacelerarse y, en el caso de canales profundos y finos, esta carga puede cesar debido a los elementos limitadores de la difusión. Sin embargo, esto puede minimizarse agitando el grabador, lo que da lugar a construcciones con superficies casi finas y redondeadas, como se ha comprobado en la determinación.

Fabricación de MEMS

En el grabado anisotrópico, la carga de grabado depende de la orientación cristalográfica de la oblea. El grabador anisotrópico más típico es el hidróxido de potasio (KOH), cuyo uso es relativamente seguro.

Estos grabados anisotrópicos progresan rápidamente en el curso del cristal perpendicular al plano 110 y menos rápidamente en el curso perpendicular al plano 100. Las figuras C y D muestran los ejemplos de grabado anisotrópico.

El grabado en seco se basa en estrategias de grabado por plasma y vapor que utilizan vapores o gases adecuadamente reactivos, a menudo a temperaturas excesivas. El grabado iónico reactivo (RIE) es el más común para los MEMS, que hace uso de energía adicional dentro del tipo de energía de RF (radiofrecuencia) para impulsar la respuesta química.

El grabado puede producirse a frecuencias muy decrecientes, a veces dentro de los 150 a 250 grados centígrados, como resultado de la aceleración de los iones energéticos hacia el tejido a grabar dentro de la sección de plasma, suministrando la energía extra deseada para la respuesta.

Se grabarán zanjas y fosas profundas, o formas arbitrarias con tabiques verticales, debido a que el RIE no estará restringido por los planos cristalinos del silicio.

El grabado iónico reactivo profundo (DRIE) es una metodología muy superior a la del grabado por plasma de densidad excesiva y a la protección por deposición de polímeros para obtener mejores proporciones de facetas, como se demuestra en la determinación.

Grabado iónico reactivo profundo

Se desarrollan estrategias de parada para detener el curso del grabado en un lugar exacto. Se considera que una de estas estrategias es de naturaleza electroquímica y se basa en la verdad de que el grabado se detiene al encontrar una zona de varias polaridades en una unión PN sesgada.

Otro método se basa en la verdad de que el grabado de las zonas fuertemente dopadas es más lento que el de las zonas no dopadas, por lo que el grabado se hará selectivamente dopando una parte del tejido.

Micromecanizado de suelos

Se trata de una metodología de fabricación de MEMS que consiste en depositar, patentar y grabar una secuencia de películas delgadas, a veces con un grosor de 1 a 100 micrómetros.

A diferencia de la mayoría de los micromecanizados, el micromecanizado de suelo construye las construcciones en el suelo de silicio depositando películas de capas de sacrificio y capas estructurales, y finalmente las construcciones mecánicas se conforman erradicando las capas de sacrificio.

Por lo tanto, este curso es a menudo implica películas de dos suministros completamente diferentes. Mediante un material estructural, se realiza una construcción libre que suele ser de polisilicio, silicio policristalino, nitruro de silicio y aluminio. Y se deposita un material de sacrificio allí donde se requiere un espacio abierto o una construcción mecánica libre, que suele ser un óxido.

La determinación inferior exhibe los procesos deseados en el micromecanizado del suelo que ilustra una fabricación simplificada de un deslizador de polisilicio con un carril central. Este diseño requiere dos capas de polisilicio estructural y óxido de sacrificio.

Determina una ilustración de la capa primaria de óxido de sacrificio y cómo se realizó la deposición y la reminiscencia de la capa primaria de polisilicio. Las figuras b y c muestran la deposición de la segunda capa de óxido de sacrificio junto con el grabado libre de las aberturas de anclaje por el óxido.

El siguiente paso es la deposición y el modelado de la segunda capa de polisilicio, que se adopta eliminando el óxido de sacrificio utilizado para fundir la construcción.

Proceso de micromecanizado de la superficie del polisilicio 1

La ventaja más importante del micromecanizado en el suelo es que no existe una limitación en la miniaturización de los aparatos fabricados más allá de las que plantea la limitación dentro de la experiencia litográfica. Además, se crearán técnicas mecánicas estructuralmente complicadas, junto con elementos libres o móviles, apilando varias capas de tejido.

Además, el micromecanizado del suelo proporciona un diploma excesivo de compatibilidad con el procesamiento de los circuitos integrados. Sin embargo, el principal inconveniente del micromecanizado en el suelo es que su experiencia en películas finas crea principalmente construcciones bidimensionales.

Objetivos de la Especialización en MEMS

Los aparatos o sensores basados en MEMS son piezas esenciales en diversas áreas temáticas, como las herramientas médicas, la electrónica del automóvil y la electrónica móvil, como los periféricos de los PC, las unidades de disco duro, los teléfonos móviles, los aparatos wi-fi, etc.

