Inmersión profunda en mecanismos de actuación y sensado MEMS: Guía para diseño avanzado de sensores

Resumen

En las últimas décadas, el avance en dispositivos de Sistemas Microelectromecánicos (MEMS) es altamente demandado para integrar sensores miniaturizados económicamente con tecnología de fabricación. Un sensor es un sistema que detecta y responde a múltiples entradas físicas y las convierte en formas analógicas o digitales. El sensor transforma estas variaciones en una forma que puede utilizarse como marcador para monitorear la variable del dispositivo. Los MEMS exhiben excelente factibilidad en sensores de miniaturización debido a su pequeña dimensión, bajo consumo de energía, rendimiento superior y fabricación en lote. Este artículo presenta los desarrollos recientes en mecanismos estándar de actuación y sensado que pueden servir a dispositivos basados en MEMS, lo que se espera revolucione casi muchas categorías de productos en la era actual. Los principios destacados de actuación, mecanismos de sensado y aplicaciones reales también se han discutido. La comprensión adecuada de los mecanismos de actuación y sensado para dispositivos basados en MEMS puede jugar un papel vital en la selección efectiva para diseño de aplicaciones novedosas y complejas.

Introducción

Sensores y actuadores se denominan colectivamente transductores, que sirven para transformar señales o potencia de un dominio energético a otro [1, 2]. Una amplia gama de instrumentos de transducción convierten señales físicas en señales eléctricas (sensores). Además, las señales de salida se procesan further por sistemas electrónicos usando circuitos integrados (ICs), como convertir señales eléctricas en señales físicas (actuadores) [3]. Particularmente, los sensores son dispositivos que detectan y monitorean fenómenos físicos (vibración, presión, flujo) o variaciones de composición (conductividad eléctrica y potencial de hidrógeno pH). Los sensores convierten variaciones en una forma particular que puede utilizarse para marcar o controlar variables medidas [4, 5], mientras que los actuadores se utilizan para producir movimiento mecánico y fuerza/par. En otras palabras, el sensado puede definirse ampliamente como procesos de transducción de energía que resultan en percepción, mientras que la actuación son procesos de transducción de energía que producen acciones. Los sensores constan de tres partes: elemento sensor para detectar cantidad física y química, transductor para convertir el parámetro detectado en señal eléctrica, dispositivo de lectura como computadora que se usa para leer e interpretar la señal convertida.

El rendimiento de sensores se ha evaluado por varios parámetros característicos, como sensibilidad, resolución y precisión, etc. La sensibilidad determina el valor mínimo de concentración de sustancia objetivo. La resolución se refiere a una relación entre las magnitudes máximas medidas y la parte más pequeña que puede determinarse. Al mismo tiempo, la precisión se define como la cantidad de incertidumbre en medición respecto a un estándar absoluto, y puede influir directamente en el análisis cualitativo del sensor [6]. Mientras que el límite de detección (LOD) es la cantidad más baja de una sustancia que puede distinguirse por el sensor, donde la capacidad de un sensor para identificar una sustancia particular. Además, el tiempo de respuesta es el período particular cuando la concentración alcanza cierto límite cuando el sensor produce señal de advertencia y el tiempo de recuperación es el período tras el proceso de detección para el material sensor que toma para recuperar y restaurar su estado base.

En las últimas décadas, avances en tecnologías de fabricación de dispositivos microelectrónicos han producido sistemas de dispositivos convincentes, precisos y de alto rendimiento. La tecnología se ha comprimido al punto donde podemos hacer dispositivos tan diminutos que no son perceptibles al ojo humano. Los sistemas microelectromecánicos (MEMS) involucran la innovación de diminutos dispositivos que pueden representar modelos como sensores o actuadores. El desarrollo continuo en el campo de MEMS promete equipos electrónicos miniaturizados optimizados y de ahorro de costos [7-9]. Las dimensiones típicas de dispositivos MEMS generalmente se miden en decenas o cientos de micras. Utilizar los mismos métodos de fabricación es como construir microprocesadores. Actualmente, sensores y actuadores pueden construirse a escala similar con chips de microprocesador. En desarrollos recientes, la fabricación en lote a microescala de sensores de presión, temperatura, inerciales, etc., se ha demostrado para escala de lote usando unidad de manejo de chip similar. La superposición precisa de un sistema en un chip puede permitir la operación de sistemas complejos [10, 11].

MEMS es una tecnología fabricada usando materiales semiconductores e incorpora componentes mecánicos, sensores, actuadores y elementos electrónicos en un sustrato de silicio general con tamaños de característica desde unos milímetros a micras [12]. Estos sistemas pueden realizar operaciones de sensado, control y actuación a microescala, que pueden operar individualmente o en masa para producir efecto a macroescala. La tecnología MEMS ha considerado la combinación de microelectrónica con tecnología de micromecanizado en una oblea Si típica en dispositivos semiconductores de óxido metálico típicos [13]. En tiempos recientes, la tecnología MEMS ha crecido significativamente para reconocer diferentes tipos de sensores y actuadores naturales. Además, se ha utilizado en fabricación de sensores miniaturizados en gran número de aplicaciones debido a bajas potencias nominales [14], respuesta rápida, fabricación en array a medidas mecánicas, facilidad, bajo costo y mejor sensibilidad. Significativamente, la relación superficie-volumen del material sensor se ha incrementado sustancialmente, lo que ha reducido finalmente la temperatura de operación del sensor basado en óxido metálico y ha aumentado la demanda de materiales de expansión [15-17].

Recientemente, sensores basados en óxido metálico como dióxido de titanio (TiO₂), dióxido de estaño (SnO₂) y óxido de zinc (ZnO) se han vuelto el tipo más atractivo de sensores para detección de gases [18]. El principio de funcionamiento de la técnica de semiconductor de óxido metálico (MOS) depende del cambio en resistividad de un semiconductor de óxido metálico usado como material aceptor cuando se expone a un gas analito durante detección [19]. Sin embargo, la alta sensibilidad de estos sensores solo se lograría a temperaturas de operación elevadas [20], además también hay problemas de selectividad. Un enfoque alternativo es combinarlo con otros componentes sensores, particularmente nanopartículas de metales nobles (Au, Ag, Pd, Pt), para superar las barreras mencionadas, debido a las ventajas extremas de sensibilización química y electrónica [21-23].

Los dispositivos MEMS pueden fabricarse en MEMSCAP US a través de procedimientos MUMPs (MEMS Multi-Usuario). MUMPs es un programa comercial que da creación práctica de MEMS de prueba de concepto a investigación industrial y académica. En general, MEMSCAP proporciona tres procedimientos estándar como aspecto significativo del paquete MUMPs: PolyMUMPs, descrito como procedimiento de microfabricación de superficie de tres capas de polisilicio, MetalMUMPs, que es un procedimiento de niquelado por electroplating, y SOIMUMPs, presentado en un procedimiento de microfabricación silicon-on-insulator [24]. Los procedimientos MEMS han desarrollado desde tecnologías únicas de fabricación de dispositivos semiconductores: deposición, patrón y grabado de capas de material [7, 25]. Los pasos de tecnología de fabricación MUMPs se muestran en el manual de reglas de diseño [24]. A pesar de tecnología de fabricación, los sensores MEMS se han usado ampliamente como instrumentación o problemas de confort humano en aplicaciones industriales y domésticas. Debido a las diversas condiciones de trabajo de sensores MEMS en diferentes campos de aplicación (desde uso interno a exteriores), diferentes tipos de sensores MEMS han sido modelados basados en varios principios de trabajo y diferentes materiales sensores. Los sensores MEMS son esenciales en sistemas de detección de gases, que incluyen sensores de humedad y gases tóxicos [19].

