ES2336635B1 - Elemento micromecanico magnetostrictivo resistente a la corrosion. - Google Patents
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Abstract
Elemento micromecánico magnetostrictivo
resistente a la corrosión.
Se describe un elemento micromecánico
magnetostrictivo (1) resistente a la corrosión para microactuadores
y microscopía de fuerzas atómicas en modos dinámicos y
funcionamiento compatible con medios corrosivos, comprendiendo dicho
elemento micromecánico magnetostrictivo (1) una pieza (2) de un
material no magnetostrictivo recubierta, al menos por una primera
cara, por al menos (3) de material magnetostrictivo resistente a la
corrosión en medios líquidos, de manera que un campo magnético
paralelo al plano de la lámina (3) magnetostrictiva provoca la
deformación del elemento micromecánico magnetostrictivo (1).
Description
Elemento micromecánico magnetostrictivo
resistente a la corrosión.
El objeto principal de la presente invención es
un elemento micromecánico magnetostrictivo resistente a la corrosión
para microactuadores y microscopía de fuerzas atómicas en modo
dinámico y funcionamiento compatible con medios corrosivos.
El uso de materiales "inteligentes", como
por ejemplo, materiales magnetostrictivos, piezoeléctricos, etc...,
que convierten directamente una señal eléctrica en una deformación
mecánica presenta un enorme interés para su uso en dispositivos
micro-nano-electro-mecánicos
(NEMS/MEMS). Estos dispositivos pueden ser
micro-actuadores en forma de palanca, puente o
membranas para micro-válvulas, deflectores de
fluidos, micro-espejos,
micro-motores, micro-bombas,
micro-interruptores, etc... Las láminas delgadas
magnetostrictivas tienen importantes ventajas ya que pueden actuar a
altas frecuencias, se obtienen altas deformaciones con una bajo
campo magnético aplicado, se pueden fabricar a bajas temperaturas en
lámina delgada y se pueden accionar a distancia. El artículo
(Sensors and Actuators,
81(2000)275-280) es una excelente
revisión de los actuadores magnetoestrictivos aplicados a
microsistemas.
Una de las aplicaciones principales de los
elementos micromecánicos son los microscopios de fuerzas atómicas
(AFM, de sus siglas en inglés Atomic Force Microscope) esenciales en
el desarrollo de la nanotecnología para la caracterización y
visualización de muestras a dimensiones nanométricas (1x10^{-9} m
= 1 nm). Un AFM es un instrumento mecánico-óptico capaz de detectar
fuerzas del orden de los piconewtons. El elemento más importante de
estos microscopios lo constituye una micro-palanca
generalmente fabricada en silicio o nitruro de silicio en una de
cuyas caras se fabrica una punta extraordinariamente afilada de
forma normalmente piramidal o cónica. Al ser desplazada esta punta
sobre una superficie, la flexión de la micro-palanca
se detecta por medio de un sistema óptico generando una imagen
topográfica de la misma.
Un microscopio de AFM tiene fundamentalmente dos
modos de operación: estático y dinámico.
En el modo estático, la superficie de la muestra
es barrida por la punta en el plano (X-Y). Durante
el barrido, las distintas fuerzas que interactúan entre los átomos
de la punta y los átomos en la superficie de la muestra provocan una
flexión de la micro-palanca. Esta flexión se
mantiene constante mediante un lazo de retroalimentación electrónica
sobre un actuador piezoeléctrico. Representando la señal de
retroalimentación frente a la posición sobre la muestra (X,Y) es
posible trazar un mapa topográfico de la misma Z=Z(X,Y).
En el modo dinámico de funcionamiento, el más
utilizado para microscopía de fuerzas en materiales blandos o
fácilmente deformables como son en general los medios biológicos, la
micro-palanca se hace oscilar a unos pocos
nanómetros de distancia (Z) de la muestra. A lo largo de un barrido
sobre la superficie, esta amplitud de oscilación u otro parámetro
significativo como, por ejemplo, la frecuencia, se mantiene
constante mediante un lazo de retroalimentación electrónica.
