LA MICROFABRICACIN
Microfabricacin es el proceso de fabricacin de estructuras en
miniatura de escalas micrmetros y ms pequeas. Histricamente, se han
utilizado los procesos de microfabricacin ms tempranos para la
fabricacin del circuito integrado, tambin conocido como "fabricacin
de semiconductores" o "dispositivo de fabricacin de
semiconductores". En las ltimas dos dcadas los sistemas
microelectromecnicos, microsistemas, micromquinas y sus subcampos,
microfluidos/laboratorio en un chip, MEMS ptico, RF MEMS,
PowerMEMS, BioMEMS y su extensin a nanoescala han reutilizado,
adaptar o completar los mtodos de microfabricacin. Las pantallas
planas y clulas solares tambin estn utilizando tcnicas similares.La
miniaturizacin de los diversos dispositivos presenta retos en
muchas reas de la ciencia y la ingeniera: la fsica, la qumica, la
ciencia de los materiales, ciencias de la computacin, ingeniera de
ultra-precisin, procesos de fabricacin y diseo de equipos. Tambin
da lugar a diversos tipos de investigacin interdisciplinaria. Los
principales conceptos y principios de microfabricacin son
microlitografa, dopaje, pelculas delgadas, grabado, pegado y
pulido.
Los campos de uso Microfabricated dispositivos incluyen: La
fabricacin de circuitos integrados Sistemas microelectromecnicos,
MOEMS, dispositivos de microfluidos clulas solares Pantallas planas
Sensores PowerMEMSs, pilas de combustible, cosechadoras/captadores
de energa
OrgenesTecnologas de microfabricacin se originan a partir de la
industria de la microelectrnica, y los dispositivos se hacen
generalmente en obleas de silicio a pesar de vidrio, plsticos y
muchos otros sustratos estn en uso. Micromaquinado, procesamiento
de semiconductores, microelectrnica fabricacin, fabricacin de
semiconductores, MEMS fabricacin y tecnologa de circuitos
integrados son trminos que se utilizan en lugar de microfabricacin,
pero microfabricacin es el trmino amplio general.Tcnicas de
mecanizado tradicionales, como el mecanizado por descarga elctrica,
chispas mecanizado erosin y perforacin lser se han reducido desde
el rango de tamao milmetro a rango micromtrico, pero no comparten
la idea principal de microfabricacin microelectrnica originado: la
replicacin y la fabricacin paralela de cientos o millones de
estructuras idnticas. Este paralelismo est presente en diversos
huella, de fundicin y moldeo tcnicas que se han aplicado con xito
en la microregime. Por ejemplo, el moldeo por inyeccin de DVD
implica la fabricacin de puntos de tamao submicromtrico en el
disco.
PROCESOS DE MICROFABRICACIN
Microfabricacin es en realidad una coleccin de tecnologas que se
utilizan en la fabricacin de microdispositivos. Algunos de ellos
tienen orgenes muy antiguos, que no estn conectados a la
fabricacin, como la litografa o grabado. Pulido fue tomado de
fabricacin ptica, y muchas de las tcnicas de vaco viene de
investigacin de la fsica del siglo 19. Electrochapado es tambin una
tcnica siglo 19a adaptado para producir estructuras de escala
micrmetros, como son diversas tcnicas de estampado y gofrado.Para
fabricar un microdispositivo, se deben realizar muchos procesos,
uno tras otro, muchas veces repetida. Estos procesos incluyen
tpicamente depositando una pelcula, patrn de la pelcula con las
caractersticas micro deseados, y la eliminacin de porciones de la
pelcula. Por ejemplo, en la fabricacin de chips de memoria, hay
algunos pasos 30 litografa, 10 pasos de oxidacin, 20 pasos de
grabado, 10 pasos de dopaje, y muchos otros se llevan a cabo. La
complejidad de los procesos de microfabricacin se puede describir
por su recuento de mscara. Este es el nmero de diferentes capas de
patrones que constituyen el dispositivo final. Los
microprocesadores modernos se hacen con 30 mscaras mientras que
unos pocos mscaras son suficientes para un dispositivo de
microfluidos o un diodo lser. Microfabricacin se asemeja a la
fotografa de exposicin mltiple, con muchos patrones alineados el
uno al otro para crear la estructura final.
