ES2329644A1 - Actuador electrostatico para microsistemas electromecanicos (mems). - Google Patents
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Abstract
Actuador electrostático para microsistemas electromecánicos que utiliza acumulaciones de carga inducidas o creadas en ellos que se usan como amplificadores de la fuerza electrostática tradicional que habría sobre dichos dispositivos sin esas acumulaciones o zonas de carga de espacio donde las zonas de carga de espacio que consiguen esa amplificación quedan entre, al menos, dos electrodos (1, 6) configurados para que dichas zonas de carga de espacio puedan ser moduladas por la tensión aplicada entre dichos electrodos (1 ,6); y donde, además, comprende una unión rectificadora (2) entre una metalización propia del primer electrodo (1) y el material propio del microdispositivo (3); y donde un contacto óhmico (8) sobre el material del dispositivo y el contacto (1) de la metalización, permiten polarizar la unión rectificadora (2) y modular su zona de carga de espacio; todo ello de tal forma que al estar conectado el contacto óhmico (8) con el electrodo (6) mediante el contacto (7), se logra la interacción electrostática entre el electrodo (6) y la zona de carga espacial de la unión (2).
Description
Actuador electrostático para microsistemas
electromecánicos (MEMS).
El objeto del actuador electrostático para
microsistemas electromecánicos (MEMS) propone el uso de zonas de
carga de espacio para ejercer fuerzas eléctricas sobre los
dispositivos que las incorporen, mucho más fuertes que las logradas
habitualmente por actuación electrostática. Dichos dispositivos son
los microsistemas electromecánicos (MEMS) y entre ellos, las
micropalancas usadas en sondas de microscopios de fuerza atómica o
sondas AFM.
La invención se encuadra, en general, en el
sector técnico de los microsistemas electromecánicos y, en
particular, en el de los microactuadores y microsensores. Dentro de
este campo, la invención está directamente relacionada con la
excitación eléctrica de MEMS utilizados en microsensores.
A medida que se han ido desarrollando los
sistemas electromecánicos o MEMS y sus aplicaciones, han ido
apareciendo diversas formas de ejercer fuerzas sobre ellos mediante
señales eléctricas de tensión y/o de corriente. Estas formas de
actuar sobre MEMS son lo que denominaremos medios de actuación. En
el caso particular de las micropalancas usadas como elementos
resonantes en microsensores de alta sensibilidad, cuanta mayor sea
la precisión con la que podamos determinar la frecuencia de
resonancia de una micropalanca, mayor será su resolución para
cuantizar el estímulo que debe medir el microsensor del que forma
parte la micropalanca. En un sensor gravimétrico, por ejemplo, la
frecuencia de resonancia de la micropalanca disminuye ligeramente y
de forma lineal para pequeñas masas añadidas a la masa de dicha
micropalanca. De esta forma es posible detectar cambios de masa tan
pequeños como el de unas pocas moléculas de ADN que se adhieran a
tal micropalanca. Por ello, y aunque hay varios métodos para medir
esa frecuencia de resonancia, podemos asumir que si obtenemos un
oscilador cuya frecuencia venga determinada por la vibración en
resonancia de la micropalanca, la frecuencia de la señal de salida
de tal oscilador, ligada a la masa instantánea que está en
vibración, dará información de cualquier pequeño cambio en tal masa
si éste acontece. Con este planteamiento, donde la micropalanca
actúa como un cristal de cuarzo que, resonando cerca de unos de sus
modos de vibración, controla la frecuencia de la señal del
oscilador así construido, no es difícil entender que la estabilidad
de frecuencia intrínseca de tal oscilador es la que definirá la
mínima variación de masa que resulte posible detectar. Dicho en
forma numérica: un cambio de masa que de lugar a 1 Hz de variación
de frecuencia de resonancia no será bien medido por el oscilador -
sensor si la frecuencia de su señal de salida tiene una varianza
(ruido) mucho mayor, como por ejemplo 37 Hz. Y como la mayor
estabilidad en frecuencia de lazos osciladores exige el estricto
control de su ganancia de lazo (módulo y fase) los mecanismos de
actuación pasan a jugar un papel esencial. Esto hace que se hayan
descartado varias modos de detectar la frecuencia de resonancia
de una micropalanca que no optimizaban la sensibilidad, aunque son
de interés para muchas otras aplicaciones.
