Actuador electrotérmico MEMS _ AcademiaLab (2024)

Un actuador electrotérmico MEMS es un dispositivo microelectromecánico que normalmente genera movimiento por expansión térmica. Se basa en el equilibrio entre la energía térmica producida por una corriente eléctrica aplicada y el calor disipado en el entorno o el sustrato. Su principio de funcionamiento se basa en el calentamiento resistivo. Los procesos de fabricación de actuadores electrotérmicos incluyen litografía de rayos X profunda, LIGA (litografía, galvanoplastia y moldeo) y grabado iónico reactivo profundo (DRIE). Estas técnicas permiten la creación de dispositivos con relaciones de aspecto elevadas. Además, estos actuadores son relativamente fáciles de fabricar y son compatibles con los métodos de fabricación de circuitos integrados (CI) y MEMS estándar. Estos actuadores electrotérmicos se pueden utilizar en diferentes tipos de dispositivos MEMS como micropinzas, microespejos, inductores sintonizables y resonadores.

Tipos de actuadores electrotermales MEMS

En general, existen tres tipos de actuadores electrotérmicos MEMS. Uno es el actuador térmico asimétrico, también conocido como actuador de brazo caliente y frío o actuador en forma de U. Su principio de funcionamiento se basa en la expansión térmica desigual de sus componentes. El segundo tipo de actuadores electrotérmicos es el actuador térmico simétrico, también conocido como actuador de chevron o de viga doblada. Su funcionamiento se basa en la expansión térmica total y su movimiento de salida está limitado a una dirección. El tercer tipo de actuador electrotérmico MEMS es el actuador bimorfo. Su movimiento depende de los coeficientes variables de expansión térmica de los materiales utilizados en su fabricación.

Actuador asimétrico (actuador de arma-caliente y frío, U-Shaped)

Un actuador electrotérmico MEMS asimétrico, a menudo denominado actuador térmico bimorfo o en forma de U, consta de un brazo estrecho "caliente" y un brazo más ancho "frío" conectados en serie a un circuito eléctrico. Cuando la corriente fluye a través del actuador, se produce un calentamiento Joule, que produce más calor en el brazo estrecho debido a su mayor resistencia eléctrica, lo que da como resultado una mayor expansión térmica en comparación con el brazo ancho. Esta expansión térmica diferencial crea un momento de flexión, lo que hace que el actuador se doble hacia el brazo frío. Este diseño permite una actuación precisa y es adecuado para varias aplicaciones MEMS, incluidas herramientas de manipulación micro y nano como micropinzas y microposicionadores. Estas herramientas son esenciales para tareas como el microensamblaje, la manipulación de células biológicas y la caracterización de materiales, y ofrecen ventajas como voltajes de accionamiento bajos y un control sencillo. Se han desarrollado varios diseños de micropinzas para mejorar el rendimiento, incluidos diferentes anchos y longitudes de brazo, actuadores electrotérmicos compatibles, actuadores de tres haces, calentadores plegados y serpenteantes, estructuras intercaladas, brazos inclinados y brazos calientes curvos. Estos actuadores se utilizan en aplicaciones que requieren un control preciso de la temperatura y la fuerza, como la manipulación de micropartículas frágiles y la manipulación de células individuales. Además, se emplean en mecanismos de conmutación, dispositivos ópticos y actuadores bidireccionales para aplicaciones como conmutadores MEMS de RF y plataformas de microposicionamiento, lo que proporciona rangos de desplazamiento más amplios y una funcionalidad mejorada.

Simétrico (Chevron, haz doblado)

El actuador simétrico o Chevron, también conocido como actuador en forma de V o de viga doblada, es un actuador electrotérmico en el plano ampliamente utilizado. Presenta un diseño en forma de V, pero también se puede encontrar en otras formas. A diferencia de la expansión diferencial en los actuadores de brazo frío y caliente, el actuador Chevron se basa en la expansión térmica total para su actuación. Consiste en dos vigas inclinadas iguales conectadas en un vértice y ancladas al sustrato, formando una única ruta de conducción. Cuando la corriente pasa a través de las vigas, el calentamiento resistivo provoca una expansión térmica, empujando el vértice hacia adelante. Un modelo de deflexión integral para este actuador implica resolver una función trascendental numéricamente para determinar el desplazamiento de la punta, influenciado por factores como la longitud de la viga, el ángulo de precurvado y el aumento de temperatura. Los parámetros críticos incluyen la longitud de la viga, el ángulo de precurvado y el espesor. Los ángulos de inclinación más pequeños producen desplazamientos mayores, pero corren el riesgo de pandeo fuera del plano y problemas de fabricación. La rigidez y la fuerza de salida se pueden aumentar apilando varias vigas. Los actuadores Chevron son versátiles y se utilizan en aplicaciones MEMS como microinterruptores, micropinzas y herramientas de caracterización de materiales. Pueden producir una fuerza de agarre sustancial pero con un desplazamiento lateral limitado. Para amplificar el desplazamiento, se utilizan a menudo amplificadores mecánicos. Las aplicaciones incluyen operaciones de selección y colocación para nanomateriales, manipulación de células biológicas e interruptores MEMS de RF, donde la estabilidad y la alta fuerza del actuador son ventajosas. Las variantes como los actuadores en forma de Z y de torsión ofrecen diseños alternativos para necesidades específicas, como un desplazamiento mayor o una fabricación más sencilla. Los actuadores Chevron en cascada mejoran aún más el desplazamiento al conectar múltiples etapas, aunque con un mayor riesgo de pandeo. Las aplicaciones incluyen micromotores y micropinzas avanzadas. Estos actuadores proporcionan ventajas significativas sobre otros tipos debido a su movimiento rectilíneo, alta fuerza de salida y bajo voltaje de accionamiento, lo que los hace adecuados para una amplia gama de tareas precisas a pequeña escala.

