Pequeños chips tridimensionales

Tiny chip 3d
Tiny chip 3d
Imagen: Maggie Bartlett, NHGRI

Investigadores del MIT ( Massachusetts Institute of Technolagy – Instituto Tecnológico de Massachusetts) desarrollan un nuevo acercamiento para producir microchips tridimensionales.

Jennifer Chu, MIT News Office. Original (en inglés).

Sistemas microelectromecánicos, or MEMS (Microelectromechanical systems), son pequeños dispositivos con un enorme potencial. Típicamente hechos de componentes de menos de 100 micrones en tamaño – el diámetro de un cabello humano – han sido usados como sensores biológicos, acelerómetros, giroscopios y actuadores.

En su mayoría, los dispositivos MEMS existentes son bidimensionales, con elementos funcionales hechos sobre la superficie del chip. Se pensaba que operar en tres dimensiones – por ejemplo, para detectar aceleración – requeriría complejos sistemas de manufactura y la costosa fusión de múltiples dispositivos en orientaciones precisas.

Ahora investigadores del MIT han llegado con un nuevo acercamiento al diseño de los MEMS que permite a los ingenieros desarrollar configuraciones tridimensionales, usando procesos existentes de fabricación; con este acercamiento, los investigadores construyeron un dispositivo MEMS que permite sensores tridimensionales en un solo chip. El dispositivo de silicón, no mucho más grande que un centavo estadounidense (un centavo estadounidense tiene un díámetro de 19.05 mm x 1.55 mm), contiene elementos microscópicos con un tamaño cercano al de los glóbulos rojos de la sangre que pueden ser diseñados para alcanzar alturas de cientos de micrones sobre la superficie del chip.

Fabio Fachin, un Postdoctorado en el Departamento de Aeronáutica y Astronáutica, dice que el dispositivo podría ser equipado con sensores, puestos sobre y bajo los minúsculos puentes del chip, para detectar fenómenos tridimensionales como aceleración. Acelerómetros tan compactos podrían ser útiles en diversas aplicaciones, incluyendo navegación espacial autónoma, donde una resolución extremadamente precisa de campos de aceleración tridimensionales es la clave.

“Uno de los factores principales que impulsan la industria actual de MEMS es el tratar de hacer dispositivos completamente tridimensionales en un solo chip, lo cual no solo permitiría una real sensación y actuación tridimensional, sino también significaría beneficios en el costo”, dijo Fachin. “Un acelerómetro MEMS podría darte [mediciones de] aceleración muy precisas con una huella muy pequeña, lo cual es crítico en el espacio”.

Fachin colaboró con Brian Wardle, un profesor asociado de aeronáutica y astronáutica en el MIT, y Stefan Nickles, un ingeniero de diseño en MEMSIC y Andover, Mass., compañía que desarrolla tecnología de sensores inalámbricos. El equipo mostró lo principios detrás de su acercamiento tridimensional en una revista académica aceptada para publicación en el Diario de Sistemas Microelectromecánicos.

Moviéndose a lo tridimensional

Mientras que la mayoría de los dispositivos MEMS son bidimensionales, ha habido esfuerzos para mover el campo a la tercera dimensión, particularmente para dispositivos hechos de polímeros. Científicos han utilizado litografía para fabricar intricadas estructuras tridimensionales de polímeros, que han sido usadas como pequeños engranes, dientes y micro-turbinas. Sin embargo, dice Fachin, los polímeros no cuentan con la rigidez y fuerza requerida para algunas aplicaciones, y pueden deformarse a altas temperaturas – características que son menos que ideales en aplicaciones como actuadores y absorbedores de choque.

En contraste, materiales como el silicio son relativamente durables y resistentes a la temperatura. Pero, dice Fachin, fabricar dispositivos tridimensionales en silicio es difícil. Ingenieros de MEMS usan una técnica común llamada grabado iónico reactivo profundo para hacer parcialmente estructuras tridimensionales, en las que elementos bidimensionales son grabados en una oblea. Sin embargo, la técnica no permite configuraciones tridimensionales completas, donde las estructuras se elevan más allá de la superficie del chip.

Micro-pilar de Silicio fabricado con el proceso Bosch
Micro-pilar de Silicio fabricado con el proceso Bosch

Para hacer dichos dispositivos, los ingenieros fabrican pequeños puentes bidimensionales, o voladizos, en la superficie de un chip. Después de que el chip es producido, aplican una pequeña cantidad de fuerza para arquear el puente en una configuración tridimensional. Este último paso, dice Fachin, requiere de gran precisión.

Estrés interno

En vez de esto, el equipo del MIT encontró una forma de crear elementos tridimensionales MEMS sin este último empujón. El grupo basó su aproximación en el estrés residual: En cualquier estructura de puente, no importa su tamaño, existe estrés que queda en un material aún después de que la fuerza original necesaria para producirlo – como el calor o la fuerza mecánica de un proceso de fabricación – ha desaparecido. Dicho estrés puede ser lo suficientemente fuerte para deformar un material, dependiendo de sus dimensiones.

Fachin y sus colegas estudiaron trabajos previos en configuraciones de microhaces y desarrollaron ecuaciones para representar la relación entre la flexibilidad, geometría y el estrés residual de un filme delgado de material. Entonces el grupo conectó la altura deseada de su puente en la ecuación, y obtuvo la cantidad de estrés residual requerida para abrochar o doblar la estructura en la forma deseada. Fachin dice que otros investigadores pueden usar las ecuaciones del grupo como una herramienta analítica para diseñar otros dispositivos tridimensionales usando procesos existentes de fabricación.

“Esto ofrece una forma muy económica para estructuras tridimensionales”, dijo Y.K. Yoon, un profesor asociado de ingeniería eléctrica y computacional en la Universidad de Florida que no tomó parte en la investigación. “Debido a que el proceso está basado en un sustrato de silicio, y es compatible con los procesos estándares de “complementary metal oxide semiconductor” (CMOS – semiconductor de óxido metálico complementario), también ofrecerá un camino a procesos inteligentes CMOS-MEMS, con buena manufacturabilidad”.

El grupo usó su herramienta analítica para diseñar pequeños dispositivos tridimensionales fuera de estructuras de silicio compuestas, con cada chip conteniendo microhaces altamente curvados o abrochados. Los sensores de Fachin, colocados encima de cada puente y en la superficie del chip, pueden triangular para medir la aceleración.

“Para otras aplicaciones donde quieras llegar a tamaños mucho más grandes, podrías elegir un material que tiene un estrés residual más grande, y eso podría causar que el haz se abroche más,” dijo Fachin. “La flexibilidad de la herramienta es importante”.

Reimpreso con permiso de MIT News.

Fuente
http://web.mit.edu/ (en inglés)

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