Se desconoce por parte de los inventores,
expertos en la materia, de ningún dispositivo o sistema que recoja
las características descritas a continuación.
La presente invención propone el uso de las
zonas de carga de espacio para ejercer fuerzas eléctricas mucho más
fuertes que las logradas habitualmente por actuación
electrostática. Los dispositivos donde se incorporan dichas zonas de
carga son principalmente los MEMS y, dentro de éstos, las
micropalancas usadas en sondas de microscopios de fuerza atómica
(sondas AFM) que son especialmente adecuados. Así, para ejercer la
mayor fuerza que esta intervención otorga sobre el extremo de una de
estas micropalancas podemos tomar una sonda AFM de silicio
tipo-n, por ejemplo, con una primera capa metálica
depositada sobre uno de sus lados, donde además se forma una
estructura rectificada entre la primera capa metálica y la
micropalanca, lo que se logra con la adecuada elección del dopaje
en la micropalanca y del metal en la primera capa o bien con una
capa de dopaje opuesto al de la micro-palanca bajo
la metalización de la primera capa. De hecho, una heterounión
rectificadora Schottky similar a la estructura rectificadora
indicada, ya existe en algunas sondas AFM que han sido metalizadas
por el lado opuesto al de su punta exploradora, mientras que de esa
heterounión se aprovecha su zona de carga de espacio sobre la que se
ejercen fuerzas de origen eléctrico, por lo que una estructura
rectificadora de tipo p-n obtenida mediante una
capa de dopaje adecuado, donde se situará una capa de tipo p para
palancas tipo n, y capas tipo n para palancas tipo p, bajo la
metalización de la primera capa que hace de primer electrodo, es
válida también. Ahora bien, para obtener la mayor fuerza que otorga
esta invención, hay que hacer que la zona de carga de espacio de la
estructura rectificadora quede entre la metalización de la primera
capa dotada de un contacto para ser empleada como primer electrodo
y un segundo electrodo formado por material conductor (metal, por
ejemplo) dotado de un segundo contacto y situado a una cierta
distancia d del primer electrodo. La tensión del generador
de excitación aplicada entre el primer contacto y el segundo y
tercer contacto tendrá, en general, una tensión continua DC para
polarizar tanto la estructura rectificadora de unión mediante los
contactos primero y tercero, como los electrodos del condensador y
tendrá una tensión variable en el tiempo AC para obtener una fuerza
variable sobre la micropalanca y hacer que el extremo cercano a la
punta de la micropalanca se desplace o vibre siguiendo las
variaciones de la tensión AC. El tercer contacto, sea este real o
parásito, es requerido para permitir el paso de pequeñas corrientes
que la tensión entre contactos primero y tercero hace fluir tanto al
polarizar la unión de la estructura rectificadora (generalmente en
inversa) como al modular su zona de carga de espacio. Este es el
aspecto nuevo y diferenciador de la presente invención frente a
otras formas de actuación electrostática: en esta invención existen
pequeñas corrientes de conducción añadidas intencionalmente a las
mucho menores corrientes de desplazamiento de la estructura
capacitiva formada por el primer y segundo electrodo separados por
la distancia d. Así se logra que la fuerza ejercida sobre la
micropalanca resulte mucho mayor que la fuerza que habría entre
dichos electrodos separados por la misma distancia d sin
tener la zona de carga de espacio de la unión de la estructura
rectificadora actuando como un dipolo de carga interno modulado por
la propia tensión entre los electrodos. Como resultado final que
distingue esta invención del actual estado de la técnica, la fuerza
debida al término alterno de la tensión aplicada varía con la
frecuencia, dando una respuesta espectral de tipo
paso-bajo, cuyo ancho de banda depende tanto del
potencial de contacto de la unión de estructura rectificadora como
del término continuo DC de la tensión aplicada que polariza la
estructura rectificadora cuya zona de carga de espacio, controlada
por la tensión aplicada, determina la fuerza aplicada sobre la
micropalanca. Por ello, la fuerza alterna AC ejercida sobre la
micropalanca para señales senoidales alternas está en fase con la
tensión de excitación AC cuando su frecuencia es baja, pero tiende
a estar en cuadratura (con un desfase de 90º) a frecuencias altas.
