Diseno y fabricacion de sistema de

microvalvula-bomba para control de

microfluidos

por

Mauricio Daniel Calderon Zamora

Tesis sometida como requisito parcial para obtener el grado de:

Maestro en Ciencias en el Area de Electronica

en el

Instituto Nacional de Astrofısica, Optica y Electronica (INAOE)

Agosto, 2019

Santa Marıa de Tonantzintla, Puebla

Asesor:

Dra. Claudia Reyes Betanzo

Coordinacion de Electronica en el INAOE

c©INAOE 2019

Todos los derechos reservados

El autor otorga al INAOE el permiso de reproducir y distribuir

copias en su totalidad o en partes de esta tesis

Resumen

Dentro de la microfluıdica, uno de los dispositivos con una gran importancia son

las microbombas, las cuales son capaces de desplazar pequenas cantidades de flui-

do (10−9–10−8 litros) a traves de canales con dimensiones de decenas o cientos de

micrometros. Estos dispositivos son de vital importancia para el desarrollo de micro-

sistemas de analisis completo (µTAS) o Lab-on-a-chip, los cuales tienen una amplia

variedad de aplicaciones, principalmente en campos como medicina y biologıa donde

son empleados para el transporte de pequenas cantidades de sustancias que deben

ser analizadas o para la administracion controlada y continua de ciertos medicamen-

tos. El objetivo de este trabajo de investigacion es disenar y fabricar un sistema de

microvalvula-bomba para ser empleado para el control de microfluidos. El diseno

propuesto emplea la atraccion electrostatica para deflexionar una membrana flexible

de carburo de silicio (α − SiC) y provocar los cambios de volumen dentro de la

camara de bombeo que a su vez generan una presion sobre el fluido de trabajo, el

cual sera agua, y ası poder desplazarlo desde la entrada hacia la salida. Se utiliza-

ron elementos nozzle/diffuser para realizar la rectificacion de fluido y promover el

desplazamiento del fluido en una direccion preferente. Se utilizo el software COM-

SOL Multiphysics para simular el comportamiento del modelo propuesto y obtener

resultados de la razon de flujo en la salida y la deflexion maxima de la membrana

durante el funcionamiento. Posteriormente, se diseno un plan de fabricacion para el

dispositivo tomando en cuenta las tecnologıas de microfabricacion y de desarrollo

II

de sistemas micro-electromecanicos (MEMS) empleando los resultados de investi-

gaciones previas en el area de fabricacion de dispositivos de microfluıdica realizados

en el INAOE. Para la fabricacion, se emplearon dos sustratos, un sustrato de sili-

cio conteniendo los canales de paso del fluido, las valvulas pasivas y la camara de

bombeo; y un sustrato de vidrio, el cual posee los puertos de acceso, ası como la

membrana flexible. En la fase final de fabricacion, se unen ambos sustratos para

formar el dispositivo completo.

Abstract

In the field of study of microfluidics, micropumps are one of the devices with a great

importance since they are able to move small amounts of fluid (10−9–10−8 litres)

through fluid channels with dimensions about tens or hundreds of microns. These

devices are of outmost importance in Micro Total Analysis Systems (µTAS) or Lab-

on-a-chip developing, which have a wide variety of applications, particularly in the

fields of medicine (e.g. for the transport of minute volumes of substances to be analy-

sed) and biology (e.g. for the continuous and controlled supply of a certain drug).

The main objective of this work is to design and manufacture a microvalve-pump

system for microfluidics control. The proposed design makes use of the electrostatic

attraction to deflect a flexible membrane made with silicon carbide (α − SiC) for

causing volume changes inside the pump chamber to move the working fluid (meant

to be water) across the system. Nozzle/diffuser elements were used as fluid rectifiers

to promote the fluid displacement in a preferential direction. COMSOL Multiphy-

sics was used to simulate the behaviour of the proposed model and to obtain results

about the output’s flow rate and the membrane’s maximum deflection during the

operation of the device. Subsequently, a device’s manufacturing plan was designed

taking into account current technologies in microfabrication and in development of

micro-electromechanical systems (MEMS) making use of the results of past re-

search in the field of microfluidic devices manufacturing carried out at INAOE. For

the manufacturing process, two substrates were used, a silicon substrate containing

IV

the fluid channels, the passive valves and the pumping chamber. And, a glass subs-

trate containing the device’s inlet and outlet and the flexible membrane. During the

final manufacture stage, both substrates were bonded to complete the whole device.