MEMS es un dominio amplio y cubre casi cada aspecto de nuestra vida presente, como sensores y actuadores. Los dominios emergentes de microsistemas electrónicos, incluyendo casi todas las categorías de productos en formas miniaturizadas, han contribuido a un desarrollo rápido en el campo de técnicas de actuación y sensado en sus procesos de producción e integración. La eficacia de una aplicación objetivo depende críticamente de la selección adecuada de un actuador específico. Además, la eficiencia básica del actuador depende de diferentes factores como métodos de potencia y control, compatibilidad, grado de empaquetado necesario y rentabilidad. Este artículo proporciona un análisis exhaustivo de las tecnologías de actuación y sensado MEMS investigadas para sus aplicaciones funcionales, con énfasis en muchas formas comunes de transducción, para promover el avance de esta área emergente mientras se abordan estos factores principales. El resto del artículo se organiza como sigue. Sección II introduce los Sistemas Micro-Electro-Mecánicos. Sección III presenta una breve revisión de mecanismos de actuación (diferentes principios y enfoques para actuar dispositivos MEMS incluyen: actuación electrostática, electrotérmica, electromagnética y piezoeléctrica). Sección IV introduce una breve visión general de mecanismos de sensado incluyen sensado piezorresistivo, capacitivo y óptico, y sección V presenta una discusión adicional sobre perspectivas de dispositivos basados en MEMS, finalmente, sección VI proporciona conclusiones y tendencias futuras.

Sistemas Micro-Electro-Mecánicos

La primera aparición de lo que hoy se conoce como tecnología MEMS se remonta al 1 de abril de 1954, cuando Smith (1954) publicó un artículo en Bell Telephone Lab como Physical Review. Esta es la primera descripción de algunos efectos sensibles al estrés en silicio y germanio, llamados piezorresistores [26]. MEMS no es la abreviatura principal especialmente razonable debido a la enorme amplitud y variedad de dispositivos y sistemas que han sido miniaturizados (el campo no es solo sistemas micro, eléctricos y mecánicos). No obstante, la abreviatura MEMS es la más comúnmente utilizada para referirse a todo el campo (todos los dispositivos resultantes de micromecanizado excepto IC), también escrita como micro-electro-mecánico, Microelectromechanical o microelectrónico y MEMS en Estados Unidos) [3]. Diferentes nombres para esta área general de miniaturización involucran Tecnología de Microsistemas (MST) famosa en Europa [27], y Micromecánica famosa en Asia [28]. Los dispositivos MEMS involucran un amplio alcance de dominios para medir información del entorno circundante y convertirla en señales eléctricas útiles. Hay seis dominios energéticos principales de interés:

1. Dominio eléctrico (involucra campo eléctrico, corriente, voltaje, resistencia, carga, capacitancia, inductancia, constante dieléctrica, polarización y frecuencia).

2. Dominio químico (incluye composición, tasa de reacción, concentración, pH y potencial de oxidación o reducción).

3. Dominio mecánico (involucra longitud, anchura, área, todas las derivadas temporales como velocidad, aceleración, flujo másico, volumen, fuerza, presión, par, longitud de onda acústica e intensidad acústica).

4. Dominio térmico (incluye temperatura, flujo, calor, calor específico, entropía y estado de cualquier materia).

5. Dominio radiativo (involucra intensidad, fase, polarización, longitud de onda, reflectancia, transmitancia e índice de refracción).

6. Dominio magnético (incluye intensidad de campo, permeabilidad, densidad de flujo y momento magnético).

Estos dominios energéticos y parámetros comúnmente encontrados dentro de ellos se resumen en (Tabla 1). La energía total dentro de un sistema puede coexistir en varios dominios y puede desplazarse entre varios dominios bajo las circunstancias adecuadas [1, 29].

Según la operación del chip diseñado, los MEMS pueden dividirse en diferentes categorías. Pueden usarse para ejecutar sensado para medición, monitoreo y detección de gases peligrosos. Otra clasificación es usar MEMS como dispositivo de tipo acción que actúa sobre el cuerpo o con materiales del cuerpo, como fluidos o actuando fuera del cuerpo, como dispositivos usados en sistemas de administración de fármacos. Los dispositivos MEMS se han incorporado en cuatro categorías distintas basadas en áreas de aplicación principales (Fig. 1), que incluyen: fluídicos, Radiofrecuencia (RF), ópticos y bio-MEMS [10, 30-33].

Categorización de dispositivos MEMS

Para la mayoría de tecnologías presentes, los sensores MEMS son un nuevo campo preferido para muchas aplicaciones prácticas desde electrónica de consumo a industria aeronáutica. La característica más importante de MEMS es la capacidad de comunicar eficazmente con componentes eléctricos en chips semiconductores, y la industria de sensores ha sido revolucionada usando tecnología MEMS combinando funciones electrónicas y acciones mecánicas [34], normalmente tienen bajo consumo de energía y alta sensibilidad debido al tamaño pequeño [35, 36]. Los dispositivos sensores basados en MEMS tienen muchas ventajas que los hacen jugar papel importante en diversas aplicaciones. Estas ventajas incluyen bajo costo debido a potencialidad de fabricación en array [37, 38], bajo consumo de energía [37-40] y tamaño pequeño [38-42]. También MEMS tiene muchas otras ventajas, como ligereza, alta resolución, rendimiento estable y facilidad de integración con otros dispositivos y sistemas. Reducciones de dispositivo micromecánico a micromecánico se han mejorado en varias áreas, por ejemplo, sensores inerciales, sensores químicos, impresoras de inyección de tinta, giroscopios, satélites, comunicaciones RF, smartphones, sensores de presión, acelerómetros, instrumentación biomédica [43], aplicaciones militares, sensores de movimiento y fuerza [44]. Además, el bajo costo y simplicidad del proceso de fabricación juegan papel crucial en fabricación comercial [45].

Según el principio de funcionamiento, los dispositivos sensores pueden dividirse en dos categorías basadas en el principio de funcionamiento: modo estático y dinámico de operación del dispositivo [46, 47]. Cuando los dispositivos MEMS se basan en modo estático, una señal de frecuencia no está incluida. Además, la viga se desvía debido a la masa de adsorción superficial, lo que causará resultados temporales de estrés y deformación estructural. Puede detectarse ópticamente o sensarse por cambios en el piezorresistor. Cierto enlace químico surge en la superficie del dispositivo, y la nanomecánica interna puede doblar la detección de viga MEMS [46]. En modo dinámico, para obtener rendimiento óptimo del dispositivo, se debe estimular una frecuencia resonante mecánica. La amplitud máxima que puede lograrse por el sistema vibratorio y excitar una resonancia máxima en un sistema específico se llama frecuencia de resonancia. En la cual la frecuencia resonante es afectada por dos parámetros principales: la constante del resorte de la viga y su masa efectiva, y cambiará según estos parámetros. Este es el principio de funcionamiento para utilizar el cambio en frecuencia de resonancia como medio de detección. El factor de calidad tiene que ser alto para obtener la sensibilidad y resolución deseadas [48, 49]. Es necesario entender y comparar estos mecanismos ya que son la base de la operación de dispositivos basados en MEMS y detección de señal de salida.

Técnicas de Actuación

La técnica de actuación es un término dado al mecanismo que transforma la energía de entrada en movimiento de microestructura. Hay diferentes principios y enfoques para actuar dispositivos MEMS [7, 50-55], los más importantes de los cuales incluyen: actuación electrostática [56-64], electrotérmica [4, 44, 65-68], electromagnética [7, 69] y piezoeléctrica [48, 70] (Fig. 2). Dispositivos sensor CMOS-MEMS complementarios están diseñados para trabajar con actuación electrostática usando capacitores de placa paralela o actuación electrotérmica usando microcalentador. Por otro lado, dispositivos sensor PolyMUMPs y MetalMUMPs están diseñados para usar actuación electrotérmica usando microcalentadores integrados [71].