Esto aumenta el interés de la presente invención porque permite
excitar micropalancas con señales proporcionales a su velocidad
instantánea cuando solo se dispone de la señal proporcional a su
desplazamiento instantáneo. El desfase aproximado de -90º que este
método proporciona puede evitar el empleo de un desfasador fijo de
90º, como por ejemplo, un integrador, muy utilizado en lazos
electrónicos que realimentan fuerzas proporcionales a la velocidad
instantánea de micropalancas.
Una aplicación industrial directa se encuentra
en la generación de patrones de frecuencia con una gran
estabilidad. La idea consiste en usar esta invención para hacer
oscilar una micropalanca como las de la sonda comercial descrita
encerrada en vacío por una ampolla de vidrio. Al oscilar en vacío,
la fricción se reduce y el factor de calidad de la micropalanca
vibrando en resonancia sería dos o tres órdenes de magnitud mayor
que el que observamos en aire. Gracias a esta invención se podría
generar una oscilación de bastante amplitud en la micropalanca con
voltajes razonables de modo que la energía almacenada por la
micropalanca a su frecuencia de resonancia fuese mucho más grande
que la pequeña fluctuación (ruido térmico) que siempre acompañará a
esa energía almacenada por el hecho de que la micropalanca está a
cierta temperatura T. De este modo el efecto de ese ruido térmico
se reduciría enormemente, lo que permitiría hacer un oscilador con
estabilidad del orden de 1 parte en 10^{7} o mejor. Una
estabilidad mejor que 1 parte en 10^{5} se consigue si el sistema
opera en aire a presión atmosférica. Esto igualaría o superaría lo
que se obtiene con osciladores basados en resonadores de cristal de
cuarzo, lo que tendría gran interés para patrones de frecuencia a
medio camino entre los relojes de cuarzo (buena estabilidad a corto
y medio plazo, mala a largo plazo) y los de cesio (muy buena
estabilidad a largo plazo y mala a corto plazo). Hoy en día los
requerimientos en este campo para calibración, GPS, metrología,
etc. hacen muy interesante tener patrones de frecuencia con esas
características que no requieran los largos tiempos de espera
(calentamiento) de patrones de cuarzo estabilizado en
temperatura.
Dada la simplicidad de los electrodos necesarios
para utilizar esta invención (casi igual a la de una actuación
electrostática) su empleo en microsistemas como micromotores,
microswitches, etc (MEMS en general) sugiere un enorme campo de
aplicación para esta invención, difícil de prever en su
totalidad.
A continuación se pasa a describir de manera muy
breve una serie de dibujos que ayudan a comprender mejor la
invención y que se relacionan expresamente con una realización de
dicha invención que se presenta como un ejemplo no limitativo de
ésta.
Figura 1.- Muestra un corte en sección de cómo
queda apoyada la micropalanca con una metalización superior sobre
el electrodo escalonado. Asimismo se muestra la forma de conectar
el generador de excitación al conjunto para lograr la mayor fuerza
de actuación sobre la micropalanca que esta invención
proporciona.
Figura 2.- Muestra una sección de la estructura
de la figura 1 en el extremo de la micropalanca que queda libre
para moverse y vibrar como respuesta a la fuerza creada por las
tensiones continua (DC) y alterna (AC) del generador de
excitación.