Agradecimientos

A mi asesora la Dra. Claudia Reyes Betanzo, por encaminarme para realizar

este proyecto.

Al personal del laboratorio de Microelectronica, por su apoyo durante los pro-

cesos de fabricacion.

A mis companeros, colegas y amigos del INAOE, quienes me apoyaron durante

todo este tiempo.

A CONACYT por la beca otorgada para realizar mi maestrıa.

A mi familia.

VI

Indice general

Resumen II

Abstract IV

Agradecimientos VI

Introduccion 1

Motivacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1. Tecnologıas de Microbombas 4

1.1. Microbombas de desplazamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.1.1. Microbombas recıprocas de desplazamiento . . . . . . . . . . . 5

Actuacion electrostatica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

Actuacion piezoelectrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

VII

Actuacion por aleacion con memoria de forma (SMA - Shape

Memory Alloy) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.1.2. Microbombas rotatorias de desplazamiento . . . . . . . . . . . 13

1.2. Microbombas dinamicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

1.2.1. Microbombas electrohidrodinamicas (EHD) . . . . . . . . . . 16

1.2.2. Microbombas electroosmoticas (EO) . . . . . . . . . . . . . . 17

1.2.3. Microbombas magnetohidrodinamicas (MHD) . . . . . . . . . 18

2. Diseno y simulacion de la microbomba 20

2.1. Principio de actuacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

2.2. Dimensiones de la microbomba . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

2.3. Voltaje pull – in de la membrana . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

2.3.1. Constante de elasticidad del diseno . . . . . . . . . . . . . . . 30

2.3.2. Frecuencia de resonancia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

2.4. Diseno de las valvulas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

2.5. Simulacion del dispositivo completo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

3. Plan de fabricacion 41

3.1. Descripcion del proceso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

3.2. Substrato 1 (silicio) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

3.3. Substrato 2 (vidrio) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

3.4. Union de ambos sustratos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

3.4.1. Union de obleas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

Union directa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

Union anodica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

Union adhesiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

3.5. Diseno de mascarillas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

4. Desarrollo experimental y resultados 61

4.1. Limpieza de sustratos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

4.2. Sustrato 1 (Silicio) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

4.2.1. Crecimiento de oxido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

4.2.2. Grabado de cavidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

4.2.3. Deposito de titanio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

4.3. Sustrato 2 (Vidrio) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

4.3.1. Deposito de α− Si como material enmascarante . . . . . . . . 68

4.3.2. Tension residual de pelıculas enmascarantes . . . . . . . . . . 69

4.3.3. Grabado de cavidades a traves de la oblea . . . . . . . . . . . 71

4.3.4. Deposito de membrana y electrodo superior . . . . . . . . . . 73

4.3.5. Liberacion de membrana . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

5. Conclusiones y trabajo a futuro 76

5.1. Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

5.2. Trabajo a futuro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

Indice de figuras

1.1. Estructura y operacion de una microbomba recıproca de desplaza-

miento. (a) Corte transversal de la bomba. (b) Ciclos de carga y des-

carga. Durante la fase de descarga el actuador reduce el volumen de

la camara de bombeo empujando el fluido de trabajo hacia la salida.

En la fase de succion la camara de bombeo se expande, permitiendo

que entre el fluido de trabajo por la entrada. . . . . . . . . . . . . . . 7

1.2. Actuacion electrostatica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.3. Actuacion piezoelectrica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.4. Actuacion termoneumatica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.5. Actuacion electromagnetica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.6. Microbomba con actuacion SMA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.7. Microbomba rotatoria tipo jet. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

1.8. Microbomba de micro engranes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

XI

1.9. Microbomba EHD de induccion. los arreglos de electrodos inducen

capacitivamente cambios reflejados en la interfase de los dos fluidos.

