Cuestionario de Microfabricación y Nanofabricación - Acuña Andrés - Celin Linda PDF
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DE:
PARA:
INGENIERÍA MECÁNICA
PROCESOS DE MANUFACTURA II
SÉPTIMO SEMESTRE
BARRANQUILLA 2020
1. ¿A qué hace énfasis el término de sistemas microelectromecánicos?
R/ Enfatiza la miniaturización de sistemas que consisten en componentes tanto electrónicos
como mecánicos. Algunas veces se usa la palabra micromáquinas para referirse a estos
sistemas. Los componentes de productos de estos tamaños se miden en micras:
(1 𝜇𝑚 = 1 ∗ 10−3 𝑚𝑚 = 1 ∗ 10−6 𝑚).
2. ¿Por qué en la mayoría de los casos, los productos más pequeños pueden significar precios
más bajos?
R/ Esto es debido a que se utiliza menos material; sin embargo, el precio de un producto
dado está influido por los costos de investigación, desarrollo y producción, y por cómo
pueden distribuirse estos costos en el número de unidades vendidas.
Microestructuras y microcomponentes. Estos términos se usan para denotar una parte con
un tamaño microscópico que no es un sensor ni un actuador. Los ejemplos de
microestructuras y microcomponentes incluyen engranes, lentes, espejos, boquillas y haces
microscópicos. Estos artículos deben combinarse con otros componentes (microscópicos o
de otro tipo) con el fin de proporcionar una función útil.
Deposición química de vapor. (Adición de capa) Formación de una película delgada sobre
la superficie de un sustrato mediante reacciones químicas o descomposición de gases.
Chapeado sin electricidad. (Adición de capa) Deposición en una solución acuosa que
contiene iones del metal de chapeado sin corriente eléctrica externa. La superficie de
trabajo actúa como un catalizador para la reacción.
Difusión térmica (dopado). (Alteración de capa) Proceso físico en el que los átomos migran
desde regiones de alta concentración hacia regiones de baja concentración.
Ataque químico en seco. (Remoción de capa) Ataque químico con plasma seco usando un
gas ionizado para atacar un material objetivo.
7. ¿En qué áreas de la industria se pueden aplicar los tipos de dispositivos de microsistema y
de qué forma lo hacen?
R/
Cabezas de impresión por inyección de tinta. La operación de la cabeza de impresión por
inyección de tinta consiste en un arreglo de elementos calentadores de la resistencia se
localiza por encima de un arreglo correspondiente de boquillas. La tinta fluye entre los
calentadores y boquillas. Cada resistor puede activarse de manera independiente bajo el
control del microprocesador en microsegundos. Cuando se activa, la tinta líquida que se
encuentra inmediatamente debajo del calentador hierve de manera instantánea, brotando
a través de la abertura de la boquilla y golpeando el papel, donde se seca de forma casi
inmediata para formar un punto que es parte de un carácter alfanumérico u otra imagen.
Las impresoras de inyección de tinta actuales poseen resoluciones de 1 200 puntos por
pulgada (dpi), lo cual corresponde a una separación de boquilla de sólo 21 𝜇m, que de hecho
está en el rango de los microsistemas.
Medicina. Entre las aplicaciones actuales y futuras de la MST en el campo médico están:
1) Angioplastia, en la que los vasos sanguíneos y arterias dañados se reparan usando cirugía
láser o globos inflables miniaturizados en el extremo de un catéter que se inserta en la vena;
2) Telemicrocirugía, en donde una operación quirúrgica se realiza a control remoto usando
un microscopio estéreo y herramientas quirúrgicas microscópicas.
3) Prótesis artificiales, como marcapasos para el corazón y aparatos auditivos.
4) Sistemas de sensores implantables para monitorear variables físicas en el cuerpo
humano, como la presión sanguínea y la temperatura.
5) Dispositivos para la administración de medicinas que pueden ser tragados por un
paciente y después activados a control remoto en la ubicación exacta determinada por el
tratamiento, por ejemplo, en el intestino.
6) Ojos artificiales.
10. ¿Cuáles son los microsensores instalado en un automóvil moderno y cuál es la aplicación de
cada uno?
R/
Acelerómetro. Liberación de bolsa de aire.
Sensores de proximidad y distancia. Control de las distancias desde las defensas delantera
y trasera para evitar choques y ayudar durante el estacionamiento.
11. ¿Cuáles son las razones por las que el silicio es un material recomendable en la tecnología
de microsistemas?
R/
1) A menudo, los microdispositivos en la MST incluyen circuitos electrónicos, de manera que
tanto el circuito como el microdispositivo puedan fabricarse en combinación sobre el mismo
sustrato.