Los fines industriales de los MEMS abarcan los microsensores y los microactuadores. A continuación se mencionan algunas de las finalidades particulares de la experiencia en MEMS.

Sillas de ruedas eléctricas

Para los discapacitados y las personas mayores, las sillas de ruedas eléctricas son instrumentos necesarios. Una buena silla de ruedas típica consiste en una base de silla de ruedas eléctrica normal para la que hay un PC y un conjunto de sensores como los de imaginación y presciencia, inerciales, etc., junto con un asiento colocado en la parte inferior.

Estos sensores se fabrican con la experiencia de los MEMS y, basándose en ellos, las técnicas de navegación en silla de ruedas emplean formas de trabajo completamente diferentes.

Aplicaciones de la tecnología MEMS

Vigilancia y navegación del personal

Los sensores inerciales basados principalmente en MEMS están más de moda en el ámbito de la vigilancia del personal. En entornos con GPS, estos sensores presentan detalles de posicionamiento del personal. Dichos propósitos abarcan a los combatientes de la chimenea contenidos en la construcción, la vigilancia del personal militar, etc.

Los acelerómetros, los sensores de cuenta muerta y los sensores giroscópicos se utilizan para la protección de los combatientes de la chimenea. Y en el caso de la vigilancia del personal militar, estos sensores están incrustados en las zapatillas o cascos del personal.

Agricultura

Los sensores basados principalmente en MEMS son muy útiles en la agricultura de precisión. Las buenas técnicas son obligatorias para dar los detalles exactos sobre la tierra para ser útiles dentro de la utilidad de los pesticidas, los fertilizantes, la preparación de la tierra para los cultivos y la cosecha. Los sensores de inclinación basados principalmente en MEMS pueden utilizarse con el sistema GPS para adquirir la estimación de balanceo y cabeceo de la plataforma del equipo.

Registrador de información de la ocasión

Los Registradores de Información de Ocasión (EDR) se utilizan en los coches para recoger los datos que recuerdan el conocimiento de la aceleración/desaceleración del coche, las entradas de los frenos y la dirección y el sistema del coche parado. Además, analiza el ritmo, la frenada y las técnicas de seguridad. Los sensores utilizados en el EDR abarcan sensores de carga angular, acelerómetros lineales y acelerómetros lineales triaxiales.

Vigilancia de la fauna y el ganado

Para un posicionamiento estable y detalles rutinarios sobre los animales, el sistema de seguimiento de animales se utiliza con sensores inerciales. Estos modelos de vigilancia incluyen cámaras digitales para la ayuda visible de las encuestas junto con los sensores inerciales de recuento muerto.

Se incorporan técnicas de GPS y sensores de inercia con redes de sensores wi-fi que se despliegan para observar el movimiento del ganado.

Seguimiento de la persona afectada

Los sensores basados en MEMS son muy populares en el ámbito médico y en el control de las personas afectadas. Estos sensores son adecuados para observar la epilepsia, ya que pueden utilizarse para cuantificar la frecuencia, la profundidad y la duración de las acciones. Además, los acelerómetros MEMS se utilizan para detectar las caídas de personas de alto riesgo o de edad avanzada que pierden el control.

Gestión de la estabilidad digital

La gestión digital de la estabilidad suele estar presente en todos los coches nuevos. Los MEMS basados principalmente en giroscopios y acelerómetros pueden detectar el derrape o la falta de dirección evaluando el movimiento preciso del coche con el ángulo de dirección.

Sistema secundario de retención

Este método también se puede utilizar para los coches. El sistema de retención suplementario (secundario) consiste en un sensor de desaceleración o aceleración que hace que se desplieguen los airbags en caso de colisión frontal. Este tipo de técnica de módulo sensor consiste en un acelerómetro MEMS con un microprocesador.

Navegación en el coche

Para un coche de tierra correcto, basado sobre todo en la topografía o el sistema de navegación, se necesita un sistema de navegación interior con GPS. Sin embargo, están limitados en gran medida y tienen un precio excesivo.

Los sensores inerciales MEMS de bajo precio fabricados para suministrar pesos reducidos, ligereza, mucha menos energía y sensores basados en chips de bajo precio son fiables para las técnicas de navegación y seguimiento de vehículos terrestres.

Sensores MEMS completamente diferentes

Un sensor que se fabrica utilizando estrategias de microfabricación y micromecanizado o nada, pero con experiencia en MEMS, se conoce como sensores MEMS o microsensores. Muchos aparatos MEMS entran en la clase de los sensores.

Con la invención de los sensores MEMS se disparan para cambiar las mercancías más caras y engorrosas que pueden estar hechas de elementos de montaje como en el caso de los sensores de tensión.

Además, la detección y la medición del movimiento se vuelven más sencillas y realmente correctas con los acelerómetros MEMS, que se utilizan más popularmente como sensores de colisión para las técnicas de airbag. A continuación se presentan algunos de los sensores MEMS más utilizados, que se emplean para fines completamente diferentes.