Técnicas de actuación de dispositivo sensor basado en MEMS

Los dispositivos basados en MEMS podrían ser actuados aplicando una fuerza sinusoidal F(t) a través de uno de los métodos de actuación mencionados. La Ecuación (1) se usa para encontrar la ecuación general de movimiento ya que M es la masa total de la placa superior, b es el coeficiente de amortiguamiento, k constante del resorte de la viga flexible,

$$M\ddot{\gamma} + b\dot{\gamma} + k\gamma = F(t) \tag{1}$$

donde F representa la amplitud de la fuerza de conducción externa en dirección z, \(\ddot{\gamma}\), \(\dot{\gamma}\) y γ son la aceleración, velocidad y desplazamiento de la masa, respectivamente.

Los actuadores electrostáticos son bastante extendidos; tienen tiempo de respuesta rápido y bajo consumo de energía [72]. Por otro lado, los actuadores que usan principio electrotérmico son populares; tienen gran fuerza de conducción y desplazamiento bajo voltaje de conducción bajo. Los actuadores electromagnéticos tienen algunos méritos como respuesta rápida, gran desplazamiento. Los actuadores que usan principio piezoeléctrico tienen alta sensibilidad aunque pequeña fuerza de conducción y desplazamiento por voltaje unitario. Por tanto, una buena comprensión del principio que tiene lugar es esencial para obtener un dispositivo de alto rendimiento con uno de estos enfoques de actuación.

Actuación Electroestática

La fuente principal de la actuación electrostática es el campo eléctrico del capacitor, y se basa en la fuerza atractiva entre dos placas paralelas con cargas opuestas [12]. La actuación electrostática se basa en la ley de Coulomb que describe la fuerza recíproca entre dos cargas con cierta distancia generada entre placas fija y móvil. La actuación electrostática se considera uno de los mecanismos más populares para actuar dispositivos MEMS. Tienen diseño simple, tiempo de respuesta rápido, facilidad de fabricación y bajo consumo de energía. Sin embargo, la no-linealidad y el valor elevado del voltaje de conducción es el principal problema de este tipo de actuador [72]. Algunos tipos de actuación electrostática deben considerarse cuidadosamente al estudiar MEMS bajo actuación electrostática. Las formas más prevalentes se basan en capacitor consistente en dos placas paralelas simples o estructura de peine con dedos interdigitados o no interdigitados múltiples [72, 73]. Un método convencional [74] es la actuación de placa paralela en la que la placa móvil superior tiene cierta polaridad, y la placa fija inferior tiene polaridad opuesta (Fig. 3). El desplazamiento y vibración de la placa móvil dependen de la diferencia de voltaje entre las dos placas. Cuando la polaridad de las cargas son similares, habrá desplazamiento repulsivo entre placas fija y móvil, pero cuando las dos placas tienen cargas diferentes, la placa móvil será atraída hacia la placa fija. La actuación resulta cuando el tipo de cargas en la placa móvil se cambian periódicamente [50, 56, 74].

Capacitor de placa paralela para actuación electrostática [75]

La inestabilidad pull-in es uno de los principales problemas cuando la placa paralela es impulsada electrostáticamente porque la placa fija está justo debajo de la microviga y la fricción estática causa el colapso del dispositivo [74, 76]. Los actuadores de peine consisten en dos conjuntos de peines de estructuras de dedos interdigitados (Fig. 4). Comúnmente se colocan en la misma placa paralela al sustrato donde un dedo de peine es fijo, y el otro está conectado a estructuras flexibles (ej. resortes) para moverse hacia y desde la placa fija [72]. Cuando se aplica un voltaje diferente entre los dedos de peine móvil y fijo, la fuerza electrostática de los campos de franja atrae los dos peines juntos por una fuerza sinusoidal externa fija. Comúnmente, los capacitores de placa paralela son más fuertes que actuadores de peine por unidad de área porque tienen mayor capacitancia de solapamiento entre placa fija y móvil del actuador. Sin embargo, los diseñadores prefieren actuadores de peine debido a dos razones principales: producen mayor desplazamiento (unas decenas de micrómetros disponibles), y la fuerza es relativamente no relacionada con el desplazamiento. En general, la actuación electrostática ha encontrado amplias aplicaciones en actuador micromecánico [77], aplicación biosensor [56], detección de humedad [57], aplicaciones de sensado de partículas y masa [50, 78], sistema de nanoposicionamiento MEMS [58], aplicaciones de interruptor RF MEMS [13, 79], ruido de bucle cerrado de osciladores MEMS [60], navegación (sistema de posicionamiento global GPS automóvil) [62, 80], giroscopios [81], detección de biomarcadores en aliento exhalado [82] y sensores de gas sensibles a masa [63]. Además, el modelo teórico de dispositivo sensor CMOS-MEMS actuado electrostáticamente y sensado capacitivo para screening no invasivo de diabetes también fue reportado. Donde el screening diabético se condujo mediante detección de vapor de acetona en aliento exhalado (EB), donde polímero quitosano se usó como material sensor. Específicamente, se reportó sensibilidad optimizada約 0,042, 0,066, 0,13, 0,18 y 0,26 pm/ppm [83].

Esquemático de configuraciones de actuador electrostático de peine [84, 85], a actuador de peine interdigitado longitudinal; b actuador transversal.

Para excitar un dispositivo MEMS en condición resonante o modo de vibración, una conducción alternativa debe realizarse aplicando voltaje AC entre las dos placas de estator y rotor. Los modos de conducción estándar se muestran como sigue [49]: voltaje alternativo simple (V₁sinωt), voltaje alternativo con sesgo dc (V₀ + V₁sinωt) y conducción push-pull (Fig. 5). La conducción push-pull se considera generalmente la mejor solución porque fuerzas estructurales pueden aplicarse a ambos lados del rotor. Push-pull es una conducción ideal apropiada para esquema de peine [49].

Resonador de conducción de peine a Conducción de voltaje alternativo simple, b voltaje alternativo con sesgo dc, y c esquema de conducción push-pull [86].

Actuación Electrotérmica

Las técnicas electrotérmicas se utilizan mayormente en accionamientos MEMS mientras rara vez en aplicaciones de sensado [72]. La técnica electrotérmica es esencialmente apropiada para configuración flexible para generar movimiento con desplazamiento deseado. La conducción se realiza por corriente AC aplicada a través de terminales del microcalentador integrado debido a la fuerza térmica resultante como respuesta a la diferencia de temperatura de las diferentes capas [66]. El microcalentador está hecho de componentes de diferentes capas de material y opera a temperaturas elevadas. Cuando se aplica corriente AC, la temperatura del dispositivo sube; debido al desajuste en el coeficiente de expansión térmica (CTE) de los diferentes materiales, el material se expande, causando estrés térmico que causa que el dispositivo se doble [72]. Por otro lado, el enfoque de enfriamiento puede ser accesible por conducción al sustrato y convección al aire circundante (o líquido).

Estos cambios de temperatura afectan el dispositivo de dos formas, como se reporta en [44, 87]: (1) cambios dimensionales en el dispositivo o tensiones generadas dentro del dispositivo, y (2) propiedades del material del dispositivo varían con temperatura. La técnica actual necesita compactarse al microcalentador. El microcalentador genera el calor deseado debido a corriente específica aplicada al resistor puede resultar en baja disipación de potencia y tiempo de respuesta rápido. La fuerza electrotérmica puede describirse por (2) [88].

$$F_{th} = \alpha_T A E (T - T_0) \tag{2}$$

donde α_T es el CTE, E es el módulo de Young de la viga, A es el área de sección transversal de la viga, T es la temperatura final, y T₀ es temperatura inicial antes de calentar. Varios materiales se han usado en diseños de microcalentador. Por ejemplo, para lograr mejor rendimiento, precisión, amplio rango de temperatura y estabilidad, platino y oro serán las mejores decisiones para el microcalentador [89]. Sin embargo, son costosos [90]. Utilizar microcalentadores en sensores MEMS necesita un sensor de temperatura integrado para convertir el calor producido en salida útil. Para sensores de temperatura, platino está disponible en rango -200 °C a 800 °C y níquel en -100 a 260 °C [90]. Según reportes, aluminio también es buen material para sensado de temperatura [91]. La Figura 6 muestra los mecanismos comunes de actuación electrotérmica que incluyen Actuador U-Beam (brazo caliente/frío), actuador bimorfo (actuador bi-material) y actuadores de pandeo (Actuador V-Beam o vigas de transporte).