El cambio secuencial de los arreglos de electrodos resulta en un flujo

continuo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

1.10. Electroquımica de una interfaz solido - liquido y flujo electro osmoti-

co. (a) Reacciones quımicas en la interfaz dejan una carga superficial

(negativa). los iones opuestos en el lıquido se acumulan en la vecindad

de la carga superficial, formando la doble capa electrica. (b) Un cam-

po electrico aplicado externamente causa el movimiento de los iones

opuestos que cubren la pared de carga negativa, las fuerzas de arrastre

de los iones forzan el flujo en contra de un gradiente de presion. . . . 18

1.11. Vista superior (a) y vista transversal (b) de una microbomba magne-

tohidrodinamica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

2.1. Estructura de la microbomba de actuacion electrostatica. . . . . . . . 21

2.2. Principio de operacion de la microbomba electrostatica. . . . . . . . . 22

2.3. Ilustracion de la membrana flexible. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2.4. Modelo 3D de COMSOL de la membrana electrostatica. . . . . . . . 26

2.5. Deflexion de la membrana con respecto al voltaje aplicado en vacio. . 27

2.6. Deflexion de la membrana con respecto al voltaje aplicado en agua. . 28

2.7. Sistema masa - resorte sobre superficie sin friccion. a) Cuando el blo-

que se desplaza a la derecha del equilibrio, el resorte ejerce una fuerza

en el sentido contrario. b) Cuando el bloque esta en equilibrio el re-

sorte no ejerce fuerza alguna. c)Cuando el bloque se desplaza hacia la

izquierda del equilibrio, el resorte ejerce una fuerza en el bloque hacia

la derecha. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

2.8. Rectificacion de flujo en una microbomba sin valvulas. a)modo de ex-

pansion (incremento de volumen en la camara de bombeo) y b) modo

de contraccion (decremento de volumen en la xamara de bombeo).

Las flechas mas gruessas implican razones de flujo mayores. . . . . . . 34

2.9. Elementos inyector/difusor a) conico, b) piramidal y c) planar. . . . . 35

2.10. Valvula pasiva en la microbomba. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

2.11. Valvula pasiva en la microbomba. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

2.12. Modelo 3D del dispositivo en COMSOL. . . . . . . . . . . . . . . . . 37

2.13. Voltaje de polarizacion del electrodo superior. . . . . . . . . . . . . . 38

2.14. Grafica de la razon de flujo del dispositivo. . . . . . . . . . . . . . . . 39

2.15. Razon de flujo promedio a diferentes frecuencias. . . . . . . . . . . . . 40

3.1. Proceso de micromaquinado de volumen empleado para fabricar una

membrana con elementos piezoresisitivos. El micromaquinado del si-

licio adelgaza selectivamente la oblea de silicio desde un grosor inicial

de 425µm a 20µm que medira la membrana. La fabricacion del dia-

fragma requiere mas de un control en el grabado vertical que de los

grabados laterales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

3.2. Estructura tıpica de un proceso de micromaquinado de superficie . . . 43

3.3. Esquema conceptual del dispositivo. a) Substrato 1, b) Substrato 2,

c) Dispositivo completo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

3.4. Esquema de la secuencia de fabricacion del substrato 1. . . . . . . . . 48

3.5. Esquema de la secuencia de fabricacion del substrato 2. . . . . . . . . 52

3.6. Proceso de union de sustratos a temperatura ambiente: a) los sustratos

se lavan con agua corriente a una alta razon de flujo (10–20m/s); b)

los sustratos se sumergen en una solucion concentrada de H2SO4 o

agua; c) los sustratos se ponen en contacto directo mientras estan bajo

un flujo continuo de agua desmineralizada; d) los sustratos unidos se

dejan reposar a temperatura ambiente por mas de 3 horas. . . . . . . 54

3.7. Proceso de union anodica. a) Se aplica un alto voltaje entre ambos

sustratos. b) Los sustratos quedad fuertemente unidos por el proceso. 55

3.8. Proceso de union adhesiva. a) Aplicacion de adhesivo a la oblea de

sacrificio, b) transferencia de adhesivo por medio del contacto con la

oblea de sacrificio, c) desprendimiento de la oblea con adhesivo, d)