SUSTRATOSMicrofabricated dispositivos no son generalmente
independiente dispositivos, pero por lo general se forman sobre o
en un substrato de soporte ms grueso. Para aplicaciones
electrnicas, sustratos semiconductores tales como obleas de silicio
se pueden utilizar. Para los dispositivos pticos o pantallas
planas, sustratos transparentes como el vidrio o cuarzo son
comunes. El soporte permite un fcil manejo del dispositivo de micro
a travs de las muchas etapas de fabricacin. A menudo, muchos
dispositivos individuales se hacen juntos en un sustrato y, a
continuacin individualizadas en dispositivos separados hacia el
final de la fabricacin.
LA DEPOSICIN O CRECIMIENTOMicrofabricated dispositivos se
construyen tpicamente utilizando una o ms pelculas delgadas. El
propsito de estas pelculas delgadas depende del tipo de
dispositivo. Los dispositivos electrnicos pueden tener pelculas
delgadas que son conductores, aislantes o semiconductores. Los
dispositivos pticos pueden tener pelculas que reflejen,
transparente, luz de gua, esparcido. Las pelculas tambin pueden
tener un propsito qumico o mecnico, as como para aplicaciones de
MEMS. Los ejemplos de tcnicas de deposicin incluyen:
La oxidacin trmica deposicin de vapor qumico APCVD LPCVD PECVD
Deposicin fsica de vapor pulverizacin deposicin por evaporacin Haz
de electrones PVD epitaxiaPATRONESA menudo es deseable patrn de una
pelcula en caractersticas distintas o para formar aberturas en
algunas de las capas. Estas caractersticas se encuentran en la
escala micromtrica o nanomtrica y la tecnologa de modelado es lo
que define la microfabricacin. La tcnica utiliza tpicamente un
patrn "mscara" para definir porciones de la pelcula que se retira.
Ejemplos de tcnicas de modelado incluyen:
FotolitografaAGUAFUERTEAguafuerte es la eliminacin de una parte
de la pelcula delgada o sustrato. El sustrato se expone a un ataque
qumico que ataca qumicamente o fsicamente la pelcula hasta que se
retira. Tcnicas de grabado incluyen:Secar grabado tales como ataque
qumico con iones reactivos o de grabado profundo con iones
reactivosGrabado hmedo o ataque qumicoOTROTambin se puede realizar
una amplia variedad de otros procesos para la limpieza, aplanado, o
la modificacin de las propiedades qumicas de los dispositivos
microfabricados. Algunos ejemplos incluyen:
Dopaje ya sea por difusin trmica o implantacin de
ionesPlanarization qumico-mecnicoLimpieza Wafer, tambin conocida
como "la preparacin de superficies"Unin de alambreMICRO
CORTE/MICROFABRICACINMicro de corte/fresado es una alternativa a
las tcnicas litogrficas, por procesos de reduccin de escala macro,
tales como corte y de conformacin, a los tamaos de la herramienta
por debajo de 100 m de dimetro.Limpieza en la fabricacin de
obleas
Microfabricacin se lleva a cabo en salas blancas, donde el aire
se ha filtrado de la contaminacin por partculas y la temperatura,
humedad, vibraciones y perturbaciones elctricas estn bajo control
estricto. Humo, el polvo, las bacterias y las clulas son micrmetros
de tamao, y su presencia va a destruir la funcionalidad de un
dispositivo microfabricado.Salas blancas proporcionan la limpieza
pasiva, sino tambin las obleas se limpian activamente antes de cada
paso crtico. RCA-1 limpio en una solucin de amoniaco-perxido
elimina la contaminacin orgnica y partculas; RCA-2 en la mezcla de
cloruro de limpieza-perxido de hidrgeno elimina las impurezas
metlicas. Mezcla de cido sulfrico-perxido de quita orgnicos. El
fluoruro de hidrgeno elimina de xido nativo de la superficie de
silicio. Estos son todos los pasos de limpieza hmeda en las
soluciones. Los mtodos de limpieza en seco incluyen oxgeno y
tratamientos de plasma de argn para eliminar las capas
superficiales no deseadas, o cocer hidrgeno a temperatura elevada
para eliminar el xido nativo antes de la epitaxia. Limpieza
Pre-puerta es el paso ms crtico de limpieza en el CMOS de
fabricacin: asegura que el ca. 2 nm de espesor de xido de un
transistor MOS se puede cultivar en una manera ordenada. La
oxidacin, y todas las medidas de alta temperatura son muy sensibles
a la contaminacin, y los pasos de limpieza deben preceder a pasos
de alta temperatura.Preparacin de la superficie es slo un punto de
vista diferente, todos los pasos son los mismos como se describi
anteriormente: se trata de salir de la superficie de la oblea en un
estado controlado y bien conocido antes de empezar el
procesamiento. Las obleas son contaminados por los pasos del
proceso anterior, o pueden haber reunido polmeros a partir de cajas
de obleas, y esto podra ser diferente en funcin de tiempo de
espera.Limpieza y preparacin de la superficie de la oblea funcionan
un poco como las mquinas en un boliche: primero se quitan todos los
fragmentos no deseados, y luego reconstruir el patrn deseado para
que el juego pueda continuar.
