Los sistemas microelectromecánicos (MEMS) ofrecen una amplia gama de aplicaciones potenciales en el campo de la nanotecnología. La detección de la posición de los teléfonos móviles o su uso en airbags, cámaras digitales o marcapasos son ejemplos cotidianos. Otras aplicaciones se encuentran sobre todo en el campo del diagnóstico médico miniaturizado. Un equipo de investigación de la Universidad Tecnológica de Chemnitz trabaja en este tipo de accionamientos MEMS mediante termografía. De este modo se obtienen conocimientos y se optimizan los microaccionamientos térmicos.
Fig. 1: Imagen termográfica de un actuador controlado por MEMS con tres grados de libertad y accionamientostérmicosLos sistemasmicroelectromecánicos(MEMS) ofrecen una amplia gama de posibles aplicaciones en el campo de la nanotecnología. El reconocimiento de la posición de los teléfonos móviles o el uso en airbags, cámaras digitales o marcapasos son ejemplos cotidianos. Otras aplicaciones pueden encontrarse especialmente en el campo del diagnóstico médico miniaturizado. En la TU Chemnitz, un equipo de investigación está trabajando en este tipo de accionamientos MEMS mediante termografía. Esto permite comprender y optimizar los microaccionamientos térmicos.
La micromecánica se considera un pilar de las futuras aplicaciones nanotecnológicas. La creciente demanda de miniaturización afecta tanto a las soluciones de sistema necesarias como a los sensores y elementos de control que hay que desarrollar. La Cátedra de Microsistemas y Tecnología Médica de la Universidad Politécnica de Chemnitz trabaja en microaccionamientos basados en MEMS, destinados a servir de plataforma de control para investigaciones sobre nanocomponentes y con un tamaño de sólo unos micrómetros.
Microaccionamientos térmicos para nanotecnologías
Al igual que las mesas de posicionamiento electromecánicas convencionales con tres grados de libertad, los sistemas micromecánicos están diseñados para permitir movimientos horizontales y verticales de gran precisión de los componentes. La cátedra cuenta con más de 20 años de experiencia en el campo de los actuadores electrostáticos.
Fig. 2: Comparación de una imagen microscópica con una imagen termográfica de alta resolución tomada con un ImageIR 9300 y un objetivo de microscopio de 8Å~.
Fig. 3: Imagen detallada de uno de los elementos de accionamiento MEMS utilizados (valores relativos de temperatura)Sin embargo, estos accionamientos electrostáticos no son adecuados para los elementos de control que aquí se presentan, ya que las correspondientes investigaciones de MEMS se llevan a cabo en microscopios electrónicos, cuyos campos tendrían un efecto de interferencia. Por ello, se utilizan como alternativa los accionamientos térmicos, en los que el calentamiento resultante de la energía eléctrica se convierte en movimiento.
En la Universidad Tecnológica de Chemnitz ya se han desarrollado prototipos que permiten movimientos con una precisión de hasta 2 μm y 0,3º. Para lograr tal precisión, es preciso analizar con precisión los parámetros del material de los actuadores utilizados. Y en el caso de los actuadores térmicos, el factor más importante es medir la temperatura del componente con la mayor precisión posible. Para ello se utiliza el sistema Infratec ImageIR 9300, que permite obtener la resolución termográfica y la evaluación necesarias al examinar los actuadores miniaturizados.
Debido a las reducidas dimensiones y características mecánicas de estos inusuales objetos de medición, las exigencias a la cámara termográfica utilizada son extremadamente altas. Dado que los componentes sólo miden unos pocos micrómetros, se requiere una óptica de microscopio de infrarrojos con el mayor aumento posible. El gran detector de infrarrojos de la ImageIR 9300 con (1280 Å~ 1024) píxeles IR también permite capturar los componentes periféricos alrededor de los actuadores.
Resolución limitada por difracción
El sistema con un objetivo de microscopio de 8,0 Å~ se utiliza en la Universidad Tecnológica de Chemnitz. Con el rango espectral de 1,5 a 5,5 μm utilizado, se ha alcanzado el límite físico de la capacidad de resolución. Gracias a las determinaciones experimentales de la emisividad de los distintos materiales de ensayo, los valores medidos obtenidos permiten determinar los coeficientes de disipación de calor y otros parámetros del material. El análisis se realiza mediante el software de termografía Irbis 3 professional. Además, para la termografía activa en tiempo real se utiliza una estación de ensayo de termografía lock-in con el software InfraTec Irbis active. Dado que las mediciones se realizan en silicio y aluminio, los coeficientes de emisividad son muy bajos y requieren una aplicación cuidadosa de modelos de corrección especiales.
Resultados
Los resultados presentados ilustran muy claramente los procesos térmicos dentro de las estructuras MEMS. No obstante, quedan detalles por aclarar:
- Se está trabajando en el rediseño de los actuadores para reducir la diafonía térmica entre componentes.
- La búsqueda de un método de medición para la detección holística del movimiento basado en el análisis automatizado de las imágenes termográficas.
Otro objetivo es el intento de cuantificar la amortiguación termoelástica en los muelles MEMS a frecuencias de excitación de hasta 10 kHz aproximadamente. Estas investigaciones también requieren la interfaz de disparo de alta precisión del sistema termográfico utilizado para poder realizar un seguimiento rápido y preciso con ayuda de la termografía activa.
Fig. 4: Perfil de temperatura de la figura 3 con valores relativos de temperatura
En este punto, la capacidad de la termografía lock-in para visualizar las diferencias de temperatura más pequeñas será cada vez más importante. Especialmente en el campo del diagnóstico y análisis médico miniaturizado, las aplicaciones futuras harán un uso aún mayor de los componentes nanotecnológicos. Mediante las investigaciones presentadas y el uso de la termografía, los investigadores de la TU están adquiriendo conocimientos sobre el comportamiento de los componentes MEMS necesarios para ello, con el fin de avanzar significativamente en su desarrollo.