El AFM dinámico también puede ser utilizado para
obtener mapas de fuerza. Estas medidas son útiles en estudios de
fuerzas de adhesión y permiten estudiar a nivel de una sola molécula
interacciones específicas entre moléculas (ej: interacción
antígeno-anticuerpo, interacción entre hebras
complementarias de ADN) o interacciones estructurales de las
biomoléculas (plegado de proteínas) así como caracterizar la
elasticidad de polímeros. También es útil en estudios de indentación
de materiales blandos (polímeros) que permitan caracterizar
propiedades elásticas o viscoelásticas de la muestra.
En la actualidad existen muchas variantes de
estos métodos dinámicos. En todos ellos es fundamental el control de
los modos de oscilación de la micro-palanca.
Generalmente, en el modo dinámico se emplea un
actuador piezoeléctrico fijado a la base de la
micro-palanca, si funciona en aire, o a una celda si
funciona en medios líquidos. Un inconveniente presente en el segundo
caso es que la oscilación del actuador piezoeléctrico provoca el
acoplo de otras partes del microscopio con la
micro-palanca. Ello es especialmente problemático
cuando se trabaja con muestras biológicas porque el medio viscoso en
que éstas se encuentran amortigua fuertemente la oscilación de la
micro-palanca y al ser necesario aumentar la
amplitud de vibración del actuador piezoeléctrico excitador se
generan resonancias y modos de vibración espúreos que complican el
espectro de frecuencias de resonancia de la
micro-palanca.
Para superar estos inconvenientes, se necesitan
métodos alternativos para generar la oscilación de la
micro-palanca sin provocar acoplos con el resto del
microscopio. Por ejemplo, un campo magnético alterno generado
externamente puede actuar sobre un elemento magnético adherido a la
micro-palanca sin producir ninguna perturbación o
acoplo mecánico sobre los materiales no magnéticos de la celda
líquida. El campo actúa sobre el momento magnético del elemento
adherido a la micro-palanca produciendo un par de
torsión o una fuerza magnetostática. El elemento magnético puede ser
una pequeña pieza de material imanado o una lámina delgada magnética
depositada sobre la micro-palanca.
El depósito de láminas delgadas sobre un
elemento micro-mecánico cualquiera implica en
general la aparición de tensiones mecánicas que generan una
curvatura no deseada del mismo. En el caso de una
micro-palanca, esta curvatura interfiere
negativamente con el sistema óptico de detección de su flexión.
Estas tensiones pueden compensarse si el recubrimiento acumulara
tensiones idénticas sobre ambos lados del elemento
micro-mecánico o, en el caso del AFM, la
micro-palanca.
La patente US 5,513,518 describe una
micro-palanca recubierta de una lámina delgada de
material magnético, bien sobre una cara o bien sobre las dos. La
micro-palanca está sometida a un campo magnético
alterno que genera un par de torsión o fuerzas magnetostáticas que
provocan su oscilación.
La patente US 5,866,805 describe una
micro-palanca para un microscopio de fuerzas
atómicas recubierta con una lámina de material magnético por una
cara y un material no magnético por la otra, seleccionándose los
materiales y los espesores de las láminas de manera que se compensen
las tensiones a ambos lados de la micro-palanca y se
evite su deformación.
Ambos antecedentes presentan algunos importantes
inconvenientes. En primer lugar, el recubrimiento de la lámina
inferior conlleva una pérdida de resolución al aumentar el radio
efectivo de la punta afilada. En segundo lugar, los materiales de
los recubrimientos de las micro-palancas pueden
contaminar el medio biológico en el que están inmersas, o bien
sufrir procesos de corrosión. Así, la mayoría de los recubrimientos
magnéticos empleados hasta el momento en
micro-actuadores sufren una rápida degradación por
corrosión en los medios líquidos biológicos habituales. Además, el
elevado valor del campo magnético alterno necesario para generar
fuerzas de deflexión perpendiculares a la
micro-palanca requiere una alta intensidad de
corriente en las bobinas generadoras del campo magnético aplicado,
colocadas generalmente sobre el actuador piezoeléctrico de barrido
situado bajo la muestra, lo que puede provocar calentamientos y
derivas indeseadas en la muestra.