Acelerómetros MEMS

Se utilizan para medir la potencia estática o dinámica de la aceleración. Las clases más importantes de acelerómetros son los de silicio capacitivo, los piezorresistivos y los térmicos. En el caso del impacto piezoeléctrico, la tensión generada corresponde a las fuerzas de aceleración que aparecen en las construcciones microscópicas de cristal del sensor.

Los sensores capacitivos están diseñados para funcionar produciendo el área electrostática y detectando las modificaciones dentro del área causadas cuando la cosa o el objetivo se acerca al espacio de detección. En el caso de los sensores térmicos MEMS, se conectan muchos termopares pequeños en colección.

Acelerómetros MEMS
Acelerómetros MEMS

Hoy en día, los acelerómetros MEMS están ampliamente incluidos en muchos aparatos móviles digitales, como reproductores multimedia, cámaras de grabación, aparatos de juego, etc. En los teléfonos sensibles, estos sensores se utilizan para la transición entre los modos panorámico y retrato, el estabilizador de imagen, el funcionamiento en modo antideslizante, el modo de bolsillo, etc.

Los acelerómetros excesivamente habituales se utilizan para detectar accidentes de automóvil y para activar el equipaje de las aerolíneas simplemente en el momento oportuno. También están presentes en la gestión y supervisión de sistemas aeroespaciales y navales.

Giroscopios MEMS

Los giroscopios MEMS se utilizan para detectar y medir la carga angular de un objeto. Trabajan sobre el precepto de la rotación de los objetos vibratorios presentes en el proceso. Se trata de sensores muy pequeños por los que se desplaza una pequeña masa resonante porque la velocidad angular cambia al girar el giroscopio.

Además, este movimiento se transforma en alertas de baja presencia. Al igual que los acelerómetros, estos sensores también funcionan con reglas de detección completamente diferentes, como las capacitivas de silicio, las piezoresistivas, etc. Una serie de formas de giroscopios MEMS abarcan el diapasón, los sólidos resonantes, las ruedas vibratorias y los giroscopios de placa vibratoria.

Son parte integrante de las técnicas de gestión aeronáutica, ya que el sistema de navegación requiere altura y cargas rotativas. En la marina se utilizan para la navegación de misiles, la dirección y la buena munición.

En los coches, los giroscopios MEMS se utilizan para la gestión de la estabilidad del coche con el sensor del volante y la detección de vuelcos. Y para la compra, se utilizan en la gestión del sistema de entrada de los sistemas informáticos y en la estabilización de la cámara de grabación.

Sensores de tensión MEMS

Los sensores de tensión MEMS miden la distinción de la tensión a lo largo de un diafragma de silicio. Con estos sensores es posible realizar tres formas de medición de tensiones, como la tensión manométrica, la absoluta y la diferencial.

En estos sensores, el diafragma se graba a partir de silicio utilizando un proceso de micromecanizado y las estrategias de medición abarcan las ciencias aplicadas piezoresistivas y capacitivas. Este sensor lleva incorporada una membrana y un conjunto de resistencias en el chip para que la deformación se detecte como un cambio de resistencia cuando la membrana se flexiona.

Sensores de presión MEMS
Sensores de presión MEMS

Se utilizan para fines automovilísticos, industriales, médicos, de gestión, de defensa y aeroespaciales. Especialmente en las técnicas de automoción, se utilizan para diversos fines, como las técnicas de control de la tensión de los neumáticos, la detección de la tensión del aceite, la tensión del vapor del depósito de gasolina, el refuerzo de los frenos de vacío, la recirculación de la gasolina de escape, el sistema de administración del motor, la detección de colisiones, etc.

Las diferentes formas de artilugios o sensores MEMS consisten en sensores IR, sensores geomagnéticos, micrófonos, artilugios ópticos, RF MEMS, sensores de humedad, microespectrómetro, cambios de sección, sensores en voladizo, etc.

Sensor magnético MEMS del sujeto

Los sensores magnéticos de área se utilizan ampliamente para medir los campos magnéticos y los fines de dichos sensores abarcan la detección de la ubicación, la detección de regalos, la detección del paso, la detección de coches, la prospección geofísica, la exploración de áreas, etc. Se desarrolla una nueva clase de sensores magnéticos mediante el experimento MEMS.

El sensor MEMS basado principalmente en sensores magnéticos detecta el vector de área magnética midiendo la amplitud de una potencia mecánica de Lorenz. Este sistema MEMS consiste en un bucle de corriente en una placa de SiO2 y la amplitud de la potencia se detecta con una resistencia de puente de Wheatstone de polisilicio piezoeléctrico.