2) Además de sus propiedades electrónicas deseables, el silicio también posee propiedades
mecánicas útiles, como resistente y elasticidad altas, buena dureza y una densidad
relativamente baja.
3) Las tecnologías para procesar el silicio están bien establecidas, debido a su amplio uso en
la microelectrónica.
4) El uso de monocristales de silicio permite la producción de características
físicas a tolerancias muy estrechas.
12. ¿Cuál es la secuencia del proceso para fabricar micromaquinado superficial para formar
voladizos?
R/
1) Sobre el sustrato de silicio se forma una capa de dióxido de silicio, cuyo espesor
determinará el tamaño de la separación para el elemento en voladizo.
2) Porciones de la capa de SiO2 se atacan químicamente usando litografía.
3) Se aplica una capa de polisilicio.
4) Se atacan químicamente porciones de la capa de polisilicio usando litografía.
5) La capa de 𝑆𝑖𝑂2 debajo de los voladizos se ataca de manera selectiva.
13. ¿Cuáles son los procesos no tradicionales capaces del procesamiento a nivel micro?
R/
1) Maquinado con descarga eléctrica, que se usa para cortar orificios pequeños de hasta 0.3
mm de diámetro con proporciones dimensionales (profundidad sobre diámetro) de hasta
100.
2) Maquinado con haz de electrones, para cortar orificios con diámetros menores a 100 𝜇m
en materiales difíciles de maquinar.
3) Maquinado con haz láser, el cual puede producir perfiles complejos y orificios tan
pequeños como de 10 𝜇m de diámetro, con proporciones dimensionales (profundidad
sobre anchura o profundidad sobre diámetro) cercanas a 50.
4) Maquinado ultrasónico, capaz de perforar orificios en materiales duros y frágiles con
diámetros tan pequeños hasta de 50 𝜇m.
5) Corte por descarga eléctrica con alambre, o EDM con alambre, el cual puede realizar
cortes muy delgados con proporciones dimensionales (profundidad sobre anchura)
mayores que 100.
14. ¿Cuáles son los enfoques que existen en las tecnologías para la creación rápida de
prototipos y en qué consisten?
R/
Un enfoque que existe denominado fabricación electromecánica (EFAB), el cual implica la
deposición electromecánica de capas metálicas en áreas específicas que están
determinadas por mascarillas de patrón creadas mediante el “rebanado” de un modelo en
CAD del objeto que va a fabricarse. Por lo general, las capas depositadas tienen un espesor
de 5 a 10 𝜇m, con tamaños de elementos tan pequeños como 20 𝜇m de ancho. La EFAB se
lleva a cabo a temperaturas por debajo de los 60 °C (140 °F) y no requiere un ambiente de
sala limpia. Sin embargo, el proceso es lento, se requiere alrededor de 40 minutos para
aplicar cada capa, o se completan cerca de 36 capas (una altura entre 180 y 360 𝜇m) en un
periodo de 24 horas. Para superar esta desventaja, la mascarilla para cada capa puede
contener muchas copias del patrón de la rebanada de la pieza, lo que permite producir
muchas piezas de manera simultánea en un proceso por lotes.
16. ¿Qué términos son prioridad conocer para comprender qué es la nanotecnología?
R//La nanociencia que es el campo de estudio científico relacionado con objetos del rango
de 1 a 100nm (1 𝑛𝑚 = 10 −3 , 𝜇𝑚 = 10−6 , 𝑚𝑚 = 10−9 𝑚) y la nanoescala que se refiere
a este rango e incluso por debajo de este. Las moléculas que constan de alrededor de 30
átomos tienen un tamaño aproximado de 1 nm dependiendo de los elementos
involucrados. Por lo tanto, la nanociencia implica el comportamiento de moléculas
individuales y los principios que explican este comportamiento, y la nanotecnología
involucra la aplicación de estos principios para crear productos útiles.
17. ¿En que radica la influencia de las propiedades superficiales de los materiales de los que
están hechos los objetos con tamaños en nanómetros en la determinación del
comportamiento de estos?
18. ¿Qué diferencias podemos encontrar entre las estructuras a nanoescala y las estructuras a
macroescala incluso en la microescala en cuanto a las propiedades del material y sus
comportamientos?
R//En las estructuras a nanoescala tienen más importancia las uniones atómicas
secundarias que corresponden a la unión de moléculas para formar materiales con volumen
otra diferencia es que estas se ven influidas por la mecánica cuántica en vez de por las
propiedades de volumen.