La presente invención aprovecha el efecto de
magnetostricción de algunos materiales magnéticos resistentes a la
corrosión en el diseño de un nuevo elemento
micro-mecánico magnetostrictivo adecuado para
funcionar en medios corrosivos. Este elemento micromecánico puede
ser una micropalanca para un microscopio de fuerzas atómicas o
cualquier tipo de actuador en MEMS/NEMS.
La magnetostricción es la propiedad de
determinados materiales magnéticos de deformarse en presencia de un
campo magnético. Así, si se recubre una pieza de un material no
magnetostrictivo con una lámina de material magnetostrictivo y se
somete a un campo magnético alterno en el plano de la lámina
delgada, el conjunto sufre una deformación. El funcionamiento es
parecido al de un interruptor bimetálico. La lámina magnetostrictiva
se dilata o contrae, mientras que la pieza no magnetostrictiva
mantiene su longitud, provocándose la deformación del conjunto a la
frecuencia, o a un múltiplo de la frecuencia, del campo magnético
alterno aplicado.
Por tanto, la presente invención describe un
elemento micromecánico magnetostrictivo que comprende una pieza de
un material no magnetostrictivo recubierta, al menos por una cara,
por al menos una lámina de material magnetostrictivo, de manera que
un campo magnético paralelo al plano de las láminas
magnetostrictivas provoca la deformación del elemento micromecánico
magnetostrictivo, y donde el material magnetostrictivo es
preferentemente resistente a la corrosión en medios líquidos.
Una de las ventajas principales de las láminas
magnetostrictivas es que la intensidad del campo magnético necesario
para conseguir la deformación de un elemento micromecánico
magnetostrictivo de acuerdo con la invención es varios órdenes de
magnitud menor que la intensidad necesaria para actuar mediante
fuerzas magnetostáticas en elementos de acuerdo con la técnica
anterior. Otra importante ventaja es que las láminas
magnetostrictivas pueden ser conformadas y distribuidas en segmentos
adecuados sobre una o varias caras de la pieza de material no
magnetostrictivo mediante, por ejemplo un proceso de litografía. De
este modo, se pueden generar a voluntad distintos modos de
deformación u oscilación.
Preferiblemente, el material magnetostrictivo
resistente a la corrosión es una aleación amorfa de hierro, boro y
nitrógeno. En particular, el porcentaje de boro de la aleación está
entre el 10% y el 40%, mientras que el porcentaje de nitrógeno está
preferiblemente entre el 5% y el 20%, y más preferiblemente entre el
7% y el 9%.
Otra realización de la invención está dirigida a
un elemento micromecánico magnetostrictivo resistente a la corrosión
cuya pieza de material no magnetostrictivo comprende una punta
afilada en una cara, de manera que constituye una micropalanca
adecuada para su uso en un microscopio de fuerzas atómicas.
Así, la pieza de material no magnetostrictivo
podría ser una micropalanca de un microscopio de fuerzas atómicas de
acuerdo con la técnica anterior, por ejemplo una micropalanca de
silicio, nitruro de silicio o material polimérico, que estaría
recubierta en una de sus caras con una o varias láminas de material
magnetostrictivo resistente a la corrosión, teniendo una punta
afilada en la cara opuesta.
El espectro de frecuencias de resonancia del
elemento micromecánico magnetostrictivo de la invención contiene en
principio varios modos de vibración, como por ejemplo, modos de
flexión, modos de torsión y, en cada uno de ellos, modos de orden
superior o armónicos. Mediante configuración en segmentos de las
láminas magnetostrictivas y selección adecuada de las frecuencias de
excitación es posible seleccionar a voluntad el modo de vibración
más apropiado.