Esquemático de actuación electrotérmica a Actuador U-Beam (brazo caliente/frío), b actuador bimorfo (actuador bi-material), c y d actuadores de pandeo (Actuador V-Beam y vigas de transporte) [67, 92].

Los actuadores U-beam también se conocen como brazos caliente/frío, donde el actuador está hecho de un brazo estrecho (caliente), un brazo ancho (frío) ancla y pads de contacto [67, 92]. Se utiliza principalmente para incitación en plano u horizontal comparativo con el sustrato. El principio de funcionamiento en esta técnica depende de aplicar voltaje diferencial sobre los pads de contacto, corriente fluye a través de los brazos, y los brazos calientes (mayor resistencia) se calientan más densidad de corriente que el brazo frío (menor resistencia). Un brazo caliente más estrecho es, por tanto, más caliente y se expandirá más que un brazo más grueso. El brazo caliente produce grandes tensiones térmicas. Esta deformación diferencial entre ambos brazos hace que todo el dispositivo se desvíe.

Un actuador bimorfo, también referido como bi-material, consiste en dos materiales de expansión térmica diferentes unidos. A diferencia de los dos primeros actuadores, el actuador bimorfo [93] se usa típicamente para actuación fuera de plano. Al pasar corriente a través de la viga, la temperatura del material aumenta. Esta temperatura producirá mayor expansión en un material que en el otro porque tiene diferente coeficiente de expansión térmica, resultando en estrés térmico y doblado del dispositivo.

Los actuadores de pandeo térmico consisten en viga-V o viga de transporte [94], anclas y pads de contacto, que también se usan principalmente para actuación en plano o lateral. Al fluir corriente entre la viga, el aumento de temperatura de la viga causa expansión térmica debido al calentamiento Joule que ocurre, lo que tiende a expandir y mover el transporte o empujar la viga central del dispositivo hacia adelante en la dirección más simple y menos resistente.

En la implementación real, la mayoría de dispositivos MEMS con actuación térmica vibran a frecuencias cercanas a la frecuencia natural, por lo que es esencial calcular la frecuencia natural de los dispositivos. La tecnología electrotérmica se vuelve más prevalente debido a su gran fuerza de conducción y desplazamientos basados en expansión térmica de materiales de dos capas bajo voltaje de excitación muy bajo, lo que no puede lograrse por otras estrategias cuando se usan mediciones similares [85, 95]. La actuación electrotérmica exhibe múltiples ventajas como gran desplazamiento [95], facilidad de fabricación [72], gran fuerza y voltaje aplicado relativamente bajo [52]. Por el contrario, requieren gran cantidad de corriente y amplificador de bajo voltaje. Además, consumen alta potencia debido a calentamiento Joule. Una limitación más es sensibilidad a temperatura ambiente. Finalmente, la temperatura de excitación y calor aumentado debido a actuación electrotérmica pueden inducir varios inconvenientes para la electrónica vecina junto con la fase de empaquetado del sistema [72].

Numerosos tipos de actuación electrotérmica han sido desarrollados y estudiados; Brazo caliente/frío [96-98], bi-material o bimorfo [98, 99] y actuador de pandeo térmico [98, 100]. Referencia [101] investigó vibraciones de microvoladizo bajo actuación térmica usando actuador bimorfo. Referencia [102] sugirió un procedimiento estructurado para actuación térmica de anillo micro de polisilicio (RTA) fabricado usando procesos MUMPs. Un microvoladizo basado en actuación térmica fue diseñado. Asumieron el sistema en vacío o fluido (gas) líquido y sugirieron solución analítica [103]. Dennis et al. [44] fabricaron un sistema (CMOS-MEMS) con microcalentadores integrados operados a temperaturas relativamente altas (40-80 °C) para medir niveles de humedad usando nanopartículas de dióxido de titanio (TiO₂) como material sensor. El sensor operó en modo dinámico usando actuación electrotérmica y señal de salida evaluada usando sensor piezorresistivo (PZR) conectado a circuito puente Wheatstone. El voltaje de salida del sensor de humedad sube de 0,585 a 30,580 mV al aumentar humedad de 35% HR a 95% HR. La sensibilidad del sensor de humedad aumenta linealmente de 0,102 mV/% HR a 0,501 mV/% HR con aumento de temperatura de 40 a 80 °C y histeresis máxima de 0,87% HR se encuentra a humedad relativa de 80%. En otra contribución notable, Almur et al. [104] modelaron un sistema de detección de vapor de acetona MetalMUMPs basado en actuación electrotérmica y sensado capacitivo. El cambio de voltaje de salida se encontró que aumenta linealmente con aumento de concentración de vapor de acetona de 100 a 500 ppm con sensibilidad de concentración de 0,65 mV/ppm. Debido a la gruesa capa de níquel de tecnología MetalMUMPs usada, el dispositivo tiene masa muy alta (4,7 × 10^–8 kg) y baja sensibilidad de masa (0,118 MHz/pg).

Actuación Electromagnética

La operación electromagnética se ha utilizado largo tiempo en sensado y accionamiento de aplicaciones de gran escala (como altavoces). Esta técnica demanda electricidad para estimular el efecto magnético. Usa la fuerza electromagnética (también llamada fuerza de Lorentz tras el físico holandés Hendrik A. Lorentz 1895) para producir campo magnético al resonador aplicando corriente alterna en la bobina o inductor integrado en el resonador (Fig. 7). La Fuerza de Lorentz se define como la fuerza generada en una carga puntual como resultado de las fuerzas eléctricas y magnéticas combinadas en la carga [72]. La actuación electromagnética también se ha utilizado como guía para otras técnicas de actuación, por ejemplo, electrostática [33] y electrotérmica [34]. En esta técnica, cuando un conductor que lleva corriente eléctrica I se aplica a un campo magnético externo B, esto inducirá una fuerza de Lorentz F_L como se establece en (3) [72].

$$\vec{F}_L = L\vec{I} \times \vec{B} \tag{3}$$

donde L indica la longitud del conductor y × se refiere a la operación de producto cruz. La corriente en el elemento conductor ubicado dentro del campo magnético genera una fuerza electromagnética en dirección perpendicular a la corriente y al campo magnético. Esta fuerza es directamente proporcional a la corriente, densidad de flujo magnético y longitud de la microviga. Debido a la interacción generada por la corriente entre el imán y el campo magnético, un desplazamiento mecánico en la microviga se generará como resultado de la corriente aplicada al microbobinado. Por ejemplo, la actuación electromagnética se ha usado para estimular microviga cuando expuesta a campo magnético externo haciendo fluir corriente a través de la microviga, como se ve en Fig. 7a. Similarmente, al fluir corriente alterna a través del dispositivo en la microviga, este enfoque puede usarse para excitar resonador fuera de plano (Fig. 7b). Fuerzas de Lorentz de valor igual y direcciones opuestas se producen si la bobina se deposita en una estructura de la microviga. Las direcciones opuestas de la corriente fluyendo a través de diferentes partes de la bobina corresponden a estas fuerzas. Tales fuerzas se equilibran entre sí. Figura 7c, sin embargo, puede inducir un movimiento neto que se usa para actuar la microviga [72].

Esquemático de actuación electromagnética usando fuerzas de Lorentz a actuador en plano, b y c actuador fuera de plano [72].