La detección del movimiento mecánico de una microconstrucción se hará tanto óptica como electrónicamente. En la metodología de detección digital se utilizan estrategias de inducción electrostática y piezoresistiva. En la detección óptica, se utiliza la medición del desplazamiento con entrega de láser o LED.

Sensor magnético resonante

Este tipo de sensores magnéticos puede detectar los campos magnéticos con una sensibilidad de hasta 1T y también tiene una decisión de 1nT más alcanzable. Estos sensores se basan principalmente en la potencia de Lorenz de las construcciones micromecanizadas resonantes. Las construcciones utilizadas en los sensores resonantes se incorporan a través de vigas de sujeción / sujeción libre, placas de flexión / torsión o un conjunto de ellas.

Estas construcciones son excitadas con sus frecuencias de resonancia por las fuerzas de Lorenz o las fuerzas electrostáticas. Esta potencia aumentará o cambiará el desplazamiento de una construcción resonante; además, se puede medir con estrategias de detección piezoresistiva, óptica y capacitiva.

Estos artilugios se fabrican utilizando la experiencia de los MEMS y se encuentran en pequeñas medidas que consisten en la integración de partes digitales y mecánicas en un solo chip. Estos sensores de área magnética resonante MEMS están en condiciones de dar una respuesta amplificada si se utiliza una fuente de excitación con una frecuencia igual a las frecuencias resonantes o modos vibratorios de las construcciones.

Sensor magnético resonante
Sensor magnético resonante

Lo anterior determina el diseño del microsensor de área magnética resonante, centrándose en la construcción del haz de placas. Dentro de la determinación anterior, un bucle rectangular de aluminio que se deposita sobre la placa de silicio es el aspecto clave de este sensor.

La construcción se realiza mediante 2 microhaces sin abrazadera que se conectan a un sustrato de silicio. Las piezorresistencias se conectan a un puente de Wheatstone, a través del cual hay dos vivas que se pueden colocar en los microhaces y otras dos piezorresistencias pasivas que se pueden depositar en el sustrato.

Las piezorresistencias pasivas tienen resistencias de valor fijo, mientras que las piezorresistencias vivas pueden cambiar sus magnitudes de resistencia.

Así, cuando una potencia de Lorenz provoca un movimiento notorio en la microplaca y la flexión de los microhaces, dos piezores vivos cambian sus valores de resistencia. Este cambio de resistencia produce una tensión a la salida de un puente de Wheatstone. Por lo tanto, la magnitud del área magnética exterior se mide mediante la tensión de salida del puente de Wheatstone.

Estos sensores MEMS basados principalmente en sensores resonantes se realizarán con estrategias de detección óptica y capacitiva. Los sensores resonantes con lectura óptica no sólo aumentan su circuito y peso, sino que también aumentan la inmunidad a la EMI.

Sin embargo, éstos requieren complicados procesos de fabricación y también problemas de actualización como consecuencia de las pérdidas intrínsecas de las imperfecciones estructurales de los sensores. En el caso de la detección capacitiva, estos sensores resisten las capacidades parásitas dentro de los cables de conexión que complican las mediciones de la señal.

Sensores Fluxgate

Los sensores Fluxgate se utilizan para medir campos magnéticos de baja frecuencia de corriente continua o alterna y, a diferencia de otros sensores magnéticos, tienen muchas ventajas, como una decisión excesiva y una sensibilidad extremadamente alta.

A diferencia de los sensores convencionales de puerta de flujo, los sensores MEMS basados principalmente en la puerta de flujo Micro tienen opciones superiores como una medición más pequeña, un consumo de energía mucho menor, una fabricación por lotes, una mayor eficiencia, etc.

Se utilizan para muchos fines, como el análisis de áreas, la geofísica, la prospección minera, la automatización, la gestión industrial, el análisis científico, etc.

El precepto de un sensor fluxgate se basa en el área magnética exterior dependiente de la saturación periódica de los materiales ferromagnéticos. Cuando un material ferromagnético rodeado por una bobina de excitación (que da un regalo de excitación de CA) se sumerge en una zona magnética, entonces este regalo satura periódicamente los materiales magnéticos del núcleo a una frecuencia dos veces superior a la de excitación.

Este segundo armónico de la salida se medirá mediante un método de bloqueo y será proporcional al área exterior para una zona segura variable.

Sensores Fluxgate

Lo anterior determina la exposición MEMS basada principalmente en el diseño del sensor fluxgate ortogonal comunicado por Zorlu et al en 2007. Según esto, el sensor fluxgate se basa en una construcción plana del tipo ortogonal micromecanizada, formada por una capa de aleación electropermanente depositada sobre un conductor de cobre oblongo.

Con este sensor, el núcleo sólo tiene 1 mm de tamaño y el sensor tiene dos bobinas planas de 60 vueltas que recogen hacia arriba.

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