El microscopio de fuerza atómica (AFM por sus siglas en inglés) utiliza una sonda unida a un
voladizo delicado que se dobla debido a la fuerza ejercida por la superficie en la sonda
mientras atraviesa la superficie del espécimen. La deflexión vertical de la sonda se mide en
forma óptica, con base en el patrón de interferencia de un rayo ligero o la reflexión de un
rayo láser en el voladizo.
El microscopio de fuerza magnética (MFM, por sus siglas en inglés) usa una sonda
magnética cuya punta es sensible a las fuerzas magnéticas de los átomos en la superficie del
espécimen. Su principio de operación es similar a la de la cabeza lectora en un reproductor
de audiocasetes o una unidad de disco duro
R//El nombre buckybolas se refiere a la molécula C60, una molécula que contiene
exactamente
60 átomos de carbono y que tiene una forma parecida a una pelota de futbol soccer. Los 60
átomos están dispuestos simétricamente en 12 caras pentagonales y 20 caras hexagonales
para formar una bola. Estas pelotas moleculares pueden unirse mediante fuerzas de van der
Waals (sección 2.2) para formar cristales cuya estructura reticular es cúbica centrada en la
cara. La separación entre cualquier molécula y su vecino más cercano en la estructura
reticular del C60 es de 1 nm. También podemos encontrar otras buckybolas o fullerenos de
carbono C20 que es más pequeño y no tiene hexágonos, sino sólo 12 pentágonos y el C70
cuya forma se asemeja a la de un balón de rugby Los nanotubos de carbono son otra
estructura molecular que consiste en átomos de carbonos adheridos en la forma de un tubo
largo. Los átomos pueden disponerse en una serie de configuraciones alternativas.
Los nanotubos por su parte tienen propiedades eléctricas poco usuales ya que dependiendo
de su estructura y diámetro pueden tener propiedades metálicas (conductores) o
semiconductores, la conductividad de estos es superior al cobre en algunos aspectos. La
explicación para esto es que los nanotubos contienen muy pocos de los defectos que existen
en los metales, los cuales tienden a dispersar los electrones, con lo que se incrementa la
resistencia eléctrica. Como los nanotubos tienen una resistencia tan baja, las corrientes
altas no incrementan su temperatura en la forma que lo hacen los metales bajo las mismas
cargas eléctricas. La conductividad térmica de los nanotubos metálicos también es muy alta.
Estas propiedades eléctricas y térmicas resultan muy interesantes para los fabricantes de
computadoras y circuitos integrados porque podrían permitir velocidades de reloj mayores
en los procesadores sin los problemas de acumulación progresiva de calor encontrados en
la actualidad conforme se incrementa la densidad de los componentes en un chip de silicio
Otra importante propiedad de los nanotubos de carbono es la emisión de campo, en el cual
se emiten electrones desde los extremos de los tubos a velocidades muy altas cuando se
aplica un campo eléctrico paralelo al eje de un nanotubo. Las posibles aplicaciones
comerciales de la propiedad de emisión de campo en los nanotubos incluyen pantallas de
panel plano para televisiones y monitores de computadora. Las propiedades mecánicas
constituyen otra razón del interés en los nanotubos. El módulo de elasticidad (rigidez) de
los nanotubos de carbono es casi 10 veces el módulo del acero. Aún más, cuando se doblan
muestran una gran resiliencia para regresar a su forma original sin ningún daño. La
resistencia a la tensión también es muy alta para los nanotubos de carbono de una sola
pared, con valores típicos alrededor de 20 veces más grandes que los del acero. Estas
propiedades mecánicas proporcionan oportunidades para usar los nanotubos como
materiales de refuerzo en compuestos de matriz de polímeros. Irónicamente, los nanotubos
con varias paredes no son tan fuertes.
R//Al reducirse estos tamaños las técnicas de fabricación basadas en litografía óptica se ven
limitadas por las longitudes de onda de la luz visible. En la actualidad se usa luz ultravioleta
para fabricar los CI porque sus longitudes de onda más cortas permiten fabricar elementos
más pequeños, lo que a su vez permite densidades de componentes más altas en el CI. La
tecnología que en la actualidad se perfecciona para la fabricación de CI se llama litografía
ultravioleta extrema. Utiliza luz UV con una longitud de onda de hasta 13 nm, lo cual de
hecho cae dentro del rango de la nanotecnología.