La técnica electromagnética involucra muchos méritos sobre otros tipos de técnicas de actuación. Las principales ventajas de la actuación electromagnética incluyen gran desplazamiento sin influencia de efecto no lineal [105], voltajes más bajos debido a que se basan en corriente en lugar de voltaje [7], además tienen alta tasa de reproducibilidad, también tienen más características como respuesta rápida, alta precisión y mérito para control fácil. Para aplicaciones MEMS, la técnica electromagnética es la mejor opción para lograr máxima relación fuerza de conducción/tamaño de dispositivo [106]. Sin embargo, aún sufren algunos inconvenientes debido al uso de corriente enorme resultando en alto consumo de potencia, también su fabricación es complicada (normalmente necesitan partes inductivas para producir flujo magnético también posibilidad de incluir fabricación de bobinas y deposición de material magnético) [7]. Este hecho combinado con dificultades constructivas ha limitado aplicaciones de actuación magnética. Sin embargo, existen ejemplos de aplicaciones exitosas en literatura como dispositivos interruptores MEMS [7], interruptores ópticos y microescáneres [69], giroscopios [107] o relés [108]. Muchas investigaciones también se basan en actuación magnética [109]. Los microsensores magnéticos usando proceso comercial CMOS 0,35 µm han sido investigados [110]. En otra contribución, Barba et al. [111] diseñaron microvoladizos MEMS actuados electromagnéticamente propuestos para minimizar fenómenos parásitos usando silicio dopado con boro. En otro trabajo seminal, un dispositivo CMOS-MEMS actuado electromagnéticamente y piezoeléctricamente y sensado piezorresistivamente ha sido modelado para detección de humedad usando NRs de ZnO (6 µm/SAMs de quitosano) como material sensor [83]. La sensibilidad se encontró de 83,3 ppm [112].

Actuación Piezoeléctrica

El efecto piezoeléctrico indica la capacidad de un material particular para producir voltaje eléctrico en respuesta al estrés mecánico aplicado. La piezoeléctricidad fue descubierta por los hermanos Curie en 1880, y 'Piezo' significado viene de la palabra griega que significa 'presionar' o 'empujar'. Un actuador piezoeléctrico definido como transductores que convierten un potencial aplicado en movimiento mecánico o deformación basado en la influencia piezoeléctrica [72]. Materiales piezoeléctricos como cuarzo, óxido de zinc, titanato de circonato de plomo (material cerámico piezoeléctrico PZT) y polivinilideno difluoruro (PVDF) se usan comúnmente en aplicaciones de sensor y actuador a macroescala así como en aplicaciones MEMS en años recientes, pero el sensado es limitado debido a su falta de respuesta DC [49]. Los materiales piezoeléctricos actúan eléctricamente como aislantes y requieren colocarse entre dos electrodos conductores para recoger carga o aplicar campo eléctrico (usando electrodo interdigitado o estructura sándwich) [113].

En dispositivos MEMS, el principio básico del método de actuación piezoeléctrica se basa en usar una capa piezoeléctrica delgada depositada como parte de la viga MEMS entre flexibles (Fig. 8). Cuando se aplica voltaje a la capa piezoeléctrica, el material piezoeléctrico se expande según la polarización del voltaje aplicado, lo que causa una flexión axial a lo largo de la longitud de la viga flexible [114].

Esquemático del actuador piezoeléctrico [72].

En general, los actuadores piezoeléctricos exhiben muchas ventajas como alta fuerza de salida, buen ancho de banda de operación, tamaño muy compacto, ligereza, bajo consumo de energía y respuesta rápida [114, 115]. Sus características son bien conocidas y se han usado por décadas. La mayoría de primeros sensores usan actuación piezoeléctrica y aún están en uso hoy. Sin embargo, pequeños desplazamientos de actuadores son un inconveniente mayor, y su alta sensibilidad a temperatura [72], área de trabajo no lineal e histéresis limitan su amplia gama de aplicaciones [49]. Los materiales piezoeléctricos son muy frágiles. Rara vez pueden utilizarse solos pero a menudo se conectan a estructura flexible para aplicaciones de actuación y sensado. Hay varios trabajos basados en actuación piezoeléctrica [2, 48, 114, 116] estudiaron el prospecto de usar microvoladizo piezorresistivo para aplicación ambiental, particularmente para detección de humedad. Mahdavi et al. [117] propusieron nueva clase de mediciones precisas de punto de rocío aprovechando resonadores de Piezoeléctrico-sobre-Silicio de película delgada (TPoS) usando NRs de ZnO (6 µm/SAMs de quitosano). La sensibilidad se encontró de 16,9-83,3 ppm en rango de tiempo de respuesta de 46 s/167 s. Sensibilidad a carga de masa basada en excitación piezoeléctrica investigada para sensado químico [118, 119] reportaron transducción piezoeléctrica de resonadores de modo flexural de silicio para lograr compensación de temperatura eficiente. Sensor de gas de resonancia usando MEMS piezoeléctrico para aplicaciones de defensa fue reportado [120].

Discusión de Técnicas de Actuación

Diferentes tipos de actuadores MEMS requieren diferentes electrónicas de conducción. Como se mencionó en este artículo, hay diferentes principios y enfoques para actuar dispositivos MEMS. Los más importantes incluyen: actuación electrostática, electrotérmica, electromagnética y piezoeléctrica. Los actuadores electrostáticos son un campo tradicional y considerado uno de los mecanismos más populares para actuar dispositivos MEMS. Tienen diseño simple, tiempo de respuesta rápido, facilidad de fabricación y bajo consumo de energía. Sin embargo, la no-linealidad y el valor elevado del voltaje de conducción es el principal problema de este tipo de actuador. Los actuadores electrotérmicos proporcionan resistencia muy baja a sus fuentes de conducción y requieren altas corrientes en lugar de altos voltajes para moverlos. Los amplificadores de alto voltaje no son particularmente adecuados para uso en actuadores MEMS electrotérmicos. En su lugar, se requiere fuente de señal de bajo voltaje y alta corriente. Por supuesto, esto también puede funcionar si la corriente de salida del amplificador de alto voltaje es lo suficientemente grande para impulsar el actuador electrotérmico, pero no es una solución particularmente eficiente energéticamente ni rentable. Para aplicaciones MEMS, la tecnología electromagnética es la mejor opción para lograr máxima relación fuerza de conducción/tamaño de dispositivo. Sin embargo, aún sufren algunos inconvenientes debido al uso de corriente enorme que resulta en alto consumo de potencia, también su fabricación es complicada (normalmente necesitan partes inductivas para producir flujo magnético también posibilidad de incluir fabricación de bobinas y deposición de material magnético). Los actuadores piezoeléctricos también requieren amplificadores de alto voltaje, pero como se usan típicamente para resonancia, los requisitos de conducción en términos de voltaje de conducción son típicamente menores que los requeridos para otros actuadores. La investigación reciente de dispositivos sensores basados en MEMS que pueden ser actuados usando las cuatro técnicas básicas de actuación usadas durante los últimos años para muchas aplicaciones, como se muestra en Tabla 2. Se puede observar claramente que hay un patrón de desarrollo creciente en el campo de microensamblaje y micromanipulación para dispositivos sensores basados en MEMS categorizados basados en técnicas de actuación. Hoy en día, una amplia gama de aplicaciones ha sido identificada para dispositivos sensores basados en MEMS que proporcionan alta sensibilidad y resolución. Los sistemas de sensado se vuelven más robustos y confiables debido a la configuración de integración.

Mecanismos de Sensado para Señal de Salida

El mecanismo de sensado se usa para detectar la salida de dispositivos MEMS. La base de la técnica de sensado se basa en el uso de un polímero depositado en la capa sensora del dispositivo para absorber un químico particular que crea variación en el estrés, masa, características eléctricas o mecánicas de la viga. Para estimar el cambio en la masa, la frecuencia resonante del dispositivo puede medirse basada en el incremento de masa detectado que es uno de sus parámetros. Por otro lado, cuando el polímero absorbe la masa, el piezorresistor situado en la superficie del elemento sensor puede usarse para estimar la masa de la viga. Otro método de detectar químicos sospechosos es usar termopares para medir cambios de temperatura causados por calor generado por el polímero absorbiendo analito [49].