LA NANOFABRICACINLa nanofabricacin es el diseo y fabricacin de
dispositivos con dimensiones medidas en nanmetros.Si necesita crear
estructuras tan pequeas, las partculas cargadas como iones o
electrones suelen ser su mtodo de preferencia. La interaccin entre
el haz de electrones o iones y la superficie de muestra le permite
manipular estructuras o propiedades de la superficie. Cuando se
utiliza en combinacin con diferentes gases, podr realizar procesos
complejos, como grabado o deposicin de material. Esto permite la
creacin nuevos materiales y sistemas superiores con funciones
mecnicas, electrnicas, pticas, magnticas o fludicas
complejas.Algunas tecnologas importantes, desarrolladas durante los
ltimos aos, son: microcontact printing, litografa basada en
microscopia de fuerzas atmicas, litografa de nanoimpresin o
litografa dip-pen, donde un cantilver es usado para transferir
molculas al substrato por capilaridad. De entre estas tecnologas,
la litografa de nanoimpresin es con diferencia la ms madura y est
siendo utilizada para fabricar lseres orgnicos, diodos emisores de
luz orgnicos (OLEDS), substratos para ingeniera de tejidos y
biochips para sensorizacin de biomolculas. Esta tecnologa se est
utilizando en produccin para la fabricacin de elementos fotnicos
para la industria ptica y substituir en breve a la fotolitografa
ultravioleta en la produccin de unidades de almacenamiento de datos
y displays pticos.
LITOGRAFA DE NANOIMPRESIN (NIL) es muy simple. Un patrn,
normalmente fabricado en silicio, es transferido a una capa fina de
polmero que recubre el substrato normalmente vidrio o silicio- bajo
unas condiciones controladas de presin y temperatura . Este proceso
de impresin da lugar a una capa residual muy fina de polmero, que
es eliminado mediante un plasma anisotrpico de oxgeno hasta
alcanzar el substrato Posteriormente, se puede realizar la
transferencia de motivos al substrato mediante ataques anisotrpicos
en vacio, empleando para ello gases especficos y actuando el
polmero como mscara o bien, evaporar sobre el substrato una fina
capa metlica con posterior extraccin del polmero en disolvente
orgnico (figura 1d). El proceso permite la rplica de substratos a
partir del patrn en tiempos inferiores a los 15 minutos y alcanza
una resolucin mnima condicionada fundamentalmente por el molde
patrn, pudiendo ser sta inferior a los 10 nm. Esta es la razn por
la que esta tecnologa ha acaparado una gran atencin de la industria
y centros de investigacin unos pocos aos despus de que fuera
propuesta en la Universidad de Princeton por el grupo de S.Y. Chou
en 1995.
LSERES ORGNICOS DE SEMICONDUCTOR
En los ltimos aos se ha desarrollado una intensa actividad
investigadora en el campo de los lseres orgnicos de estado slido
con retroalimentacin distribuida (DFB), con el fin de obtener
dispositivos baratos, cuya longitud de onda de emisin se pueda
sintonizar en un amplio rango de longitudes de onda en la zona
visible y en el infrarrojo cercano del espectro. En este contexto,
la Unidad de Micro y Nanofabricacin ha trabajado en la fabricacin
de lseres DFB unidimensionales (1D) basados en pelculas polimricas
dopadas con molculas orgnicas activas como medio lser. En este
trabajo los esfuerzos se han centrado en obtener umbrales lser
pequeos y buenas fotoestabilidades, logrndose umbrales de excitacin
de 1 J/pulso y fotoestabilidades superiores a los 500 minutos, lo
que supone la mayor fotoestabilidad encontrada en un lser DFB en
material orgnico a condiciones ambientales .INGENIERA DE TEJIDOSLa
Unidad de Micro y Nanofabricacin trabaj inicialmente en estudiar la
influencia de la topografa sobre la morfologa y diferenciacin de
clulas madre mesenquimales en clulas de hueso (osteoblastos),
analizando parmetros como el alineamiento, estiramiento, rea
ocupada por la clula y produccin de la enzima fosfatasa alcalina en
dicha diferenciacin (figura 8). Este estudio se desarroll en
materiales sintticos biocompatibles y biodegradables como la
policaprolactona.
