WO2010040873A1 - Actuador electrostático para microsistemas electromecánicos (mems) - Google Patents

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electrostatic actuator
microdevice
micro
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PCT/ES2009/000490
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José Ignacio IZPURA TORRES
Javier MALO GÓMEZ
Enrique Iborra Grau
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Universidad Politécnica de Madrid
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    • G01Q60/24—AFM [Atomic Force Microscopy] or apparatus therefor, e.g. AFM probes
    • G01Q60/38—Probes, their manufacture, or their related instrumentation, e.g. holders
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B3/00—Devices comprising flexible or deformable elements, e.g. comprising elastic tongues or membranes
    • B81B3/0018—Structures acting upon the moving or flexible element for transforming energy into mechanical movement or vice versa, i.e. actuators, sensors, generators
    • B81B3/0021—Transducers for transforming electrical into mechanical energy or vice versa
    • G—PHYSICS
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    • G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
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    • G01Q10/04—Fine scanning or positioning
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N1/00—Electrostatic generators or motors using a solid moving electrostatic charge carrier
    • H02N1/002—Electrostatic motors
    • H02N1/006—Electrostatic motors of the gap-closing type
    • H—ELECTRICITY
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    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/02—Details
    • H03H9/02244—Details of microelectro-mechanical resonators
    • H03H9/02259—Driving or detection means
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2203/00—Basic microelectromechanical structures
    • B81B2203/01—Suspended structures, i.e. structures allowing a movement
    • B81B2203/0118—Cantilevers

Definitions

  • the object of the electrostatic actuator for electromechanical microsystems proposes the use of space loading zones to exert electrical forces on the devices that incorporate them, much stronger than those usually achieved by electrostatic actuation.
  • Such devices are electromechanical microsystems (MEMS) and among them, the micro-levers used in atomic force microscope probes or AFM probes.
  • the invention falls, in general, in the technical sector of electromechanical microsystems and, in particular, in that of micro-actuators and microsensors. Within this field, the invention is directly related to the electrical excitation of MEMS used in microsensors.
  • the present invention proposes the use of space loading zones to exert much stronger electric forces than those usually achieved by electrostatic actuation.
  • the devices where said loading zones are incorporated are mainly the MEMS and, within these, the micro-levers used in atomic force microscope probes (AFM probes) which are especially suitable.
  • AFM probes atomic force microscope probes
  • N-type silicon AFM probe for example, with a first metallic layer deposited on one of its sides, where a rectified structure between the first metal layer and the micro lever, which is achieved with the appropriate choice of doping in the micro lever and the metal in the first layer or with a doping layer opposite to that of the micro lever under the metallization of the Ia first layer.
  • a Schottky rectifying heterounion similar to the indicated rectifying structure already exists in some AFM probes that have been metallized on the opposite side of its explorer tip, while from that heterounion its space loading zone is used on which forces of electrical origin are exerted, whereby a rectifying structure of the pn type obtained by means of a suitable doping layer, where a layer of type p will be placed for type n levers, and layers type n for p type levers, under the metallization of The first layer that acts as the first electrode is also valid.
  • the space loading area of the rectifying structure between the metallization of the first layer provided with a contact to be used as the first electrode and a second electrode formed by conductive material (metal, for example) endowed with a second contact and located at a certain distance d from the first electrode.
  • the voltage of the excitation generator applied between the first contact and the second and third contact will, in general, have a DC continuous voltage to polarize both the rectifying connection structure by the first and third contacts, as well as the condenser electrodes and will have a voltage variable in time AC to obtain a variable force on the micro lever and make the end near the tip of the micro lever move or vibrate following the variations of the AC voltage.
  • the third contact is required to allow the passage of small currents that the voltage between first and third contacts makes it flow both by polarizing the union of the rectifying structure (generally in reverse) and by modulating its load zone Of space.
  • This is the new and differentiating aspect of the present invention compared to other forms of electrostatic action: in this invention there are small conduction currents intentionally added to the much lower displacement currents of the capacitive structure formed by the first and second electrode separated by the distance d.