R//Cuando se usa la litografía EUV con estas longitudes de onda UV muy cortas pueden
surgir ciertos problemas técnicos. Los problemas incluyen: 1) deben crearse nuevos
materiales fotorresistentes que sean sensibles a estas longitudes de onda, 2) los sistemas
de enfoque deben basarse en todas las ópticas reflexivas y 3) deben usarse fuentes de
plasma basadas en irradiación de láser del elemento xenón.
25. ¿Qué técnicas diferentes a litografía óptica y sus mejoras pueden usarse en la fabricación
de estructuras a nanoescala?
R//La litografía con haz de electrones, la litografía con rayos X y la litografía con micro y
nanoimpresión. La litografía con haz de electrones funciona al dirigir un haz de electrones
muy enfocado a lo largo del patrón deseado en la superficie del material, exponiendo de
esta manera las áreas superficiales usando un proceso secuencial sin la necesidad de una
mascarilla. Aunque la litografía con haz de electrones es capaz de resoluciones del orden de
los 10 nm, su operación secuencial la hace relativamente lenta en comparación con las
técnicas de enmascarado y por ende no es conveniente para la producción en masa. La
litografía con rayos X puede producir patrones con resoluciones de alrededor de 20 nm, y
utiliza técnicas de enmascarado, con lo que es posible la alta producción. Sin embargo, los
rayos X son difíciles de enfocar y requieren impresión por contacto o a proximidad. Además,
el equipo para aplicaciones de producción es costoso y los rayos X son peligrosos para las
personas. La litografía con microimpresión usa un molde plano con el patrón deseado sobre
una cara (es decir, un estampado) que deforma físicamente la superficie de la resistencia
para crear características microscópicas correspondientes a las regiones sobre la superficie
del sustrato que se protegerán mientras que otras regiones se exponen. Puede usarse el
mismo tipo de estampado plano en el modo de una impresión positiva, llamado impresión
de microcontacto, en el cual se transfiere un patrón de moléculas a una superficie de
sustrato, muy parecido a como se transfiere tinta a una superficie de papel.La litografía con
microimpresión usa un molde plano con el patrón deseado sobre una cara (es decir, un
estampado) que deforma físicamente la superficie de la resistencia para crear
características microscópicas correspondientes a las regiones sobre la superficie del
sustrato que se protegerán mientras que otras regiones se exponen. Puede usarse el mismo
tipo de estampado plano en el modo de una impresión positiva, llamado impresión de
microcontacto, en el cual se transfiere un patrón de moléculas a una superficie de sustrato,
muy parecido a como se transfiere tinta a una superficie de papel. La litografía con
nanoimpresión y la impresión por nanocontacto son los mismos procesos básicos excepto
porque las características del patrón tienen proporciones a nanoescala.
R//El patrón de molde se produce típicamente mediante litografía con haz de electrones. El
patrón consiste de áreas altas y bajas; las áreas altas corresponden a regiones en la
superficie de la resistencia que serán removidas para exponer el sustrato. El material
resistente es un polímero termoplástico, el cual se suaviza mediante calor antes de
presionar. Después, el molde se presiona sobre la capa de resistencia suavizada,
hundiéndola hasta coincidir con las regiones elevadas del patrón de molde. Así, para la
alteración de la capa de resistencia se usa deformación mecánica en vez de radiación
electromagnética, como en los métodos de litografía más tradicionales. Las regiones
comprimidas de la capa resistente se remueven subsecuentemente mediante ataque
químico anisotrópico. El proceso de ataque químico también reduce el espesor de la capa
resistente que queda, pero permanece la suficiente para proteger el sustrato del
procesamiento subsecuente. La litografía con micro y nanoimpresión puede prepararse
para altas velocidades de producción a un costo modesto. La litografía con nanoimpresión
puede producir resoluciones de patrón de 10 nm. En el procedimiento de impresión no se
requiere una mascarilla, aunque el molde necesita una preparación análoga.
1) se coloca el molde plano sobre la resistencia, 2) se presiona el molde sobre la resistencia,
3) el molde se levanta y 4) el material resistente que queda se remueve de la superficie
del sustrato mediante ataque químico.
27. Dentro de las técnicas de nanofabricación mediante sonda exploratoria ¿cuál resulta
promisoria para aplicaciones prácticas?
R//La nanolitografía de pluma (DPN, por sus siglas en inglés) sería la que resulta promisoria,
se usa la punta de un microscopio de fuerza atómica para transferir moléculas hacia una
superficie de sustrato por medio de un menisco solvente, como se muestra en la figura 38.6.