En la actualidad, se trabaja en materiales naturales basados en
polisacridos, los cuales se obtienen a travs de medios y desechos
naturales, como el condroitn sulfato y varios derivados del cido
hialurnico. Estos materiales, mucho ms complejos de procesar que
los sintticos, se han estudiado y optimizado para permitir su micro
y nanoestructuracin mediante UV-NIL. La combinacin de micro-contact
printing con polielectrolitos resistentes a la absorcin de protenas
(molculas de PLL-g-PEG) ha permitido inmovilizar patrones de
protenas sobre estos materiales, desarrollndose patrones de
protenas tales como la estreptavidina, albmina o fibronec
ROBTICA INDUSTRIALEntre los robots considerados de ms utilidad
en la actualidad se encuentran losrobots industriales o
manipuladores."Por robot industrial de manipulacin se entiende una
maquina de manipulacin automtica, reprogramable y multifuncional
con tres o ms ejes que pueden posicionar y orientar materias,
piezas, herramientas o dispositivos especiales para la ejecucin de
trabajos diversos en las diferentes etapas de la produccin
industrial, ya sea en una posicin fija o en movimiento"En esta
definicin se debe entender que la reprogramabilidad y la
multifuncin se consiguen sin modificaciones fsicas del robot. Comn
en todas las definiciones anteriores es la aceptacin del robot
industrial como un brazo mecnico con capacidad de manipulacin y que
incorpora un control ms o menos complejo. Un sistema robotizado, en
cambio, es un concepto ms amplio. Engloba todos aquellos
dispositivos que realizan tareas de forma automtica en sustitucin
de un ser humano y que pueden incorporar o no a uno o varios
robots, siendo esto ultimo lo mas frecuente.1. Estructura de los
robots industriales: Un manipulador robtico consta de una secuencia
de elementos estructurales rgidos, denominados enlaces
oeslabones,conectados entre s mediante juntasoarticulaciones, que
permiten el movimiento relativo de cada dos eslabones
consecutivos.
Elementos estructurales de un robot industrialUna articulacin
puede ser: Lineal(deslizante, traslacional o prismtica), si un
eslabn desliza sobre un eje solidario al eslabn anterior.
Rotacional, en caso de que un eslabn gire en torno a un eje
solidario al eslabn anterior.
a)b)
Distintos tipos de articulaciones de un robot:a) lineal, b)
rotacionales
El conjunto de eslabones y articulaciones se denominacadena
cinemtica. Se dice que una cadena cinemtica es abierta si cada
eslabn se conecta mediante articulaciones exclusivamente al
anterior y al siguiente, exceptuando el primero, que se suele fijar
a un soporte, y el ltimo, cuyo extremo final queda libre. A ste se
puede conectar unelemento terminaloactuador final:una herramienta
especial que permite al robot de uso general realizar una aplicacin
particular, que debe disearse especficamente para dicha aplicacin:
una herramienta de sujecin, de soldadura, de pintura, etc. El punto
ms significativo del elemento terminal se denominapunto
terminal(PT). En el caso de una pinza, el punto terminal vendra a
ser el centro de sujecin de la misma.
Punto terminal de un manipuladorLos elementos terminales pueden
dividirse en dos categoras: pinzas(gripper) herramientasLaspinzasse
utilizan para tomar un objeto, normalmente la pieza de trabajo, y
sujetarlo durante el ciclo de trabajo del robot. Hay una diversidad
de mtodos de sujecin que pueden utilizarse, adems de los mtodos
mecnicos obvios de agarre de la pieza entre dos o ms dedos. Estos
mtodos suplementarios incluyen el empleo de casquillos de sujecin,
imanes, ganchos, y cucharas.Unaherramientase utiliza como actuador
final en aplicaciones en donde se exija al robot realizar alguna
operacin sobre la pieza de trabajo. Estas aplicaciones incluyen la
soldadura por puntos, la soldadura por arco, la pintura por
pulverizacin y las operaciones de taladro. En cada caso, la
herramienta particular est unida a la mueca del robot para realizar
la operacin.A los manipuladores robticos se les suele denominar
tambinbrazos de robotpor la analoga que se puede establecer, en
muchos casos, con las extremidades superiores del cuerpo
humano.