  • the force exerted on the micro lever is much greater than the force that would be between said electrodes separated by the same distance d without having the space loading area of the union of the rectifying structure acting as a modulated internal charge dipole by the own voltage between the electrodes.
  • the force due to the alternate term of the applied voltage varies with the frequency, giving a spectral response of low-pass type, whose bandwidth depends so much on the contact potential of
  • the union of rectifying structure as of the continuous term DC of the applied voltage that polarizes the rectifying structure whose area of space loading, controlled by the applied voltage, determines the force applied on the micro lever. Therefore, the alternating force AC exerted on the micro lever for alternate sinusoidal signals is in phase with the excitation voltage AC when its frequency is low, but tends to be in quadrature (with a 90 ° offset) at high frequencies.
  • a direct industrial application is found in the generation of frequency patterns with great stability.
  • the idea is to use this invention to oscillate a micro-lever like those of the described commercial probe enclosed in vacuum by a glass ampoule.
  • the friction is reduced and the quality factor of the micro-lever vibrating in resonance would be two or three orders of magnitude greater than that observed in air. Thanks to this invention, a fairly wide oscillation could be generated in the micro lever with reasonable voltages so that the energy stored by
  • the micro lever at its resonance frequency was much larger than Ia Small fluctuation (thermal noise) that will always accompany that energy stored by the fact that the micro lever is at a certain temperature T. In this way the effect of that thermal noise would be greatly reduced, which would allow an oscillator to be made with stability of the order of 1 part in 10 7 or better. Stability better than 1 part in 10 5 is achieved if the system operates in air at atmospheric pressure. This would match or exceed what is obtained with oscillators based on quartz crystal resonators, which would be of great interest for frequency patterns midway between quartz watches (good short and medium term stability, bad long term) and Cesium (very good long-term stability and poor short-term stability). Today the requirements in this field for calibration, GPS, metrology, etc. They make it very interesting to have frequency patterns with those characteristics that do not require the long waiting times (heating) of temperature stabilized quartz patterns.
  • FIGURE 1. It shows a sectional cut of how the micro lever is supported with a superior metallization on the stepped electrode. It also shows the way to connect the excitation generator to the assembly to achieve the greatest actuation force on the micro lever that this invention provides.
  • FIGURE 2. Shows a section of the structure of Figure 1 at the end of the micro lever that is free to move and vibrate in response to the force created by the continuous (DC) and alternating (AC) voltages of the excitation generator.
  • FIG. 1 shows an embodiment using commercial AFM probes.
  • the laser light reflective metallization (1) is aluminum and the material of the probe (3) is Silicon type-n because of the way it responds when used according to Figure 1.
  • the doping is in the range ( 1- 5) * 10 17 donors per cm 3, so that a clear Schottky junction (2) will form with aluminum, as required by the present invention, which also works with other materials, doping and metallizations that are simplified here using the AFM probe commercial that makes our invention more easily reproducible.
  • the stepped electrode (6) is a small copper block and at the interface (10) between the probe and the stepped electrode (6) a thin layer of silver epoxy® helps both stick the AFM probe to the copper block, as to improve the electrical contact between the stepped electrode (6) and the micro lever (3), making the third contact (8) connected to the second contact (7) in the copper block be made directly. In other assemblies it would be essential to establish said third contact (8) specifically.
  • the first contact (5) on the metallization can be done by means of a small strip or metal spring which, when pressed on the micro lever (3), fixes the copper block even more, or it can be done by means of a wire connected with micro welding.
  • connection of the generator (9) with its positive DC voltage towards the metallization (1) corresponds to the direct polarization of the Schottky junction (2) of this embodiment which, although it produces the additional force due to our invention , also causes greater currents in direct through the Schottky junction (2). Therefore, using an opposite polarization in the Schottky junction (2) (reverse junction) not only achieves the additional force that this invention proposes, but in this case the forces are even greater because they correspond to more space-loading areas wide and all with small currents through the Schottky junction (2) polarized in reverse.
