Materiales y Fallas en MEMS y NEMS (degradación y fallas de materiales)

Materiales y Fallas en MEMS y NEMS

Sobre el Libro

Materiales y Fallas en MEMS y NEMS (degradación y fallas de materiales) [Materials and Failures in MEMS and NEMS (Materials Degradation and Failure)] es un libro de 432 páginas editado por Atul Tiwari y Baldev Raj. Fue publicado por la editorial Wiley-Scrivener en el año 2015 en su primera edición.

Descripción del Libro

La fabricación de MEMS se ha logrado predominantemente grabando el material de polisilicio. Sin embargo, los nuevos materiales tienen una gran demanda que podrían superar los obstáculos en la fabricación o el proceso de fabricación. Aunque se está realizando una enorme cantidad de trabajo en el área, la mayor parte de la información se trata como confidencial o privilegiada. Es extremadamente difícil encontrar información significativa para los desarrollos nuevos o relacionados. Este libro es una colección de capítulos escritos por expertos en tecnología MEMS y NEMS. Se aportan capítulos sobre el desarrollo de nuevos materiales MEMS y NEMS, así como sobre las propiedades de estos dispositivos. Las propiedades importantes, como las tensiones residuales y el comportamiento de pandeo en los dispositivos, se analizan en capítulos separados. Se han incluido varios modelos en los capítulos que estudian el modo y mecanismo de falla del MEMS y NEMS.

Este libro está dirigido a estudiantes graduados, investigadores e ingenieros que participan en la investigación y el desarrollo de MEMS y NEMS avanzados para una amplia variedad de aplicaciones. Se ha incluido información crítica para los lectores que los ayudará a obtener un control preciso sobre la estabilidad dimensional, la calidad, la confiabilidad, la productividad y el mantenimiento en MEMS y NEMS. No hay ningún libro de este tipo disponible en el mercado que aborde los desarrollos y fallas en estos dispositivos avanzados.

Sobre los autores

El Dr. Atul Tiwari es miembro de la facultad de investigación del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Hawaii, EE. UU. Ha recibido Ph.D. en Ciencia de Materiales Polímeros junto con el estatus de Químico Colegiado y Científico Colegiado otorgado por la Royal Society of Chemistry, Reino Unido. El Dr. Tiwari es miembro activo de varios organismos profesionales en el Reino Unido, EE. UU. E India. Siendo un químico orgánico e ingeniero mecánico, su trabajo de investigación tiende a cerrar la brecha entre la ciencia y la ingeniería. El Dr. Tiwari ha publicado más de sesenta publicaciones de investigación revisadas por pares. Su área de interés de investigación incluye el desarrollo de materiales inteligentes como siliconas, grafeno y biomateriales bioinspirados para aplicaciones industriales. El Dr. Tiwari se esfuerza por desarrollar nuevos materiales y ha generado seis tecnologías patentadas / pendientes internacionales que se han transferido a las industrias. Es consultor activo de empresas de renombre y actúa como editor asociado de revistas internacionales.

Baldev Raj es un científico distinguido y ex director del Centro Indira Gandhi de Investigación Atómica, India. Ha sido pionero en la aplicación de ensayos no destructivos (NDT) para la investigación básica utilizando técnicas acústicas y electromagnéticas en una variedad de materiales y componentes. Actualmente es presidente del Instituto Internacional de Soldadura, presidente de la Academia Nacional de Ingeniería de la India y presidente de instituciones de investigación PSG, Coimbatore. Es miembro del Consejo Asesor Científico del Primer Ministro, del Consejo Asesor Científico del Gabinete, del Consejo de Nano Misiones de la India y del Comité Asesor de Apex, Ministerio de Desarrollo de Recursos Humanos. Es presidente de la Junta de Gobernadores, IIT, Gandhinagar & NIT, Puduchery.

Es autor de más de 850 publicaciones en revistas especializadas, 60 libros y volúmenes especiales de revistas, más de 20 contribuciones a enciclopedias y manuales, así como propietario de 21 patentes. Ha sido reconocido con más de 100 premios internacionales y nacionales.

Tabla de Contenido

  1. Carbono como material MEMS.
  2. Diagnóstico inteligente de fallas basado en modelos de MEMS.
  3. Intercambiadores de calor MEMS.
  4. Aplicación de silicio poroso en MEMS y tecnología de sensores.
  5. Interruptores MEMS / NEMS con interfaz de contacto de silicio a silicio (Si-a-Si).
  6. Sobre el diseño, fabricación y caracterización de dispositivos cMUT.
  7. Problemas inversos en las aplicaciones MEMS / NEMS.
  8. Control óhmico RF ‐ MEMS.
  9. Dinámica de dispositivos MEMS.
  10. Comportamientos de pandeo y dureza interfacial de una estructura compuesta a escala micrométrica con un alambre de metal sobre un sustrato flexible.
  11. Sistemas de sensores nanoelectromecánicos basados ​​en microcantilever: caracterización, instrumentación y aplicaciones.
  12. Integración CMOS MEMS.
  13. Resolver problemas de optimización de calidad y confiabilidad para MEMS con datos de degradación.