El proceso es, de alguna manera, análogo a utilizar una pluma fuente antigua para transferir
tinta a una superficie de papel mediante fuerzas capilares. En la DPN, la punta del AFM actúa
como la punta de la pluma, y el sustrato se convierte en la superficie sobre la cual se
depositan las moléculas disueltas (es decir, la tinta). Las moléculas depositadas deben tener
una afinidad química para el material de sustrato, de la misma forma que la tinta se adhiere
al papel. La DPN puede usarse para “escribir” patrones de moléculas sobre una superficie,
donde los patrones tienen dimensiones por debajo de las micras. Se han reportado anchos
de línea de entre 10 y 15 nm [20]. Además, la DPN puede usarse para depositar diferentes
tipos de moléculas en ubicaciones diferentes sobre la superficie del sustrato.
28. ¿Cuáles son las nueve áreas para el desarrollo de la nanotecnología identificadas en la
National Nanotechnology Initiative (NNI) y cuáles son los objetivos de cada una?
R/
Materiales nanoestructurados mediante diseño. El objetivo es crear materiales que sean
más fuertes, más duros, más ligeros, más seguros y más eficientes; también construir
materiales que posean características de autorreparación. La investigación se enfocará en
1) comprender las relaciones entre una nanoestructura del material y sus propiedades
macroscópicas
2) poner en práctica nuevos métodos de fabricación y medición.
Nanoelectrónica, optoelectrónica y magnética. Los objetivos incluyen la creación de
dispositivos y tecnologías de fabricación nuevos en estas áreas para la integración en
sistemas existentes y arquitecturas nuevas (por ejemplo, nuevas arquitecturas de circuitos
para abordar los límites de las tendencias presentes en las tecnologías para la fabricación
de circuitos integrados basados en silicio).
Aplicación al transporte seguro y económico. Entre los objetivos están la invención de:
1) Modos de transporte más eficientes usando nanomateriales que son más ligeros y tienen
tasas de falla más bajas.
2) Materiales más durables para caminos y puentes.
3) Materiales inteligentes y dispositivos capaces de detectar fallas inminentes y realizar
procesos de autorreparación.
4) Recubrimientos a nanoescala con propiedades de baja fricción y baja corrosión.
5) Sensores de desempeño a nanoescala.
Seguridad nacional. El objetivo general es lograr la dominación militar a bajo costo y con
pocos recursos humanos, y reducir los riesgos del personal involucrados en el combate.
Entre las actividades de investigación y desarrollo están:
1) Mejorar la superioridad de conocimiento incrementando la velocidad de procesador, la
capacidad de almacenamiento, la velocidad de acceso, la tecnología de despliegue y la
capacidad de comunicación.
2) Uso de materiales con mejores propiedades para los sistemas militares.
3) Tecnologías de sensor para proteger al personal en combate y mejorar sus capacidades
de lucha.
29. ¿Cuáles son las técnicas de los nanotubos de carbono y en qué consiste cada una?
R/
Método de evaporación láser. La materia prima inicial es una pieza de trabajo de grafito
que contiene pequeñas cantidades de cobalto y níquel. Estas trazas de metal desempeñan
el papel de catalizador, actuando como sitios de nucleación para la formación posterior de
los nanotubos. El grafito se coloca en un tubo de cuarzo que se llena de gas argón y se
calienta a 1200 °C (2200 °F). Se enfoca un rayo láser pulsado sobre la pieza de trabajo, lo
que ocasiona que los átomos de carbono se evaporen de la masa de grafito. El argón
desplaza los átomos de carbono fuera de la región de alta temperatura del tubo y dentro de
un área donde se localiza un aparato de cobre con agua helada. Los átomos de carbono se
condensan sobre el cobre frío; mientras lo hacen, forman nanotubos con diámetros de 10-
20 nm y longitudes de alrededor de 100 𝜇m.
Técnica de arco de carbono. Usa dos electrodos de carbono que tienen diámetros entre 5
y 20 𝜇m y están separados por 1 mm. Los electrodos se localizan en un contenedor
parcialmente evacuado (alrededor de 2/3 de una presión atmosférica) a través del cual fluye
helio. Para iniciar el proceso, se aplica un voltaje de alrededor de 25 V a través de los dos
electrodos, lo que ocasiona que se expulsen átomos de carbono del electrodo positivo y se
transporten al electrodo negativo donde forman nanotubos. La estructura de los nanotubos
depende de si se usa un catalizador. Si no es así, entonces se producen nanotubos con
paredes múltiples. Si se colocan ciertas trazas de cobalto, hierro o níquel en el interior del
electrodo positivo, entonces el proceso crea nanotubos con una sola pared, los cuales
tienen de 1 a 5 nm de diámetro y alrededor de 1 𝜇m de largo.
BIBLIOGRAFÍA