  • Figure 2 is a diagram of the section perpendicular to the first and second electrodes (1) and (6) represented in Figure 1, wherein said electrodes (1, 6) consist of two metal plates that form a capacitor to which it is applied
  • the AC + DC voltage generator (9) connected between the first contact (5) and the second contact (7) of Figure 1.
  • This difference in the location of the negative and positive charges means that there is a net force on the space load zone, although as a whole the load on both sides of the union is equal or, in other words, the charges that appear on the electrode (6) due to the applied voltage, come closer to the charge + Q of the space charge zone of the junction (2) (in the semiconductor) than to the charge -Q that compensates in the metal, being by both its interaction with the electrode charges (6) more intense than if the space charge region (11) did not exist.
  • the doping of the micro lever should not be very high, so that the difference in position of the centroids of + Q and -Q is as large as possible, being sufficient a moderate doping like those that appear in silicon microelectronic processing.
  • a very high doping would make the ZCE (11) spatially narrower and the net force smaller. Therefore, dopings of the order of 10 17 donor impurities per cm 3 in Silicon type-n or less are adequate and something similar will occur with dopings of the order of 10 17 acceptor impurities per cm 3 in Silicon type-p, or less.
  • the generator voltage (9) creates opposite charges (+ q and -q) on the electrodes (1) and (6) that will be attracted with the weak electrostatic force proportional to the product (q x q ) well known for this type of simple acting. But the same voltage of the generator will polarize the Schottky junction, increasing, if it is inverse, the loads of the space loading zone (+ Q and -Q) in quantities ⁇ Q much greater in general ( ⁇ Q »q) than the load (+ q ) or (-q) that has the electrode (6).
  • the charge q of the electrode (6) when attracting or repelling the dipole charge of the space loading zone will see changes of force proportional to the product ( ⁇ Qxq), modulated by the difference in position between the centroids of + Q and -Q, which turns out to be much larger than the product (qxq) of the classical electrostatic action. Since these changes of charge in the junction (2) are carried out on a certain energy barrier due to the junction itself (Schottky, in this example), the change of charge ⁇ Q in AC is a low-pass function with Ia frequency and hence the signature characteristic of this new mechanism of action: which produces quadrature excitation with the voltage applied when the frequency is high so that the period of the signal is short compared to the time constant of the rectifier union ( 2).

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Abstract

Actuador electrostático para microsistemas electromecánicos que utiliza acumulaciones de carga inducidas usadas como amplificadores de la fuerza electrostática que habría sobre dichos dispositivos sin esas acumulaciones donde las zonas de carga de espacio quedan entre, al menos, dos electrodos (1,6) configurados para que dichas zonas de carga puedan ser moduladas por la tensión aplicada entre dichos electrodos (1,6); y donde, comprende una unión rectificadora (2) entre una metalización propia del primer electrodo (1) y el material 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; todo ello de 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 de la unión (2).

Description

ACTUADOR ELECTROSTÁTICO PARA MICROSISTEMAS ELECTROMECÁNICOS (MEMS)
Objeto de Ia invención. 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.
Campo de Ia invención.
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, Ia invención está directamente relacionada con Ia excitación eléctrica de MEMS utilizados en microsensores.
Antecedentes de Ia invención.