A continuación se muestra un extracto del libro:

Capítulo 1: El carbono como material MEMS

Amritha Rammohan y Ashutosh Sharma.
Departamento de Ingeniería Química, Instituto Indio de Tecnología, Kanpur, Uttar Pradesh, India.

Resumen

El carbono se ha convertido en un material popular en aplicaciones microelectromecánicas (MEMS) debido a sus versátiles propiedades electroquímicas y mecánicas, así como a los numerosos materiales precursores y métodos de fabricación fáciles disponibles. Esta revisión detalla varias tecnologías de fabricación de C-MEMS, la mayoría de las cuales implican el modelado de precursores poliméricos de carbono, como los fotorresistentes epoxi y los polímeros sol-gel, seguidos de su pirólisis para crear réplicas de patrones de carbono vítreos o semicristalinos. La estructura y propiedades del carbono vítreo, así como el proceso de pirólisis y la contracción concurrente, también se discuten en detalle, ya que afectan directamente la aplicabilidad de las estructuras y dispositivos de carbono. También se discute la integración de estructuras de carbono en dispositivos MEMS mediante la modificación de la superficie y la incorporación de aditivos y cargas como nanotubos de carbono y nanofibras de carbono para potenciar las propiedades funcionales.

Palabras clave: Carbono, C-MEMS, pirólisis, contracción volumétrica, integración MEMS, litografía.

1.1 Introducción

El carbono es uno de los materiales más versátiles de la tabla periódica. Debido a su capacidad para formar enlaces covalentes híbridos sp, sp2 y sp3 con varios elementos, incluido él mismo, los compuestos y materiales a base de carbono se encuentran entre los materiales más adaptables disponibles para nosotros. La capacidad del carbono para formar enlaces consigo mismo se manifiesta en forma de muchos alótropos de carbono, incluidos fullerenos, nanotubos, grafito, grafeno y diamante. Incluso dentro de estos alótropos, a pesar de estar todos hechos de carbono, las propiedades como la conductividad eléctrica, la dureza y la resistencia varían ampliamente con el alótropo debido a las diferentes microestructuras en términos de tamaño de cristalito, orden de largo alcance, anisotropía, etc. El carbono amorfo o vítreo, en particular, tiene una amplia ventana de estabilidad electroquímica, así como una alta conductividad térmica y una excelente biocompatibilidad, lo que justifica su uso en diversas aplicaciones electroquímicas y biológicas. El carbono tipo diamante o DLC, otra forma de carbono, tiene propiedades tribológicas y resistencia al desgaste superiores, y los materiales de carbono anisotrópico como los nanotubos y las nanofibras pueden aprovecharse también por sus propiedades electromecánicas únicas y anisotrópicas.

Cuando esta versatilidad en las propiedades funcionales se combina con técnicas apropiadas de micro / nanofabricación, las estructuras de carbono se vuelven altamente viables como elementos en sistemas micro y nano electromecánicos (MEMS / NEMS). Para crear estructuras electromecánicas de tamaño micro y nano, como actuadores y microsensores de carbono, deben adoptarse técnicas de micro / nanofabricación adecuadas, robustas y fáciles. Los métodos para modelar el carbono y sus precursores en estructuras MEMS se dividen, como otras técnicas de microfabricación, en técnicas de arriba hacia abajo y de abajo hacia arriba. Las técnicas de arriba hacia abajo son procesos sustractivos como el grabado con iones reactivos (RIE) y el modelado litográfico con fotones, electrones o iones. Los procesos ascendentes o aditivos incluyen la pulverización catódica, la evaporación y la deposición química en fase de vapor (CVD). Mientras que las técnicas de arriba hacia abajo crean patrones deterministas con buen control de forma y tamaño, las técnicas de abajo hacia arriba dan como resultado una mayor funcionalidad y tienen una mayor capacidad para patrones tridimensionales (3D). Las estructuras autoensambladas que se forman con muy poca guía o dirección externa también se incluyen en la última categoría de técnicas ascendentes. Aparte de las técnicas estrictamente de arriba hacia abajo y de abajo hacia arriba, muchas técnicas de fabricación incluyen una combinación de estas dos. Por ejemplo, las estructuras jerárquicas se pueden lograr mediante el modelado de arriba hacia abajo de estructuras a gran escala y el modelado de abajo hacia arriba de características 3D más pequeñas. Las técnicas de litografía blanda como el micromoldeo y la nanoimpresión a menudo se consideran una tercera clasificación de las técnicas de microfabricación y también se han utilizado con éxito en la creación de patrones de estructuras C-MEMS (Carbon MEMS).

This review is structured as follows. Due to the fact that majority of C- MEMS/NEMS processes involve polymer-derived amorphous or semicrystalline carbon, its properties are reviewed and contrasted with other MEMS materials. The process of pyrolysis for the carbonization is discussed in detail along with methods to address the issue of shrinkage. Then, lithographic techniques and their capabilities and modifications for C-MEMS/NEMS fabrication are discussed. This is followed by a description of bottom-up techniques, in particular selfassembly techniques for C-MEMS/NEMS. Soft lithographic techniques are also briefly covered. Finally, additives and surface modification techniques to improve and expand the applicability of carbon are examined.

Fin del extracto.

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