Para detectar la salida de estos dispositivos MEMS métodos como piezorresistivo, capacitivo u óptico se usan (Fig. 9) [123]. Diferentes mecanismos de sensado tienen diferentes ventajas e inconvenientes al mismo tiempo.

Mecanismos de sensado de dispositivos sensores basados en MEMS

Por ejemplo, el sensado óptico tiene buena factibilidad; sin embargo, es muy costoso implementar comparado a técnicas capacitivas y piezorresistivas [124]. Las técnicas capacitiva y piezorresistiva son los métodos comunes usados para detectar la señal de salida. El dispositivo CMOS-MEMS fue diseñado para abarcar tanto técnicas de sensado piezorresistivo como capacitivo debido a las características de tecnología CMOS 0,35 µm usada para diseñarlo. En contraste, dispositivos PolyMUMPs y MetalMUMPs fueron diseñados para usar solo técnicas de sensado capacitivo.

Sensado Piezorresistivo

El piezorresistivo es un principio de sensado común usado en dispositivos MEMS. Esencialmente, el principio de materiales piezorresistivos se basa en el cambio de resistencia cuando su deformación cambia en respuesta al estrés aplicado. Este cambio puede observarse en la resistencia eléctrica del material del dispositivo como consecuencia de un cambio de estrés superficial debido a flexión. El valor de resistencia del piezorresistor con resistividad ρ de un resistor, longitud l y área de sección transversal A se da por (4) [29].

$$R = \frac{\rho l}{A} \tag{4}$$

El cambio ΔR en resistencia es proporcional a la deformación aplicada puede definirse en (5) [29, 125].

$$\Delta R = G\varepsilon R \tag{5}$$

donde G es el factor de calibre que funciona como constante de proporcionalidad del piezorresistor, ε es la deformación en el material, y R es la resistencia del piezorresistor. Un elemento piezorresistivo se comporta diferente hacia componentes de deformación longitudinal y transversal presentados por [29]. Según (5), la resistencia de un piezorresistor puede variar debido a cambios de geometría (longitud y sección transversal) o en la propiedad del material (resistividad). La detección piezorresistiva depende de la diferencia en resistividad de material cuando se aplica estrés. En un material piezorresistivo, el cambio de resistividad debido a la aplicación de estrés tiene efecto mucho mayor en la resistencia que el cambio en resistividad debido a cambio en geometría (los sensores que dependen del cambio de resistencia debido a geometría se llaman galgas extensométricas) [72]. (Fig. 10) muestra diferentes orientaciones de resistor y direcciones de carga de fuerza externa [88].

a Piezorresistencia longitudinal domina, b y c piezorresistencia transversal domina presentados [29].

El principal inconveniente de este mecanismo de sensado es la dependencia sólida de temperatura de la resistividad. Para limitar este impacto, normalmente, un conjunto de cuatro piezorresistivos diseñados se utiliza para formar un puente Wheatstone. Esto limita la dependencia de temperatura [72]. Además, los pequeños cambios en la señal eléctrica generada por galgas se traducen y miden como voltajes usando este puente Wheatstone [49]. El puente Wheatstone utiliza cuatro resistores dispuestos en el puente de los cuatro brazos (Fig. 11). Basado en la cantidad de estos resistores activos (actuando como transductor), puente activo simple (transductor simple), medio puente activo (doble transductor) y puente activo completo (cuádruple transductor) del puente de Wheatstone podrían utilizarse como se reporta [72]. El puente activo simple también llamado Puente Cuarto que utiliza solo un componente activo que cambia debido a un ambiente físico, por ejemplo, presión, potencia, temperatura, mientras que los restos de esos resistores serán pasivos, etc. Los sistemas MEMS se han usado como temperatura, calorímetro, y en combinación con el puente Wheatstone, los sensores permiten fluctuaciones base. El sistema de puente térmico es una de las plataformas de sensado mejor conocidas entre MEMS. En la configuración de puente Wheatstone accionado por AC (Fig. 11b), investigadores han utilizado termometría basada en resistencia para analizar cambios de temperatura con resolución micro-Kelvin. En una visión general, la mitad derecha del puente comprende un resistor sensor en la rama inferior con resistencia asociada en la superior, mientras que el lado izquierdo se define como el coincidente. Resistores fijos con coeficiente de temperatura de resistencia relativamente bajo se usan con valores de resistencia, que se eligieron para mejorar estabilidad y resolución basada en estudio previo [126].

Tipos esquemáticos de puente Wheatstone, a puente cuarto, b medio puente, y c configuraciones de puente completo [72].

Piezorresistor de silicio y parches de polisilicio se utilizan generalmente en sensores MEMS. La resistividad del silicio depende de su estrategia de dopaje. Tipo N dopado con silicio es menos sensible que tipo p. Esto plantea limitación a las fabricaciones. En esta situación, un transversal en plano y longitudinal en plano serán los elementos más significativos [72]. Para materiales semiconductores como silicio, los factores de calibre longitudinal y transversal debido a cambio de geometría son bastante diminutos comparados a sus valores debido a cambio de resistividad, en adelante el cambio en geometría puede ignorarse, y los factores de calibre longitudinal y transversal debido solo al cambio de resistividad se encuentran usando (6) y (7), respectivamente [127].

$$G_L = \pi_L E \tag{6}$$ $$G_T = \pi_T E \tag{7}$$

donde E es el módulo de Young del material piezorresistivo. π_L e π_T son los coeficientes de piezorresistencia longitudinal y transversal respectivamente, para granos de polisilicio orientados arbitrariamente, y sus valores se dan en Tabla 3 [19].

Actualmente, el efecto piezorresistivo se ha utilizado como detección bio-química [48], propósito de detección de humedad [4], aplicaciones de interruptores [59], detección de biomarcadores en aliento exhalado [82], microescáneres [69], detección de presión [128] y sensores de gas sensibles a masa [63]. Zope et al. [117] desarrollaron un resonador piezoeléctrico accionado térmicamente y sensado resistivamente compuesto predominantemente de material CMOS para aplicaciones de sensado de masa. Se reportó sensibilidad de masa de 24,96 kHz/ng. La resolución de masa extraída de 16,3 fg también se observó, mostrando gran potencial para servir como sensor de aerosol.

Sensado Capacitivo

El mecanismo de sensado capacitivo se basa en medir los cambios de capacitancia entre dedos de estator y rotor o entre placa fija y placa móvil [88]. El sensado capacitivo es el método dominante principal para aplicaciones micromecanizadas debido a su compatibilidad con todos los enfoques de fabricación y rigidez [129, 130]. El sensado capacitivo tiene muchas características atractivas incluyen alta sensibilidad, bajo consumo de energía, simplicidad en diseño, baja deriva y baja dependencia de temperatura. Además, la medición de la señal de salida puede fabricarse fácilmente en el chip PolyMUMPs usando sensado capacitivo. Solo una placa paralela simple puede usarse para sensar capacitivamente las variaciones en la frecuencia natural o amplitud de dispositivos MEMS (como dispositivo CMOS-MEMS y dispositivo PolyMUMPs) o aplicando dedo de peine (como dispositivo MetalMUMPs).

Para dispositivo CMOS-MEMS y dispositivos PolyMUMPs, cuando no hay actuación (Fig. 12a), la capacitancia sensada estática inicial (C_s0) entre la placa fija inferior y la placa superior móvil se calcula usando (8) [19].

$$C_{s0} = \frac{\varepsilon A_s}{z_0} \tag{8}$$

donde ε es la permitividad relativa de los dieléctricos, A_s es el área de las placas sensadas y z₀ es el hueco entre placas fija y móvil. Cuando la placa móvil se desplaza por z (Fig. 12b) el hueco inicial cambia, y por tanto la capacitancia cambiará también, y se encuentra por (9).

$$C_s(z) = \frac{\varepsilon A_s}{z_0 - z} = C_{s0} \frac{z_0}{z_0 - z} \tag{9}$$

Capacitor de placa paralela mostrando a condición inicial y b tras desplazar la placa móvil [19].