Además, las láminas de material magnetostrictivo
resistente a la corrosión se aplican mediante pulverización
catódica, de manera que se controlan las tensiones de las láminas
depositadas para conseguir que la curvatura del elemento
micromecánico magnetostrictivo resultante sea inferior a un límite
establecido por el diseño del elemento micromecánico,
preferiblemente un 5%, y más preferiblemente un 1%. En particular,
el control de la tensión acumulada en los recubrimientos se realiza
mediante el ajuste de parámetros de depósito, como la presión del
gas inerte, el potencial de cátodo y la geometría del sistema de
depósito, a través de medidas experimentales de las tensiones del
recubrimiento.
\vskip1.000000\baselineskip
Para complementar la descripción que se está
realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las
características de la invención, de acuerdo con un ejemplo
preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como
parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde
con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo
siguiente:
Figura 1.- Muestra una vista de un microscopio
de fuerzas atómicas de acuerdo con la técnica anterior.
Figura 2.- Muestra una vista de un microscopio
de fuerzas atómicas de acuerdo con la invención.
Figura 3.- Muestra un detalle de un elemento
micromecánico magnetostrictivo, en concreto una micropalanca, de
acuerdo con la invención.
Figura 4.- Muestra un elemento micromecánico con
una disposición en segmentos de varias láminas magnetostrictivas
sobre su cara primera.
Figura 5.- Muestra una gráfica que representa la
variación de reflectividad óptica de una aleación de
Fe-B-N en función del tiempo de
inmersión en agua para diferentes porcentajes de N.
Figuras 6 y 7.- Muestran respectivamente la
curva de resonancia de una micropalanca convencional en agua y la
curva de resonancia de una palanca de acuerdo con la presente
invención en agua.
\vskip1.000000\baselineskip
Se describe a continuación una realización
particular de la invención dirigida a un elemento micromecánico
magnetostrictivo (1) adecuado para su uso como micropalanca de un
microscopio de fuerzas atómicas (100), haciendo referencia a las
figuras adjuntas.
La Fig. 1 muestra un elemento micromecánico
(101) de acuerdo con la técnica anterior empleado en un microscopio
de fuerzas atómicas (100). Se aprecia cómo una muestra (105) está
inmersa en un medio líquido, y cómo un solenoide (104) que genera el
campo magnético está dispuesto bajo el elemento micromecánico (101)
de la técnica anterior, de manera que para conseguir su vibración en
modo dinámico el campo magnético es perpendicular ella. También se
aprecia un sistema de lectura habitualmente utilizado, que consiste
en un medio de emisión de láser (106) que emite un rayo láser en
dirección al elemento micromecánico (101), se refleja en él y es
recibido por un medio de detección óptica (107), por ejemplo un
fotodiodo. En este ejemplo de microscopio de fuerzas atómicas (100)
de acuerdo con la técnica anterior, se ha fijado una partícula
magnética (108) en la parte posterior de la punta del elemento
micromecánico (101).
Las Fig. 2 y 3 muestran respectivamente un
esquema de un microscopio de fuerzas atómicas (100) y un detalle de
un elemento micromecánico magnetostrictivo (1) objeto de la
invención. El elemento micromecánico magnetostrictivo (1) de este
ejemplo está formado por una pieza (2) de material no
magnetostrictivo y una o varias láminas (3) magnetostrictivas
resistentes a la corrosión en medios líquidos. El campo magnético se
genera empleando un par de solenoides (4a, 4b) enfrentados, cada uno
de los cuales está situado a un lado de la muestra (5), de manera
que el campo magnético generado es paralelo a la lámina (3)
magnetostrictiva. Al igual que la técnica anterior, la lectura se
realiza por medio de un medio de emisión láser (6) medio de
detección óptica (7), como un fotodiodo.
En este ejemplo, el material no magnetostrictivo
empleado para la pieza (2) de material no magnetostrictivo es Si o
Si_{3}N_{4}, habitualmente empleados en la fabricación de
micropalancas de la técnica anterior, mientras que se ha utilizado
una aleación de hierro (73%), boro (20%) y nitrógeno (7%) para la
lámina (3) magnetostrictiva resistente a la corrosión en medios
líquidos.