La disposición de la figura 1 muestra una
realización utilizando sondas AFM comerciales. En estas sondas la
metalización reflectora de luz láser (1) es de aluminio y el
material de la sonda (3) es Silicio tipo-n por la
forma en que responde cuando se utiliza según la figura 1. El
dopaje está en el rango
(1-5)\times10^{17} donadores por cm^{3}
por lo que formará una clara unión Schottky (2) con el aluminio,
como requiere la presente invención, que también funciona con otros
materiales, dopajes y metalizaciones que aquí se simplifican usando
la sonda AFM comercial que hace más fácilmente reproducible nuestra
invención. El electrodo escalonado (6) es un pequeño bloque de
cobre y en la interfase (10) entre la sonda y el electrodo
escalonado (6) una fina capa de epoxi® de plata ayuda tanto
a pegar la sonda AFM al bloque de cobre, como a mejorar el contacto
eléctrico entre el electrodo escalonado (6) y la micropalanca (3),
haciendo que el tercer contacto (8) unido al segundo contacto (7) en
el bloque de cobre se realice de forma directa. En otros montajes
resultaría esencial establecer dicho tercer contacto (8) de forma
específica. El primer contacto (5) sobre la metalización se puede
hacer mediante un pequeño fleje o muelle metálico que al presionar
sobre la micropalanca (3), la fija aún más al bloque de cobre, o se
puede hacer mediante un hilo conectado con microsoldadura. Para
esta sonda comercial, la conexión del generador (9) con su tensión
DC positiva hacia la metalización (1) corresponde a la polarización
en directa de la unión Schottky (2) de esta realización que,
aunque produce la fuerza adicional debida a nuestra invención,
también origina mayores corrientes en directa a través de la unión
Schottky (2). Por ello, usando una polarización contraria en
la unión Schottky (2) (unión en inversa) no sólo se logra la
fuerza adicional que esta invención propone, sino que en este caso
las fuerzas son aún mayores porque corresponden a zonas de carga de
espacio más anchas y todo ello con unas corrientes pequeñas a
través de la unión Schottky (2) polarizada en inversa. Con
una tensión inversa de unos 3 V se tienen constantes de tiempo en la
unión Schottky (2) que dan una frecuencia de corte entre 100
y 200 Hz, por lo que la fuerza ejercida a unos 13 kHz por ejemplo,
frecuencia cercana a la de resonancia de una de las tres
micropalancas (3) que tiene esta sonda comercial, prácticamente se
ejerce en cuadratura con la señal AC del generador de
excitación.
La figura 2 es un esquema de la sección
perpendicular a los primer y segundo electrodos (1) y (6)
representados en la figura 1, donde dichos electrodos (1,6)
consisten en dos placas metálicas que forman un condensador al que
se aplica el generador de tensión AC+DC (9) conectado entre el
primer contacto (5) y el segundo contacto (7) de la figura 1. Según
el eje X dibujado en la figura 2, el primer electrodo (1) es la
metalización que está situada en x=0 y la segunda placa es el
electrodo escalonado (6) que aparece en x=d. La zona de carga de
espacio (11) dibujada en las cercanías de x=0 y sobre el eje x de
la figura 2, es la que existe en la unión Schottky (2) entre
el primer electrodo (capa metálica) (1) y la micropalanca (3). Para
este ejemplo de unión formada entre el material silicio tipo n de
la micropalanca (3) y la metalización del primer electrodo (1), de
aluminio, por ejemplo, puede verse que, aunque tal zona de carga de
espacio es dipolar (tiene tanta carga positiva +Q como negativa
-Q), su centroide para la carga positiva queda a la derecha del
primer electrodo (1), es decir, dentro del material de la
micropalanca (3), mientras que el centroide de la carga negativa
queda justo en la superficie interna del metal del primer electrodo
(1), dentro del cual el campo eléctrico es cero. Esta diferencia de
localización de las cargas negativas y las positivas hacen que
exista una fuerza neta sobre la zona de carga espacial, aunque en
conjunto la carga a ambos lados de la unión sea igual o, dicho de
otro modo, las cargas que aparezcan sobre el electrodo (6) debido a
la tensión aplicada, ven más cerca a la carga +Q de la zona de
carga espacial de la unión (2) (en el semiconductor) que a la carga
-Q que la compensa en el metal, siendo por tanto su interacción con
las cargas del electrodo (6) más intensa que si no existiera la
región de carga de espacio (11). Para que las cargas sobre el
electrodo (6) puedan ejercer esta fuerza sobre las cargas de la ZCE
(11) el dopaje de la micropalanca no debe ser muy alto, para que la
diferencia de posición de los centroides de +Q y -Q sea la mayor
posible, siendo suficiente un dopaje moderado como los que aparecen
en el procesado microelectrónico del silicio. Un dopaje muy alto
haría que la ZCE (11) fuese espacialmente más estrecha y que la
fuerza neta fuera más pequeña. Por ello dopajes del orden de
10^{17} impurezas donadoras por cm^{3} en Silicio
tipo-n o menores resultan adecuados y algo similar
ocurrirá con dopajes del orden de 10^{17} impurezas aceptoras por
cm^{3} en Silicio tipo-p, o menores.