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 Io que denominaremos medios de actuación. En el caso particular de las micropalancas usadas como elementos resonantes en microsensores de alta sensibilidad, cuanta mayor sea Ia precisión con Ia que podamos determinar Ia frecuencia de resonancia de una micropalanca, mayor será su resolución para cuantizar el estímulo que debe medir el microsensor del que forma parte Ia micropalanca. En un sensor gravimetrías, por ejemplo, Ia frecuencia de resonancia de Ia micropalanca disminuye ligeramente y de forma lineal para pequeñas masas añadidas a Ia 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 Ia vibración en resonancia de Ia micropalanca, Ia frecuencia de Ia señal de salida de tal oscilador, ligada a Ia masa instantánea que está en vibración, dará información de cualquier pequeño cambio en tal masa si éste acontece. Con este planteamiento, donde Ia micropalanca actúa como un cristal de cuarzo que, resonando cerca de unos de sus modos de vibración, controla Ia frecuencia de Ia señal del oscilador así construido, no es difícil entender que Ia estabilidad de frecuencia intrínseca de tal oscilador es Ia que definirá Ia mínima variación de masa que resulte posible detectar. Dicho en forma numérica: un cambio de masa que de lugar a 1Hz de variación de frecuencia de resonancia no será bien medido por el oscilador - sensor si Ia frecuencia de su señal de salida tiene una varianza (ruido) mucho mayor, como por ejemplo 37Hz. Y como Ia 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 varios modos de detectar Ia frecuencia de resonancia de una micropalanca que no optimizaban Ia sensibilidad, aunque son de interés para muchas otras aplicaciones.
Se desconoce por parte de los inventores, expertos en Ia materia, de ningún dispositivo o sistema que recoja las características descritas a continuación.
Descripción de Ia invención.
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 Ia 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 Ia primera capa metálica y Ia micropalanca, Io que se logra con Ia adecuada elección del dopaje en Ia micropalanca y del metal en Ia primera capa o bien con una capa de dopaje opuesto al de Ia micro-palanca bajo Ia metalización de Ia primera capa. De hecho, una heterounión rectificadora Schottky similar a Ia 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 Ia que se ejercen fuerzas de origen eléctrico, por Io 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 Ia metalización de Ia primera capa que hace de primer electrodo, es válida también. Ahora bien, para obtener Ia mayor fuerza que otorga esta invención, hay que hacer que Ia zona de carga de espacio de Ia estructura rectificadora quede entre Ia metalización de Ia 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 Ia 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 Ia micropalanca y hacer que el extremo cercano a Ia punta de Ia micropalanca se desplace o vibre siguiendo las variaciones de Ia tensión AC. El tercer contacto, sea este real o parásito, es requerido para permitir el paso de pequeñas corrientes que Ia tensión entre contactos primero y tercero hace fluir tanto al polarizar Ia unión de Ia estructura rectificadora (generalmente en inversa) como al modular su zona de carga de espacio. Este es el aspecto nuevo y diferenciador de Ia presente invenció 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 Ia estructura capacitiva formada por el primer y segundo electrodo separados por Ia distancia d. Así se logra que Ia fuerza ejercida sobre Ia micropalanca resulte mucho mayor que Ia fuerza que habría entre dichos electrodos separados por Ia misma distancia d sin tener Ia zona de carga de espacio de Ia unión de Ia estructura rectificadora actuando como un dipolo de carga interno modulado por Ia propia tensión entre los electrodos. Como resultado final que distingue esta invención del actual estado de Ia técnica, Ia fuerza debida al término alterno de Ia tensión aplicada varía con Ia frecuencia, dando una respuesta espectral de tipo paso-bajo, cuyo ancho de banda depende tanto del potencial de contacto de Ia unión de estructura rectificadora como del término continuo DC de Ia tensión aplicada que polariza Ia estructura rectificadora cuya zona de carga de espacio, controlada por Ia tensión aplicada, determina Ia fuerza aplicada sobre Ia micropalanca. Por ello, Ia fuerza alterna AC ejercida sobre Ia micropalanca para señales senoidales alternas está en fase con Ia tensión de excitación AC cuando su frecuencia es baja, pero tiende a estar en cuadratura (con un desfase de 90°) a frecuencias altas. Esto aumenta el interés de Ia presente invención porque permite excitar micropalancas con señales proporcionales a su velocidad instantánea cuando solo se dispone de Ia señal proporcional a su desplazamiento instantáneo. El desfase aproximado de -90° que este método proporciona puede evitar el empleo de un desfasador fijo de 90°, como por ejemplo, un integrador, muy utilizado en lazos electrónicos que realimentan fuerzas proporcionales a Ia velocidad instantánea de micropalancas.
