Miguel Ángel García ChaméTópicos Selectos de Ingeniería Biomédica I

Propiedades Mecánicas de los Materiales para MEMS

En este trabajo mostrará en forma tabular los resultados de las propiedades mecánicas de los materiales utilizados en las estructuras de MEMS. Debido a que aún no existe un método de prueba estándar, una variedad amplia de valores se obtienen de materiales supuestamente idénticos.

Casi todos los datos enumerados proviene de experimentos directamente relacionados con las películas estructurales independientes. Muchos de los resultados son los valores medios de varias repeticiones, y las desviaciones estándar se incluyen cuando están disponibles. Muchos de los materiales usados en MEMS son cerámicos y muestran un comportamiento lineal y quebradizo, en cuyo caso se especifica la resistencia a la fractura. Las tablas para materiales dúctiles muestran tanto el rendimiento y resistencia a la rotura. Un número limitado de estudios se han realizado sobre los efectos de las condiciones ambientales (temperatura, ácido fluorhídrico, agua salada, etc.) sobre los materiales de MEMS, por tanto, poca información se muestra al respecto.

Las curvas típicas de tensión-deformación se representan gráficamente en Figura 1 para comparar el comportamiento mecánico de los materiales de MEMS con un acero estructural común, A533-B, que es moderadamente fuerte (resistencia a la fluencia de 440 MPa), pero dúctil y resistente. El polisilicio es lineal y quebradizo y mucho más fuerte. El níquel utilizado en MEMS es dúctil y considerablemente más fuerte que de un volumen grande de níquel puro. Se deben probar los materiales cuando se ocuparán para MEMS en lugar de confiar en los valores a escalas macrométricas.

Figura 1. Curvas de tensión-deformación representativos de polisilicio, de níquel electrodepositado y de acero A-533B.

La Tabla 1 lista los metales usados en MEMS de manera independiente. El aluminio se utiliza actualmente, pero hay otros materiales que se utilizan comúnmente en la industria de la electrónica y que puede ser de interés. Todos los materiales son dúctiles, las curvas completas de tensión-deformación se incluyen en muchas de las referencias. Los valores del módulo de Young medido para materiales puros a escala macrométrica se listan para referencia.

Tabla 1. Metales

Tabla 2. Propiedades mecánicas del mono cristal de silicio (SCS) frente a otros materiales.

Las propiedades significativas que han hecho del silicio un éxito, no sólo para aplicaciones electrónicas sino también para aplicaciones mecánicas, se revisan en las Tablas 2 y 3. A partir de estas tablas, se reiteran algunas de las razones del éxito del silicio como elemento sensor mecánico:

El silicio supera al acero inoxidable en resistencia a la fluencia y también muestra una densidad menor que la del aluminio.

La dureza del silicio es ligeramente mejor que la de acero inoxidable; que se acerca a la de cuarzo y es más alta que la mayoría de los vidrios comunes.

El módulo de Young del silicio tiene un valor próximo al del acero inoxidable y muy por encima de la de cuarzo. De las Tablas 2 y 3, se observa que Si3N4, un revestimiento utilizado a menudo en el silicio, tiene una dureza superada sólo por un material tal como el diamante. La combinación de silicio con recubrimientos de nitruro de silicio, por lo tanto, se puede utilizar para los componentes altamente resistentes al desgaste como se requiere en micromecanismos tales como micromotores .

Tabla 3. Características del silicio mono cristalino

Silicio policristalinoEl polisilicio (una abreviatura de silicio policristalino) extensamente es usado en la industria de circuitos integrados para resistencias, puertas para transistores, transistores de película delgada, etc. Es un material ideal para microresistencias. Una comparación de algunas propiedades claves de polisilicio y otros materiales es presentada en la tabla siguiente.

Tabla 4. Comparación de las propiedades mecánicas del polisilicio con otros materiales.

Dióxido de silicio (SiO2)Hay tres usos principales del óxido de silicio en microsistemas: como un aislador térmico y eléctrico, como una máscara en los sustratos de silicio y como una capa de sacrificio en el micromaquinado. El óxido de silicio tiene la resistencia mucho más fuerte a la mayor parte de etchants que el silicio. Las propiedades importantes de óxido de silicio son mencionadas en Tabla 5.

Tabla 5. Propiedades del dióxido de silicio

Nitruro de silicio El nitruro de silicio (Si3N4) tiene muchas propiedades que son atractivas para MEMS y microsistemas. Este proporciona una barrera excelente para la difusión del agua e iones como el sodio. Su resistencia ultrafuerte a la oxidación lo hace conveniente para máscaras en el desgaste profundo. Los usos de nitruro de silicio incluyen guías de ondas ópticos, encapsulamiento para prevenir la difusión del agua y otros fluidos tóxicos en el sustrato. También es usado como aislador eléctrico y máscara de implantación de ion.

Tabla 6. Propiedades del nitruro de silicio

El nitruro de silicio de puede obtener de acuerdo a la siguiente reacción:

3 SiCl2H2 + 4 NH3 Si3N4 + 6 HCl + 6H2

Las propiedades de nitruro de solicio se enlistan en Tabla 6. El proceso de depósito de vapor puede ser de dos tipos: deposito químico de vapor a baja presión (LPCVD) y depósito químico de vapor de plasma aumentado (PECVD).