Bimorfo

El diseño bimorfo es un tipo destacado de actuador electrotérmico que consta de dos o más capas de materiales diferentes con coeficientes de expansión térmica (CTE) variados. Cuando se somete a estímulos térmicos, la expansión diferencial hace que el actuador se doble, lo que produce un desplazamiento fuera del plano. Esto hace que los actuadores bimorfos sean ideales para aplicaciones en las que los actuadores en el plano no son adecuados, ofreciendo una amplia gama de aplicaciones. El mecanismo de deflexión se basa en las propiedades del material, como el módulo de Young y el desajuste del CTE, así como en la relación de espesores de las capas y los parámetros geométricos de la viga. Un voladizo bimorfo básico consta de dos capas: una con un CTE alto y otra con un CTE bajo. El calentamiento Joule induce más expansión en la capa de CTE alto, lo que hace que la estructura se doble hacia la capa de CTE bajo. Los modelos teóricos para el comportamiento de los actuadores bimorfos, como la deflexión de la punta y la fuerza de salida, están bien establecidos. En el caso de un voladizo simple de dos capas, la curvatura debida a la discordancia de expansión térmica se puede calcular utilizando fórmulas específicas que incluyen el cambio de temperatura, el CTE, el ancho, el espesor y el módulo de Young de cada capa. La elección de materiales para los actuadores bimorfos es diversa: se utilizan metales y polímeros para capas de alto CTE, y dieléctricos o semiconductores para capas de bajo CTE. Los avances recientes incluyen el uso de materiales de carbono como el grafeno, que tiene un CTE negativo, y compuestos de grafeno/polímero.

Los actuadores bimorfos suelen estar diseñados para una actuación fuera del plano debido a la deposición plana de capas; se han desarrollado diseños innovadores como el "bimorfo vertical" y los actuadores laterales para lograr una actuación en el plano utilizando técnicas como la evaporación de haz de electrones en ángulo y el micromaquinado post-CMOS. Los actuadores bimorfos encuentran aplicaciones en varios campos. En la micromanipulación, los actuadores bimorfos convencionales son menos factibles para las micropinzas en el plano, pero los diseños novedosos como una micropinza de cuatro dedos proporcionan un agarre estable y confiable al curvarse hacia arriba cuando está abierta. En los microespejos, los actuadores bimorfos permiten un gran desplazamiento con bajo consumo de energía, ideal para la inclinación y el movimiento del pistón en aplicaciones como pantallas de proyección, interruptores ópticos, lectores de códigos de barras, imágenes biomédicas, láseres ajustables, espectroscopia y óptica adaptativa. También se utilizan en microscopía de fuerza atómica (AFM) y nanolitografía de sonda de barrido (SPN), ofreciendo imágenes con resolución a escala nanométrica y patrones eficientes. Además, los actuadores bimorfos se utilizan en dispositivos de RF sintonizables debido a sus capacidades precisas de control y actuación. Sin embargo, se deben gestionar desafíos como la tensión de corte en las interfaces de las capas para garantizar la longevidad de los dispositivos bimorfos.

Ventajas

Los actuadores electrotérmicos ofrecen varias ventajas sobre otros tipos de actuadores, lo que los convierte en componentes valiosos para los MEMS. Operan con voltajes de accionamiento relativamente bajos, pero pueden generar grandes fuerzas y desplazamientos, ya sea paralelos o perpendiculares al sustrato. A diferencia de los actuadores que dependen de campos electrostáticos o magnéticos, los actuadores electrotérmicos son adecuados para manipular muestras biológicas y chips electrónicos. Estos actuadores también son fáciles de controlar, ya que no presentan una histéresis significativa como los actuadores piezorresistivos y de aleación con memoria de forma (SMA). Los actuadores electrotérmicos son escalables en tamaño y, por lo general, tienen una estructura más compacta en comparación con los actuadores electrostáticos, que utilizan grandes conjuntos de controladores de peine, o los actuadores electromagnéticos y SMA, que son difíciles de implementar a pequeña escala. Son versátiles en sus entornos operativos, funcionan bien en aire, vacío, condiciones polvorientas, medios líquidos y bajo el haz de electrones en microscopía electrónica de barrido (SEM). Sin embargo, los actuadores electrotérmicos generalmente tienen bajas velocidades de conmutación debido a las grandes constantes de tiempo de los procesos térmicos. A pesar de esto, se ha demostrado la activación térmica de alta frecuencia. El método de excitación electrotérmica también es atractivo para la activación en modo de resonancia, en particular para aplicaciones de detección y sondeo basadas en micropalancas. Los resonadores MEMS que utilizan este método han demostrado factores de alta calidad y amplios rangos de sintonización de frecuencia.

Otros tipos de actuadores MEMS

• Electrostática — placa paralela o unidad de peine
• Piezoelectric
• Magnético
• Termostático — movimiento lineal, parafina wax drive

Véase también

• Accionador magnético MEMS
• Accionador electrostático MEMS

Referencias

Más lectura

• Estudio experimental y numérico de los actuadores electrotermales MEMS: Comparación de comportamiento dinámico y proceso de transferencia de calor en ambientes vacíos y no vacíos

Enlaces externos

• Manipulación y clasificación de micropartículas
• simulación de actuador electrotérmico en Comsol