Semejanza de un brazo manipulador con la anatoma humanaSe
denominagrado de libertad(g.d.l.) a cada una de las coordenadas
independientes que son necesarias para describir el estado del
sistema mecnico del robot (posicin y orientacin en el espacio de
sus elementos). Normalmente, en cadenas cinemticas abiertas, cada
par eslabn-articulacin tiene un solo grado de libertad, ya sea de
rotacin o de traslacin. Pero una articulacin podra tener dos o ms
g.d.l. que operan sobre ejes que se cortan entre s.
Distintos grados de libertad de un brazo de robotPara describir
y controlar el estado de un brazo de robot es preciso determinar:
La posicin del punto terminal (o de cualquier otro punto) respecto
de un sistema de coordenadas externo y fijo, denominado el sistema
mundo. El movimiento del brazo cuando los elementos actuadores
aplican sus fuerzas y momentos.El anlisis desde el punto de vista
mecnico de un robot se puede efectuar atendiendo exclusivamente a
sus movimientos (estudio cinemtico) o atendiendo adems a las
fuerzas y momentos que actan sobre sus partes (estudio dinmico)
debidas a los elementos actuadores y a la carga transportada por el
elemento terminal.2.Configuraciones morfolgicasy parmetros
caractersticosde los robots industrialesSegn la geometra de su
estructura mecnica, un manipulador puede ser: Cartesiano, cuyo
posicionamiento en el espacio se lleva a cabo mediante
articulaciones lineales. Cilndrico, con una articulacin rotacional
sobre una base y articulaciones lineales para el movimiento en
altura y en radio. Polar, que cuenta con dos articulaciones
rotacionales y una lineal. Esfrico (o de brazo articulado), con
tres articulaciones rotacionales. Mixto, que posee varios tipos de
articulaciones, combinaciones de las anteriores. Es destacable la
configuracinSCARA(Selective Compliance Assembly Robot Arm)
Paralelo, posee brazos con articulaciones prismticas o rotacionales
concurrentes.Los principales parmetros que caracterizan a los
robots industriales son: Nmero de grados de libertad. Es el nmero
total de grados de libertad de un robot, dado por la suma de g.d.l.
de las articulaciones que lo componen. Aunque la mayora de las
aplicaciones industriales requieren 6 g.d.l., como las de
soldadura, mecanizado y almacenamiento, otras ms complejas
requieren un nmero mayor, tal es el caso de las labores de montaje.
Espacio de accesibilidad o espacio (volumen) de trabajo. Es el
conjunto de puntos del espacio accesibles al punto terminal, que
depende de la configuracin geomtrica del manipulador. Un punto del
espacio se dice totalmente accesible si el PT puede situarse en l
en todas las orientaciones que permita la constitucin del
manipulador y se dice parcialmente accesible si es accesible por el
PT pero no en todas las orientaciones posibles. En la figura
inferior se aprecia el volumen de trabajo de robots de distintas
configuraciones. Capacidad de posicionamiento del punto terminal.
Se concreta en tres magnitudes fundamentales: resolucin espacial,
precisin y repetibilidad, que miden el grado de exactitud en la
realizacin de los movimientos de un manipulador al realizar una
tarea programada. Capacidad de carga. Es el peso que puede
transportar el elemento terminal del manipulador. Es una de las
caractersticas que ms se tienen en cuenta en la seleccin de un
robot dependiendo de la tarea a la que se destine. Velocidad. Es la
mxima velocidad que alcanzan el PT y las
articulaciones.ConfiguracingeomtricaEstructuracinemticaEspacio
detrabajoEjemplo
cartesianos
tipo cantilever
tipo prtico
cilndrico
polar
esfrico
SCARA
paralelo
Configuraciones geomtricas, estructura cinemtica, espacio de
accesibilidad y ejemplosde robots industriale