Una aplicación industrial directa se encuentra en Ia generación de patrones de frecuencia con una gran estabilidad. La idea consiste en usar esta invención para hacer oscilar una micropalanca como las de Ia sonda comercial descrita encerrada en vacío por una ampolla de vidrio. Al oscilar en vacío, Ia fricción se reduce y el factor de calidad de Ia 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 Ia micropalanca con voltajes razonables de modo que Ia energía almacenada por
Ia micropalanca a su frecuencia de resonancia fuese mucho más grande que Ia pequeña fluctuación (ruido térmico) que siempre acompañará a esa energía almacenada por el hecho de que Ia micropalanca está a cierta temperatura T. De este modo el efecto de ese ruido térmico se reduciría enormemente, Io que permitiría hacer un oscilador con estabilidad del orden de 1 parte en 107 o mejor. Una estabilidad mejor que 1 parte en 105 se consigue si el sistema opera en aire a presión atmosférica. Esto igualaría o superaría Io que se obtiene con osciladores basados en resonadores de cristal de cuarzo, Io 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 Ia simplicidad de los electrodos necesarios para utilizar esta invención (casi igual a Ia 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.
Breve descripción de las figuras.
A continuación se pasa a describir de manera muy breve una serie de dibujos que ayudan a comprender mejor Ia 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 Ia micropalanca con una metalización superior sobre el electrodo escalonado. Asimismo se muestra Ia forma de conectar el generador de excitación al conjunto para lograr Ia mayor fuerza de actuación sobre Ia micropalanca que esta invención proporciona. FIGURA 2.- Muestra una sección de Ia estructura de Ia figura 1 en el extremo de Ia micropalanca que queda libre para moverse y vibrar como respuesta a Ia fuerza creada por las tensiones continua (DC) y alterna (AC) del generador de excitación.
Realización preferente de Ia invención.
La disposición de Ia figura 1 muestra una realización utilizando sondas AFM comerciales. En estas sondas Ia metalización reflectora de luz láser (1) es de aluminio y el material de Ia sonda (3) es Silicio tipo-n por Ia forma en que responde cuando se utiliza según Ia figura 1. El dopaje está en el rango (1- 5)*1017 donadores por cm3 por Io que formará una clara unión Schottky (2) con el aluminio, como requiere Ia presente invención, que también funciona con otros materiales, dopajes y metalizaciones que aquí se simplifican usando Ia sonda AFM comercial que hace más fácilmente reproducible nuestra invención. El electrodo escalonado (6) es un pequeño bloque de cobre y en Ia interfase (10) entre Ia sonda y el electrodo escalonado (6) una fina capa de epoxi® de plata ayuda tanto a pegar Ia sonda AFM al bloque de cobre, como a mejorar el contacto eléctrico entre el electrodo escalonado (6) y Ia 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 Ia metalización se puede hacer mediante un pequeño fleje o muelle metálico que al presionar sobre Ia micropalanca (3), Ia fija aún más al bloque de cobre, o se puede hacer mediante un hilo conectado con microsoldadura. Para esta sonda comercial, Ia conexión del generador (9) con su tensión DC positiva hacia Ia metalización (1) corresponde a Ia polarización en directa de Ia unión Schottky (2) de esta realización que, aunque produce Ia fuerza adicional debida a nuestra invención, también origina mayores corrientes en directa a través de Ia unión Schottky (2). Por ello, usando una polarización contraria en Ia unión Schottky (2) (unión en inversa) no sólo se logra Ia 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 Ia unión Schottky (2) polarizada en inversa. Con una tensión inversa de unos 3V se tienen constantes de tiempo en Ia unión Schottky (2) que dan una frecuencia de corte entre 100 y 200Hz, por Io que Ia fuerza ejercida a unos 13kHz por ejemplo, frecuencia cercana a Ia de resonancia de una de las tres micropalancas (3) que tiene esta sonda comercial, prácticamente se ejerce en cuadratura con Ia señal AC del generador de excitación.
