MODELADO DEL COMPORTAMIENTO ELECTRO-TÉRMICO Y ESTRUCTURAL DE UNA MICROPINZA EN TECNOLOGÍA MEMS

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Otro importante parámetro en el funcionamiento de la estructura resonante es el efecto de amortiguamiento, el cual limita la amplitud máxima de su estructura [6]. El nivel de amortiguamiento de una estructura resonante es determinada mediante su factor de calidad Q, el cual mide la cantidad de pérdida de energía durante la operación de la estructura resonante. Q es definido como la razón de la energía total almacenada en la estructura (EM) respecto a la energía pérdida por ciclo (EC) debido al efecto de amortiguamiento:

[pic 9] (5)

Un factor de calidad alto implica una resonancia pronunciada de la estructura (ver Figura 3), la cual puede mejorar el funcionamiento y resolución del resonador. Si la estructura tiene un alto factor de calidad entonces un valor pequeño de energía será necesario para mantener la resonancia en amplitud constante y la circuitería electrónica tendrá un mínimo efecto sobre la frecuencia resonante. También, un factor de calidad alto indica que la estructura resonante tiene baja sensibilidad a disturbios mecánicos de los alrededores (por ejemplo, vibraciones mecánicas) [6].

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Figura 3. Respuesta de la amplitud (unidades arbitrarias) típica de una estructura resonante con alto factor de calidad [6].

Generalmente el factor de calidad total (QT) de una estructura resonante depende de las siguientes tres fuentes de amortiguamiento [6]: 1) energía disipada a un fluido exterior (1/Qf), 2) la energía acoplada a través del soporte de la estructura a un sustrato (1/Ql), y 3) la pérdida de energía intrínseca dentro del material de la estructura (1/Qi). Entonces, QT está dado por:

[pic 11] (6)

A presión atmosférica, generalmente la mayor pérdida de energía de una estructura resonante es debida a la energía disipada a un fluido exterior. Esta pérdida de energía es causada por las interacciones de la estructura resonante con el fluido exterior (por ejemplo, aire) y su valor depende de la presión del fluido exterior, la naturaleza del fluido, el tamaño y forma de la estructura resonante, el tipo de vibración y su distancia “gap” de separación respecto a las superficies adyacentes . El factor de calidad (Qa) asociado a esta pérdida de energía tiene un importante incremento cuando la presión del fluido decrece a valores cercanos al vacío. En este caso, la estructura resonante tendrá mayores amplitudes que incrementen la sensibilidad y resolución de un sensor resonante. Por ende, este sensor mejorará su funcionamiento mediante un empaquetado en vacío.

La energía disipada por el amortiguamiento estructural (1/Ql) es debido a la energía acoplada de la estructura resonante a través de sus soportes a la estructura base exterior. Esta energía puede ser reducida por medio de un adecuado diseño de la estructura tal como una estructura resonante balanceada, localizando los soportes de la estructura en los nodos de su modo de vibración y usando un sistema de desacoplamiento entre la estructura y su suporte [6].

4.- Confiabilidad de los MEMS

Para lograr que los diseños de los dispositivos realicen un buen funcionamiento y asegurar que el MEMS tenga una respuesta correcta, se necesita realizar diferentes pruebas de confiabilidad enfocadas a seguir diferentes técnicas utilizadas en la industria microelectrónica. Estas técnicas basadas en un diseño enfocado al tiempo que se encuentran en constante desarrollo los MEMS en el mercado. Este plan utiliza'' una relación de interdependencia y retroalimentación estrecha entre todos los contribuyentes, el diseño del dispositivo, subsistema y sistema de fabricación, manufactura y prueba física de fiabilidad y embalaje " [7].

Otro método similar fue descrito por Müller-Fiedler para micro-sensores que exigen funcionamientos a altas temperaturas (140 ° C) [7]. Así mismo Hartzell describe un proceso de fabricación de alto volumen para acelerómetros MEMS. Douglass discute algunos principios básicos como el desarrollo de la fiabilidad del sistemas, la identificación de áreas de riesgo, las fallas por comprensión, y las pruebas de estrés acelerado [7]. Utilizando técnicas como modo de falla y análisis de efectos (FMEA) ayuda a evaluar todas las etapas de su desarrollo. FMEA implica intercambio de ideas modos de fallas potenciales, identificando las sospechas de causas profundas, asignar niveles de riesgo, y seguir adelante con la acción correctiva [7]. Las pruebas especificas son determinadas por cada fabricante. Todas estas pruebas incluyen la vida de almacenamiento, ciclos de temperatura, choque térmico, resistencia a la humedad, vibración, y resistencia a la adherencia del alambre, entre otras. Estas pruebas de MEMS se determinan dado a su aplicación especifica, normalmente después de investigar los mecanismos de falla de las pruebas de tensión (fuera de las condiciones de almacenamiento).

Un análisis detallado de las pruebas de fabricación a gran escala fue descrito por Delak de Analog Devices [7]. Unas de las pruebas de vida de resistencia fueron documentados a alta temperatura de funcionamiento (HTOL), choque térmico, ciclo de temperatura, almacenamiento a alta temperatura, caída de mecánico (orientación se mantiene), y la caída al azar (sin orientación) [7].

5.-Influencia de la temperatura

La gran mayoría de las estructuras resonantes basadas en tecnología MEMS son fabricadas en obleas de silicio, las cuales tienen un modulo elástico que depende de la temperatura. El modulo elástico del silicio como una función de la temperatura para 250 ≤ T ≤ 600 K es calculado mediante [8].

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donde T es la temperatura en kelvin (K) y E0 es el modulo de Young del silicio a temperatura ambiente.

Además, coeficiente de expansión térmica de el silicio (αsi), incrementa con la temperatura y esta magnitud para 120 ≤ T ≤ 1500 K es determinada por [8]:

[pic 13] (8)

La conductividad térmica del silicio (ksi) incrementa con la temperatura de acuerdo a la siguiente expresión.

[pic 14] (9)

La temperatura influye en el desempeño del sensor resonante, en donde un incremento de la temperatura afecta las propiedades del material como el modulo de elasticidad, la conductividad térmica y el coeficiente de expansión térmica.

El estudio del efecto