El funcionamiento de la invención es como sigue:
la tensión del generador (9) crea cargas opuestas (+q y -q) en los
electrodos (1) y (6) que se atraerán con la débil fuerza
electrostática proporcional al producto (q\timesq) bien conocida
para este tipo de actuación simple. Pero la misma tensión del
generador polarizará la unión Schottky aumentando, si es inversa,
las cargas de la zona de carga de espacio (+Q y -Q) en cantidades
\DeltaQ mucho mayores en general (\DeltaQ>>q) que la carga
(+q) o (-q) que tenga el electrodo (6). Por ello la carga q del
electrodo (6) al atraer o repeler a la carga dipolar de la zona de
carga de espacio, verá cambios de fuerza proporcionales al producto
(\DeltaQ\timesq), modulados por la diferencia de posición entre
los centroides de +Q y -Q, que resulta ser mucho mayor que el
producto (q\timesq) de la actuación electrostática clásica. Como
estos cambios de carga en la unión (2) se llevan a cabo sobre cierta
barrera de energía debida a la propia unión (Schottky, en este
ejemplo), el cambio de carga \DeltaQ en AC es una función de tipo
paso-bajo con la frecuencia y de ahí la firma
característica de este nuevo mecanismo de actuación: que produce
excitación en cuadratura con la tensión aplicada cuando la
frecuencia es alta de modo que el periodo de la señal es corto en
comparación con la constante de tiempo de la unión rectificadora
(2).
Claims (6)
1. Actuador electrostático para microsistemas
electromecánicos, caracterizado porque comprende:
- un microdispositivo (3) con una primera capa
metálica depositada sobre uno de sus lados para actuar como primer
electrodo (1), disponiendo dicho primer electrodo (1) de un primer
contacto (5);
- un segundo electrodo (6) a una distancia
d del microdispositivo (3) y formado por material conductor
y dotado de un segundo contacto (7);
- una unión rectificadora (2), entre la primera
capa metálica (1) y el material del microdispositivo (3), encargada
de generar una zona de carga espacial (11);
- un tercer contacto (8) sobre el material del
microdispositivo (3), estando dicho tercer contacto (8) unido al
segundo contacto (7);
- un generador de excitación (9) conectado entre
el primer (5) y el segundo (7) contacto, encargado de aplicar una
tensión continua para polarizar la unión rectificadora (2) y el
primer (1) y segundo (6) electrodos y aplicar una tensión variable
para generar una fuerza variable sobre el microdispositivo (3).
2. Actuador electrostático según reivindicación
1, donde el microdispositivo (3) es un MEMS.
3. Actuador electrostático según reivindicación
2, donde el microdispositivo (3) es una micropalanca.
4. Actuador electrostático según cualquiera de
las reivindicaciones anteriores, donde la unión rectificadora (2)
está polarizada en inversa.
5. Actuador electrostático según cualquiera de
las reivindicaciones 1-4, donde la unión
rectificadora (2) es una unión Schottky.
6. Actuador electrostático según cualquiera de
las reivindicaciones 1-4, donde la unión
rectificadora (2) es de tipo PN.
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| ES200802857A ES2329644A1 (es) | 2008-10-08 | 2008-10-08 | Actuador electrostatico para microsistemas electromecanicos (mems). |
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Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ES200802857A ES2329644A1 (es) | 2008-10-08 | 2008-10-08 | Actuador electrostatico para microsistemas electromecanicos (mems). |
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Family Applications (1)
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Citations (1)
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Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2008001082A1 (en) * | 2006-06-27 | 2008-01-03 | Cambridge Enterprise Limited | Semiconductor device transducer and method |
Non-Patent Citations (4)
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|---|
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Also Published As
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