Propuesta de dise o y fabricaci n de un sensor de presi n capacitivo y actuador MEMS

Propuesta de diseño y fabricación de un sensor de presión capacitivo y actuador MEMS

ERICK HERNÁNDEZ MARTÍNEZ
MICROSE-CIC

Resumen. Se presenta una propuesta de diseño y etapas de fabricación de un sensor de presión para uso médico en gases o moléculas con una masa molecular considerable, por lo que las presiones rondarán el órden de kPa, utilizando técnicas convencionales de fotolitografía, seutilizan fundamentos de electrostática para describir el funcionamiento de un sensor capacitivo.
Introducción.
La tecnología MEMS combina los procesos de fabricación utilizados en circuitos integrados por lo que se tiene un alto grado de madurez y comprensión a la hora de la selección de materiales y diseño. Los sensores de presión MEMS representan la mayor parte del mercado de sensores y seencuentran en constante mejora e innovación, dichos sensores son utilizados en diversas industrias entre las que destacan la automotriz, aviación, biomédica, entre otras. Los primeros sensores de presión que se comercializaron en mayor cantidad fueron las galgas extensiométricas las cuales basan su funcionamiento en el efecto piezorresistivo que es la propiedad que tienen ciertos materiales decambiar el valor nominal de su resistencia cuando se le somete a ciertos esfuerzos y se deforman en dirección de los ejes mecánicos. Un esfuerzo que deforma la galga producirá una variación en su resistencia eléctrica puede ser por el cambio de longitud, el cambio originado en la sección o el cambio generado en la resistividad (Figura 1), dentro de las ventajas se encuentran: el tiempo de respuesta,fabricación simple, bajo costo, no son influidas por efectos magnéticos, por el otro lado se tienen limitaciones como su sensibilidad a factores de vibración en condiciones normales, tiempo de vida útil, poco sensible a órdenes de magnitudes de milésimas de pascal, y son afectadas por variaciones en la temperatura; por lo que con el tiempo fue necesaria una evolución en los sensores de presión,sobre todo si queremos mejorar la sensibilidad para fuerzas a nivel micrométrico, misma necesidad que fue cubierta en el momento de descubrir las características piezorresistivas del Si y Ge, que en conjunto con desarrollos e investigación de geometrías, materiales y técnicas de maquinado han impulsado nuevos y mejores sensores de presión para prácticamente todas las industrias.

Actualmente elmercado para los sensores de presión se encuentra en las siguientes proporciones, 72% para electrónica automotriz, defensa, 12% aplicaciones medicas, 10% industria en general y 6% electrónica de consumo. Por lo que los sensores de presión se fabrican para medir presiones en un amplio rango, de tan solo unos mPa hasta MPa, así mismo el rango de temperatura de operación va desde los -25°C hasta los 150°Ce incluso existen diseños donde la temperatura de operación alcanza los 600°C (aeroespacial).
Recientemente MEMS fabricados con Si, SOI (silicon on insulator), SOS (silicon on saphire), CNT (carbón nanotubes) y diversos polímeros, han presentado las características necesarias para adaptarse a las condiciones de temperatura, presión antes descritas. Los principios de transducción fuerza-corrientemás comunes son mediante piezoresitores y capacitancia , la primera provee alta sensibilidad y una operación casi lineal en un rango amplio de presiones, la segunda y últimamente más utilizada presenta una mayor sensibilidad a la presión así como resistencia ante presiones elevadas, también es prácticamente invariable a la temperatura.
Principio de funcionamiento.
Los sensores de presión MEMSusualmente utilizan una membrana flexible que se deformará en presencia de una diferencia de presión, y esta deformación es convertida en una señal eléctrica, por lo que de la forma más sencilla de fabricar un sensor de presión es mediante un micromaquinado del sustrato (bulk micromachining) con la finalidad de crear la membrana de silicio de solo unas cuantas micras de espesor. Para los sensores por...