Carburo de silicio El uso principal del carburo de silicio (SiC) en microsistemas es su estabilidad dimensional y química en altas temperaturas. Esto tiene la resistencia muy fuerte a la oxidación aún en muy altas temperaturas. Las películas delgadas de carburo de silicio a menudo son depositadas sobre componentes MEMS para protegerlos de la temperatura extrema

GaAsEl GaAs es un semiconductor compuesto. Es hecho de los números iguales de átomos de arsénico y galio. Como esto es un compuesto, es más complicada su estructura al combinar los átomos de ambos componentes, es más difícil de tratar que el silicio. Sin embargo, GaAs es un material excelente para la integración monolítica de dispositivos electrónicos y fotonicos sobre un sustrato. La razón principal que GaAs sea un material candidato para dispositivos fotonicos es su alta movilidad de electrones en comparación con otros materiales de semiconducción El GaAs es también un aislador termal, con estabilidad excelente en alta temperatura. El aspecto negativo de este material es su fuerza, de bajo rendimiento. Su fuerza de 2700 MPA, es sólo un tercio de él de silicio. Esto hace GaAs menos atractivo como sustratos en microsistemas. A causa de su uso relativamente bajo en la industria de microelectrónica, GaAs es mucho más caro que el silicio.

Tabla 7. Comparación entre el GaAs y el Silicio en micromaquinado.

PolímerosLos polímeros, que incluyen materiales diversos como plásticos, pegamentos, Plexiglas, y Lucite, se han hecho cada vez más populares para MEMS y microsistemas. Este tipo de material está compuesto por cadenas de moléculas orgánicas (principalmente hidrocarburos). Las moléculas combinadas, p. ej., moléculas de polímero, pueden ser unos cien nanómetros de tamaño. La fuerza mecánica baja, el punto de fusión bajo, y la conductividad eléctrica pobre, caracterizan a los polímeros. Los

termoplásticos y thermosets son dos grupos de los polímeros que comúnmente son usados para productos industriales. Los termoplásticos fácilmente pueden ser formados como se desee para el producto específico, mientras que thermosets tiene mejor fuerza mecánica y resistencia de temperaturas hasta 350°C.

Los polímeros se han hecho materiales cada vez más importantes para MEMS y microsistemas. Dentro de los polímeros utilizados en MEMs se destacan los siguientes: Polyimide, Su-8 y PDMS.

PiezoeléctricosUno de los materiales más comúnmente usados en MEMS y microsistemas son los cristales piezoeléctricos. Estos son compuestos de cerámica que pueden producir un voltaje cuando una fuerza mecánica es aplicada entre sus caras.Hay varios materiales para realizar estos elementos los cuales se mencionan a continuación: ZnO, Titanato, Zirconato.

Tabla 8. Propiedades de los materiales piezoeléctricos.

Tabla 9. Coeficiente piezoeléctrico de algunos materiales.

Bibliografía [1] Gad-el-Hak Mohamed. The MEMS Handbook. MEMS: Introduction and

Fundamentals. 2º Edición. Estados Unidos: Taylor & Francis Group, 2006. Pág. 3-16 a 3-22.

[2] Gad-el-Hak Mohamed. The MEMS Handbook. MEMS: Design and Fabrication . 2º Edición. Estados Unidos: Taylor & Francis Group, 2006. Pág. 2-1 a 2-23.

[3] MEMS and Microsystems: Design and Manufacture. Chapter 7: Materials for MEMS and Microsystems. Pág. 235-266. Consultado en línea.

Glosario

Limite elásticoTensión máxima que un material elastoplástico puede soportar sin sufrir deformaciones permanentes. Si se aplican tensiones superiores a este límite, el material experimenta un comportamiento plástico deformaciones permanentes y no recupera espontáneamente su forma original al retirar las cargas. En general, un material sometido a tensiones inferiores a su límite de elasticidad es deformado temporalmente de acuerdo con la ley de Hooke.

Módulo de YoungParámetro que caracteriza el comportamiento de un material elástico, según la dirección en la que se aplica una fuerza. Para un material elástico lineal, el módulo de Young tiene el mismo valor para una tracción que para una compresión, siendo una constante independiente del esfuerzo siempre que no exceda de un valor máximo denominado límite elástico, y es siempre mayor que cero: si se tracciona una barra, aumenta de longitud.

DensidadMagnitud escalar referida a la cantidad de masa en un determinado volumen de una sustancia. La densidad media es la razón entre la masa de un cuerpo y el volumen que ocupa.

Calor específicoMagnitud física que se define como la cantidad de calor que hay que suministrar a la unidad de masa de una sustancia o sistema termodinámico para elevar su temperatura en una unidad. En general, el valor del calor específico depende del valor de la temperatura inicial.

Conductividad térmicaPropiedad física de los materiales que mide la capacidad de conducción de calor. En otras palabras la conductividad térmica es también la capacidad

de una sustancia de transferir la energía cinética de sus moléculas a otras moléculas adyacentes o a sustancias con las que no está en contacto.

Coeficiente de expansión térmicoEs el cociente que mide el cambio relativo de longitud o volumen que se produce cuando un cuerpo sólido o un fluido dentro de un recipiente experimenta un cambio de temperatura que lleva consigo una dilatación térmica.

Punto de fusiónTemperatura a la cual se encuentra el equilibrio de fases sólido - líquido, es decir la materia pasa de estado sólido a estado líquido, se funde.