La figura 2 es un esquema de Ia sección perpendicular a los primer y segundo electrodos (1) y (6) representados en Ia 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 Ia figura 1. Según el eje X dibujado en Ia figura 2, el primer electrodo (1) es Ia metalización que está situada en x=0 y Ia 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 Ia figura 2, es Ia que existe en Ia unión Schottky (2) entre el primer electrodo (capa metálica) (1).y Ia micropalanca (3). Para este ejemplo de unión formada entre el material silicio tipo n de Ia micropalanca (3) y Ia metalización del primer electrodo (1), de aluminio, por ejemplo, puede verse que, aunque tal zona de carga de espacio es d ¡polar (tiene tanta carga positiva +Q como negativa -Q), su centroide para Ia carga positiva queda a Ia derecha del primer electrodo (1), es decir, dentro del material de Ia micropalanca (3), mientras que el centroide de Ia carga negativa queda justo en Ia 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 Ia zona de carga espacial, aunque en conjunto Ia carga a ambos lados de Ia unión sea igual o, dicho de otro modo, las cargas que aparezcan sobre el electrodo (6) debido a Ia tensión aplicada, ven más cerca a Ia carga +Q de Ia zona de carga espacial de Ia unión (2) (en el semiconductor) que a Ia carga -Q que Ia compensa en el metal, siendo por tanto su interacción con las cargas del electrodo (6) más intensa que si no existiera Ia región de carga de espacio (11). Para que las cargas sobre el electrodo (6) puedan ejercer esta fuerza sobre las cargas de Ia ZCE (11) el dopaje de Ia micropalanca no debe ser muy alto, para que Ia diferencia de posición de los centroides de +Q y -Q sea Ia mayor posible, siendo suficiente un dopaje moderado como los que aparecen en el procesado microelectrónico del silicio. Un dopaje muy alto haría que Ia ZCE (11) fuese espacialmente más estrecha y que Ia fuerza neta fuera más pequeña. Por ello dopajes del orden de 1017 impurezas donadoras por cm3 en Silicio tipo-n o menores resultan adecuados y algo similar ocurrirá con dopajes del orden de 1017 impurezas aceptoras por cm3 en Silicio tipo-p, o menores. El funcionamiento de Ia invención es como sigue: Ia tensión del generador (9) crea cargas opuestas (+q y -q) en los electrodos (1) y (6) que se atraerán con Ia débil fuerza electrostática proporcional al producto (qxq) bien conocida para este tipo de actuación simple. Pero Ia misma tensión del generador polarizará Ia unión Schottky aumentando, si es inversa, las cargas de Ia zona de carga de espacio (+Q y -Q) en cantidades ΔQ mucho mayores en general (ΔQ»q) que Ia carga (+q) o (-q) que tenga el electrodo (6). Por ello Ia carga q del electrodo (6) al atraer o repeler a Ia carga dipolar de Ia zona de carga de espacio, verá cambios de fuerza proporcionales al producto (ΔQxq), modulados por Ia diferencia de posición entre los centroides de +Q y -Q, que resulta ser mucho mayor que el producto (qxq) de Ia actuación electrostática clásica. Como estos cambios de carga en Ia unión (2) se llevan a cabo sobre cierta barrera de energía debida a Ia propia unión (Schottky, en este ejemplo), el cambio de carga ΔQ en AC es una función de tipo paso-bajo con Ia frecuencia y de ahí Ia firma característica de este nuevo mecanismo de actuación: que produce excitación en cuadratura con Ia tensión aplicada cuando Ia frecuencia es alta de modo que el periodo de Ia señal es corto en comparación con Ia constante de tiempo de Ia unión rectificadora (2).

Claims

REIVINDICACIONES.
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 Ia 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
Ia 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 Ia unión rectificadora (2) está polarizada en inversa.
5. Actuador electrostático según cualquiera de las reivindicaciones 1-4, donde Ia unión rectificadora (2) es una unión Schottky.
6. Actuador electrostático según cualquiera de las reivindicaciones 1-4, donde Ia unión rectificadora (2) es de tipo PN.
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