Al mismo tiempo, para dispositivos MetalMUMPs, la salida puede detectarse capacitivamente utilizando diseño de dedos de peine diferencial. Como aparece en Fig. 13, hay dos arreglos de dedos de peine fijos para tener capacitancia diferencial.

Configuración de dedos de peine para dispositivo MetalMUMPs mostrando a condición inicial y b desplazamiento del dedo de peine vibratorio [19].

Para la condición inicial, cuando el dispositivo no es actuado (Fig. 13a), la capacitancia detectada estática C₀ para cada conjunto de dedos fijos vibrantes podría calcularse por (10).

$$C_0 = n\frac{\varepsilon l_f w_f}{d} \tag{10}$$

donde l_f e w_f son longitud y anchura del área de solapamiento de dedos de peine vibrantes y fijos respectivamente. d es el hueco entre dedos de peine fijos y vibrantes y n es el número de dedos de peine vibrantes. Cuando el dispositivo se mueve por y hacia el dedo de peine fijo uno como aparece por (Fig. 13b), las capacitancias C₁ e C₂ cambiarán y basándose en ese desplazamiento, sus valores pueden calcularse usando (11) y (12), respectivamente.

$$C_1(x) = n\frac{\varepsilon l_f w}{d - y} \tag{11}$$ $$C_2(x) = n\frac{\varepsilon l_f w}{d + y} \tag{12}$$

La señal de salida del dispositivo se medirá como voltaje debido al cambio en la capacitancia de sensado tras actuación usando circuito de lectura capacitiva MS3110 que traduce el cambio en capacitancia al cambio de voltaje de salida en respuesta a la temperatura de los microcalentadores. Hoy en día, efectos capacitivos se usan en resonadores MEMS [60], aplicación biosensor [56], sensor de humedad [57], screening diabetes [66], Navegación (sistema de posicionamiento global GPS automóvil) [62], acelerómetro de bajo ruido [131] y interruptores capacitivos RF MEMS [132].

Detección Óptica

El mecanismo de sensado óptico depende de detectar cambios en la luz transmitida comparada a la luz recibida. La detección de especies compuestas por estrategia de transmisión espectral es ampliamente reconocida. Los sensores ópticos son notables debido a su selectividad ya que no depende de ninguna reacción química o actividades de catalizador químico. La identificación de contaminantes del aire es reconocida usando características de especies ópticas (absorción, índice de refracción, dispersión Raman, fluorescencia y reflexión). Los sensores ópticos utilizan mediciones de emisión y absorción principalmente a través de diferentes tecnologías como espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier (FTIR), resonancia de plasma superficial (SPR), espectroscopía de absorción óptica diferencial (DOAS), espectroscopía de absorción de diodo láser (LDAS), espectroscopía de anillo de cavidad (CRDS), espectroscopía infrarroja no dispersiva (NDIR), detección y rango por luz (LIDAR), fluorescencia UV y quimiluminiscencia para sensado de contaminantes del aire en especímenes de aire. Normalmente, la luz cruza, modifica o refleja por algún espacio teniendo el medio relevante (Fig. 14). La ley de Beer-Lambert puede usarse para gobernar la detección óptica de contaminantes del aire como sigue:

$$I = I_0 e^{-\alpha l} \tag{13}$$

donde la luz transmitida a través del espécimen es I, I₀ es la luz recibida, α representa la absorbividad, l representa la longitud del camino.

Representación esquemática de un sensor MEMS óptico [133].

Sin embargo, la mayoría de aplicaciones para MEMS ópticos están en comunicaciones; hay varios usos en diferentes campos [134]. La literatura cubrió numerosos intentos para introducir detección óptica de contaminantes del aire. Algunos de estos sensores se usan para reconocer químicos. Esto muestra la parte multifuncional de estos sensores. La espectrometría infrarroja es un caso de técnica que puede usarse para sensado óptico [135]. En otra contribución notable, Huang y colaboradores también demostraron [136] la simulación de un acelerómetro MEMS óptico integrado. Los resultados de simulación efectivos demostraron: frecuencia de resonancia de 562,85 Hz, sensibilidad mecánica de 781,64 nm/g, sensibilidad de sistema óptico de 1,23, resolución de 1,037 µg, y baja sensibilidad cruzada. El acelerómetro propuesto puede usarse para mejoras en dispositivos de navegación inercial MEMS. Otro modelo es el sensor óptico Fabry-Perot [137]. Básicamente, los principios de este sensor se basan en introducir gas en una cámara y poco después pasar luz a través de la cámara. Debido a cambios en la pieza de sustancia, la luz experimentando no será exactamente equivalente a sin el gas. Esta luz se descompone, y de los resultados, confirmación puede hacerse sobre el tipo de gas probado. El test exitoso de un sensor MEMS óptico para la localización de catecol fue reportado [133]. La medición de absorbancia de oxidación de catecol se realizó por luz azul (472 nm) acoplada a través de dispositivo MEMS. La luz se transmitió desde láser azul de espacio libre operando en modo onda continua y se enfocó en fibra multimodo usando arreglo manual para organizar. Luz recibida se acopló por medio de fibra óptica a espectrofotómetro conectado USB que asistió recolección de datos computarizada usando software.

Discusión de Mecanismos de Sensado

En vista de diferentes principios de funcionamiento, los mecanismos de sensado mencionados pueden dividirse en tres tipos, namely piezorresistivo, capacitivo y óptico. Hay beneficios e inconvenientes para diferentes mecanismos de sensado al mismo tiempo. Por ejemplo, el sensado óptico tiene buena factibilidad; sin embargo, es muy costoso implementar comparado a técnicas capacitivas y piezorresistivas. Como resultado, las técnicas piezorresistiva y capacitiva son los métodos comunes usados para detectar la señal de salida. Cualquier pequeño cambio en el estrés podría detectarse usando técnica piezorresistiva. Una desventaja principal de la técnica de sensado piezorresistivo es la alta dependencia de temperatura de la resistividad. En Tabla 3, se presenta el trabajo reciente y progreso (últimos 5 años), incluyendo mecanismos de actuación y sensado, materiales sensores, tecnología de fabricación y aplicación. El microchip miniaturizado presentado (en Tabla 4) puede usarse para detección de gas y humedad, screening de salud humana, navegación inercial con buena repetibilidad, alta resolución, alta sensibilidad y respuesta rápida. Además, los sensores MEMS han demostrado ser un medio efectivo para sensores combinados con circuitos electrónicos on-chip. Por tanto, puede funcionar no solo como chip sensor portátil sino también vincularse como parte de la red Internet de las Cosas (IoT) para lograr seguimiento remoto y en tiempo real de humedad con alta sensibilidad.

Discusión

Los desarrollos recientes tratan sobre nuevas tecnologías que pueden cosechar energía del ambiente, porque fuentes de micro/nano potencia auto-suficientes sostenibles son un campo emergente de nanoenergía, que involucra nanomateriales y nanotecnología al cosechar energía para alimentar sistemas micro/nano [139]. La carga triboeléctrica se produce solo en la superficie dependiente de la fricción física entre dos materiales separados. El nanogenerador triboeléctrico (TENG) es un dispositivo que transforma energía mecánica en separación de contacto o deslizamiento relativo entre dos materiales con polaridades opuestas. TENG basado en efecto de acoplamiento entre triboelectricidad e inducción electrostática en el que su progreso actualizado y aplicaciones potenciales como nueva tecnología energética y como sensores activos auto-alimentados. El enfoque sugerido usa transferencia de energía biomecánica a electricidad desde actividad humana [139, 140]. Entre ellos hay un estudio exitoso investigado para conversión a energía vestible desde dispositivos biométricos portátiles y sensores auto-alimentados basados en triboelectricidad (carga producida en superficie de contacto) [141-144].

