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Funcionamiento de los sistemas MEMS

Introducción

Los sistemas MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems o sistemas microelectromecánicos en español) se han convertido en una parte fundamental de la microelectrónica en las últimas décadas. Estos sistemas son una combinación de dispositivos mecánicos y electrónicos que se fabrican en una misma estructura a través de técnicas microscópicas. Los sistemas MEMS pueden ser utilizados en una amplia gama de aplicaciones, desde sensores y actuadores hasta sistemas de energía, micromotores y dispositivos de biotecnología, entre otros.

Fabricación de sistemas MEMS

Para la fabricación de sistemas MEMS, se utilizan tecnologías de procesamiento de semiconductores similares a las que se utilizan en la fabricación de chips de ordenador. Sin embargo, los sistemas MEMS requieren de procesos adicionales específicos para la fabricación de componentes mecánicos. La tecnología MEMS se basa en el uso de silicio y otros materiales compatible con la tecnología de semiconductores. La fabricación de sistemas MEMS se inicia con la creación de un sustrato de silicio a través de la técnica de crecimiento en lámina delgada, que es posteriormente cortado y lijado hasta obtener la forma deseada de la estructura MEMS. A continuación, se utiliza un proceso de deposición química de vapor (CVD) para crear óxido de silicio aislante y nitruro de silicio como capas base que protegen la estructura MEMS. Después se utilizan procesos de grabado por plasma y la litografía para trazar las líneas de las estructuras, ya sean componentes mecánicos, eléctricos o combinados. Una vez se ha creado el patrón de la estructura MEMS, se utiliza una técnica de grabado en seco o mojado para remover el silicio que no se utiliza en la estructura. Por último, se aplica una capa adicional de óxido de silicio para proteger y sellar la estructura.

Principios de funcionamiento de sistemas MEMS

Los sistemas MEMS utilizan componentes mecánicos como se hace en la tecnología mecánica tradicional. La diferencia principal es que los componentes mecánicos se construyen bajo la superficie de un chip y operan a una escala micrométrica. Los componentes mecánicos utilizados en los sistemas MEMS incluyen resortes, bisagras y palancas, entre otros. El funcionamiento de los sistemas MEMS se divide en dos partes principales. En primer lugar, se encuentra la parte mecánica, donde se usan componentes mecánicos dentro de una estructura micrométrica, que pueden ser desplazados o rotados bajo la acción de fuerzas generadas por la interacción eléctrica o mecánica con el entorno. En segundo lugar, está la parte electromagnética, donde se utilizan componentes electrónicos para actuar sobre los componentes mecánicos. Los componentes electrónicos pueden aplicar voltajes y corrientes para generar campos electromagnéticos. Los sensores MEMS pueden funcionar en modos tanto de detección directa como indirecta.

Sensores MEMS

Los sensores MEMS se basan en la detección de fuerzas y movimientos microscópicos para medir magnitudes como la aceleración, la presión, la temperatura y la humedad. Por ejemplo, los acelerómetros MEMS pueden medir la aceleración en un solo eje o en varios ejes. Los sensores de presión MEMS, por otro lado, utilizan un diafragma móvil que se mueve bajo la presión externa y producen una diferencia de capacitancia. Este cambio en la capacitancia se puede medir para obtener la medida de la presión. Los sensores de temperatura MEMS utilizan la variación de la resistencia eléctrica o la capacitancia según cambios en la temperatura.

Actuadores MEMS

Los actuadores MEMS transforman energía eléctrica en energía mecánica para producir un movimiento. Algunos de los actuadores MEMS más comunes incluyen micromotores, microválvulas y micromirrors. Por ejemplo, los micromotores MEMS se utilizan en aplicaciones tales como los sistemas de microfluidos, que son sistemas que utilizan fuerzas electromagnéticas. Los micromotores pueden utilizar campos magnéticos para producir un giro en sus rotores. Las microválvulas MEMS, por otro lado, pueden abrir o cerrar una vía de flujo para controlar la circulación de fluidos en un sistema.

Aplicaciones de sistemas MEMS

Los sistemas MEMS tienen muchas aplicaciones actualmente. Estos sistemas se utilizan en campos como la biotecnología, la automoción, la tecnología aeroespacial, los sistemas de defensa, la electrónica de consumo y la robótica, entre muchos otros. En la biotecnología, los sistemas MEMS se utilizan en aplicaciones como la detección y el análisis de células, la separación de células y la manipulación de células. También se utilizan en síntesis de proteínas y ADN, entre otros. En el campo de la automoción, los sensores de aceleración MEMS se utilizan en sistemas de control de estabilidad, mientras que los sensores de presión MEMS se aplican en los sistemas de control de la presión de los neumáticos. En el campo de la electrónica de consumo, los sistemas MEMS se utilizan en aplicaciones como los acelerómetros en los smartphones y las tabletas, que se utilizan en la detección de la orientación y de los movimientos.

Conclusion

Los sistemas MEMS son una tecnología fascinante que está facilitando la aparición de una amplia gama de nuevos dispositivos y aplicaciones. La integración de componentes mecánicos y electrónicos, junto con los avances en las técnicas de fabricación, ha permitido la creación de sistemas MEMS altamente precisos y compactos. Estos sistemas se están utilizando en muchos campos, desde la biotecnología hasta la robótica. La tecnología MEMS está evolucionando rápidamente, lo que permitirá la aparición de nuevas aplicaciones y dispositivos en un futuro próximo.