En la Fig. 4 se representa un elemento
micromecánico con una disposición en segmentos determinada de varias
láminas magnetostrictivas sobre su cara primera de forma que la
aplicación de un campo magnético excitador con un espectro adecuado
de frecuencias de lugar a voluntad a diferentes modos de deformación
del mismo.
La Fig. 5 representa la reflectividad de la
aleación de hierro, boro y nitrógeno que constituye la lámina (2)
magnetostrictiva inmersa en agua en función del tiempo para
diferentes porcentajes de nitrógeno. Se aprecia que a partir de
aproximadamente el 2% de nitrógeno su reflectividad permanece
constante independientemente del tiempo.
Las Figs. 6 y 7, finalmente, representan
respectivamente la frecuencia de resonancia del elemento
micromecánico magnetostrictivo (1) del ejemplo en aire y en agua. Se
observa cómo la señal en agua mantiene una excelente relación
señal/ruido.
Finalmente, la Fig. 8 muestra cómo la curvatura
de un elemento micromecánico magnetostrictivo (1) de acuerdo con la
presente invención no supera el 1%.
Claims (8)
1. Elemento micromecánico magnetostrictivo (1),
caracterizado porque comprende una pieza (2) de un material
no magnetostrictivo recubierta, al menos por una cara, por al menos
una lámina (3) de material magnetostrictivo, de manera que un campo
magnético paralelo al plano de la lámina (3) de material
magnetostrictivo provoca la deformación del elemento micromecánico
magnetostrictivo (1).
2. Elemento micromecánico magnetostrictivo (1)
de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la
lámina (3) de material magnetostrictivo es una aleación amorfa de
hierro, boro y nitrógeno resistente a la corrosión en medios
líquidos.
3. Elemento micromecánico magnetostrictivo (1)
de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque la
aleación comprende un porcentaje de boro de entre el 10% y el
40%.
4. Elemento micromecánico magnetostrictivo (1)
de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 2 ó 3,
caracterizado por que la aleación comprende un porcentaje de
nitrógeno de entre el 5% y el 20%.
5. Elemento micromecánico magnetostrictivo (1)
de acuerdo con la reivindicación 4, caracterizado porque la
aleación comprende un porcentaje de nitrógeno de entre el 7% y el
9%.
6. Elemento micromecánico magnetostrictivo (1)
de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores,
caracterizado porque una cara de la pieza (2) de material no
magnetostrictivo comprende una punta afilada, de modo que es
adecuado para su uso como micropalanca de un microscopio de fuerzas
atómicas (100).
7. Elemento micromecánico magnetostrictivo (1)
de acuerdo con la reivindicación 6, caracterizado porque
tiene una curvatura inferior al 5%.
8. Elemento micromecánico magnetostrictivo (1)
de acuerdo con la reivindicación 7, caracterizado porque
tiene una curvatura inferior al 1%.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ES200802889A ES2336635B1 (es) | 2008-10-13 | 2008-10-13 | Elemento micromecanico magnetostrictivo resistente a la corrosion. |
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Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
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| ES2336635A1 ES2336635A1 (es) | 2010-04-14 |
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| ES200802889A Expired - Fee Related ES2336635B1 (es) | 2008-10-13 | 2008-10-13 | Elemento micromecanico magnetostrictivo resistente a la corrosion. |
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| WO (1) | WO2010043746A1 (es) |
Family Cites Families (2)
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|---|---|---|---|---|
| US6121611A (en) * | 1998-05-20 | 2000-09-19 | Molecular Imaging Corporation | Force sensing probe for scanning probe microscopy |
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2008
- 2008-10-13 ES ES200802889A patent/ES2336635B1/es not_active Expired - Fee Related
-
2009
- 2009-10-13 WO PCT/ES2009/070432 patent/WO2010043746A1/es active Application Filing
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| FERNANDEZ-MARTINEZ I. et al. Nitrided FeB amorphous thin films for magneto mechanical systems, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, Volumen 320, Issues 1-2, enero 2008, páginas 68-75, ISSN 0304-8853. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2010043746A1 (es) | 2010-04-22 |
| ES2336635A1 (es) | 2010-04-14 |
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