• Para disminuir consumo de potencia durante operación, sensores de despertados o suplemento de casi cero potencia necesitan ser propuestos e investigados, significando que estos sensores no tienen consumo de energía. Con estos componentes de MEMS, los sensores MEMS pueden trabajar por largo período u operar en auto-alimentados.

• Mirando hacia sensores orientados al futuro, sensores con flexibilidad se han vuelto temas candentes de investigación reciente en años recientes debido a su versatilidad y gran prospectiva en aplicaciones de salud/seres humanos. Sensores flexibles se usan a menudo en combinación con sensores vestibles para tener sus ventajas únicas. Más que solo utilizar sensor flexible como electrónico vestible para funciones de observación, pueden incluso utilizarse como interfaz humano-máquina para lograr requisitos más altos. Con la mejora de calidad de vida humana, dispositivos vestibles e interfaces humano-máquina han sido reconocidos como direcciones importantes para desarrollar sensores del futuro con flexibilidad suficiente y capacidades de sensado versátiles. Dispositivos electrónicos vestibles pueden integrarse simplemente con el cuerpo humano para extender nuestras capacidades de percepción. Funciones de sensor de dispositivos electrónicos vestibles incluyen, pero no se limitan a, fuerza, deformación, electrofisiología, monitores de frecuencia cardíaca, temperatura, rastreadores de fitness, etc. Con el servicio de varios dispositivos entre diferentes posiciones anatómicas, desarrollo de muchas aplicaciones del sensor del cuerpo humano puede facilitarse desde cuidado hospitalario a seguimiento de fitness y bienestar, interfaces humano-máquina y reconocimiento y evaluación de estados cognitivos.

• Mientras tanto, combinando sensor MEMS con inteligencia artificial (IA), la próxima generación de sensores proporcionará impacto evolutivo claro y ayudará a humanos a interactuar con otras cosas en diversas circunstancias de aplicaciones. Además, la rápida mejora de la comunidad moderna ha observado la expansión de asociación entre personas con máquinas, demandando enormes dispositivos inteligentes humano-máquina. Alrededor de enormes datos e hipersensible detección, sensor MEMS usando estrategia de aprendizaje automático estimula dramáticamente el agrandamiento del próximo sistema de sensado inteligente. Este sistema interactivo con sensor de próxima generación proporciona a consumidores experiencia más comprehensiva. Puede usarse para muchas aplicaciones prácticas, como simulación de entrenamiento deportivo, entretenimiento, rehabilitación médica, etc.

Conclusiones y Tendencias Futuras

Es bien reconocido que los sensores basados en MEMS juegan papel clave en campo de miniaturización y microcircuitos electrónicos. Es necesario entender y comparar estos mecanismos ya que son la base de la operación de dispositivos basados en MEMS y detección de señal de salida. Este artículo revisa varios mecanismos populares de actuación y sensado relacionados a dispositivos MEMS que han emergido en las últimas décadas. Este artículo introdujo una visión descriptiva general del avance de mecanismos de actuación y sensado de dispositivos sensores basados en MEMS. Las tendencias actualizadas y restricciones mientras dan valiosa percepción al campo de tecnologías emergentes de actuación y sensado. Una discusión comprehensiva se presentó, subrayando la significancia de los mecanismos de actuación y sensado, su estructura, principios de funcionamiento, clasificación, fabricación y aplicaciones. La comprensión adecuada de los mecanismos de actuación y sensado para dispositivos sensores basados en MEMS juega papel vital en su selección y aplicación efectiva en diversas tecnologías innovadoras. Además, la selección adecuada de técnicas de actuación y sensado en sensores MEMS basada en aplicación deseada como sensibilidad, frecuencia resonante, voltaje entrada/salida, temperatura, etc., llevará a comercialización rápida y mejor estabilidad de producto.

Para realizar diversas tareas para diferentes aplicaciones como industria y equipos electrónicos, diferentes dispositivos MEMS con diferentes estructuras colaboradas con diversos mecanismos de actuación y sensado surgirán en vida real. Además, los dispositivos MEMS no solo se usarán para tareas simples, sino también para trabajos más complejos. Al mismo tiempo, los dispositivos MEMS tendrán mayor libertad y podrán satisfacer necesidades de variedad de aplicaciones. Sin embargo, para perseguir mayor precisión y miniaturización, la complejidad del diseño de dispositivo MEMS continuará aumentando. Además, los productos MEMS tienen relación cercana con el mercado. Se puede predecir que los dispositivos MEMS realizarán más funciones, miniaturización y bajo costo, que es un enorme desafío para otros productos. Por tanto, en los próximos años, los enfoques de fabricación MEMS se desarrollarán a nivel superior para satisfacer demanda del mercado. Con el avance de procesos de fabricación de dispositivos MEMS, fabricantes únicos de hardware buscarán ciclos de fabricación más cortos y velocidades de fabricación más rápidas.

Una de las áreas centrales de tendencia futura en esta área es investigación de fiabilidad y métodos de mejora. Además, nuevos materiales y técnicas de fabricación rentables proporcionarán importantes oportunidades para desarrollo. Se ha demostrado que la capacidad de diseño no está limitada a principios estándar y puede mejorar rendimiento cualitativo. A pesar de ventajas MEMS, pocos desafíos aún existen en los siguientes aspectos.

• Las películas delgadas MOS tradicionales por técnicas MEMS a menudo muestran pobre sensibilidad a gases objetivo debido a estructura superficial compacta y baja cristalinidad.

• En estudios recientes, se ha intentado integrar nanomateriales MOS de alto rendimiento en microcalentadores. Aún es difícil controlar y colar nanomateriales MOS basados en suspensión en el área de calefacción suspendida de microcalentadores. Sin embargo, el bajo rendimiento y gran desviación dispositivo-a-dispositivo obstaculizan la fabricación de sensores a gran escala.

• También es complicado mejorar la adhesión entre microcalentadores y materiales sensores para obtener parámetros estables, especialmente a temperaturas altas > 350 °C lo que resulta en rendimiento de sensado disminuido y baja estabilidad [14, 145].

• Fabricar películas sensores con alta sensibilidad usando métodos compatibles con MEMS es meta urgente.

• Hacia nueva era, diferentes desafíos pueden enfrentar sensores basados en MEMS en términos de suministro de potencia e inteligencia durante operación, como desafíos de flexibilidad de aplicaciones vestibles, capacidades interactivas amigables de aplicaciones interfaz humano-máquina, y análisis de enormes datos.

Disponibilidad de datos y materiales

No aplicable.

Abreviaturas

MEMS:

Sistema microelectromecánico

pH:

Potencial de hidrógeno

ICs:

Circuitos integrados

LOD:

Límite de detección

MUMPs:

MEMS multi-usuario

MST:

Tecnología de microsistemas

RF:

Radiofrecuencia

CMOS:

Semiconductor complementario de óxido metálico

CTE:

Coeficiente de expansión térmica

AC:

Corriente alterna

DC:

Corriente continua

RTA:

Actuación térmica de anillo

PVDF:

Polivinilideno difluoruro

GPS:

Sistema de posicionamiento global

FTIR:

Espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier

SPR:

Resonancia de plasma superficial

DOAS:

Espectroscopía de absorción óptica diferencial

LDAS:

Espectroscopía de absorción de diodo láser

CRDS:

Espectroscopía de anillo de cavidad

NDIR:

Infrarrojo no dispersivo

LIDAR:

Detección y rango por luz

IDE:

Electrodos interdigitados

PZR:

Piezorresistivo

EFS:

Sensor de campo electrostático

AI:

Inteligencia artificial