alineacion y contacto, e) union de obleas . . . . . . . . . . . . . . . . 56

3.9. Esquema de la secuencia de la union de sustratos. . . . . . . . . . . . 57

3.10. Capas superpuestas de las mascarillas del dispositivo. . . . . . . . . . 58

3.11. Mascarillas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

3.12. Esquema de la secuencia de fabricacion. . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

4.1. Oblea de silicio con oxido. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

4.2. Imagen SEM de una cavidad grabada. . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

4.3. Perfil de la cavidad grabada con KOH . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

4.4. Substrato terminado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

4.5. Ejemplos de tensiones extrınsecas e intrınsecas. . . . . . . . . . . . . 69

4.6. Curvatura del sustrato antes del tratamiento termico. . . . . . . . . . 70

4.7. Curvatura del sustrato despues del tratamiento termico. . . . . . . . . 71

4.8. Ventanas sobre el α− Si. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

4.9. Oblea de vidrio grabada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

4.10. Herramientas empleadas para hacer las perforaciones . . . . . . . . . 75

Indice de tablas

2.1. Dimensiones del modelo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

2.2. Propiedades del Carburo de Silicio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

2.3. Propiedades del Titanio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

2.4. Dimensiones del modelo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

4.1. Condiciones para la resina AZ1512. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

4.2. Condiciones para la resina ma-P 1275. . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

4.3. Condiciones para la resina AZ6632. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

XVI

Introduccion

En diferentes areas de la ciencia se tiene la necesidad de interactuar con volumenes

pequenos de fluido, alrededor de 1 ml o menores. Estos fluidos son bombeados o

controlados durante su operacion dentro de diferentes sistemas. Por ejemplo, algunas

muestras biologicas deben desplazarse a traves de los componentes de sistemas de

ensayo en miniatura y lıquidos refrigerantes deben ser transportados hacia micro

intercambiadores de calor [1]. Este problema es atendido por la micro fluıdica, la

ciencia que estudia las propiedades y movimiento de fluidos en escalas micrometricas

[2].

En la escala micrometrica, las fuerzas capilares y tensiones superficiales se vuelven

mas dominantes; estas fuerzas son empleadas para realizar una gran variedad de

tareas, tales como filtrado de varias muestras de analisis y bombeo de fluidos a

traves de un micro canal [2]. En la actualidad, la micro fluidica ha encontrado su

mayor aplicacion en areas de diagnostico medico, produccion de quımicos, desarrollo

de medicamentos, entre otras [3].

Conceptualmente, la idea detras de la micro fluıdica es la de manipular fluidos con

precision empleando un dispositivo en micro escala el cual serıa fabricado con tec-

nologıas ya desarrolladas en la industria de semiconductores. Estos dispositivos son

comunmente llamados “microsistemas de analisis completo” (μTAS - miniaturized

total analisis systems) o “lab-on-a-chip” (LoC), sus principales caracterısticas son

1

que se reduce el tamano de la muestra sustancialmente, reduce el costo de reactivos

y maximiza la informacion obtenida con una sola muestra [2].

Para poder manejar tales cantidades de fluidos, se requiere de un actuador capaz

de interactuar con el fluido en dicha escala, el mas comun es la microbomba. En la

literatura se encuentran reportados diferentes tipos de microbombas, con diferentes

principios de operacion. Sin embargo, la fabricacion de muchos de estos dispositivos

requiere de tecnologıas poco comunes, implican un alto costo de manufactura o solo

se pueden utilizar bajo condiciones especiales [2].

Con el desarrollo de las tecnologıas de micro fabricacion y la especializacion de es-

tas tecnicas debido al avance en las tecnologıas de MEMS (Micro-Electro Mechanical

Systems), se ha logrado el desarrollo de dispositivos de microbombas mas pequenas,

baratas y faciles de fabricar ya que se emplean tecnicas y herramientas ya conocidas

dentro del campo de fabricacion de circuitos integrados.

Todo esto ha provocado un gran desarrollo y una gran demanda de nuevos disposi-

tivos de micro fluıdica, lo que requiere de disenos mas baratos y faciles de ensamblar.

Como regla general, la forma de fabricacion se determina por medio de las tecno-

logıas y equipos disponibles, costo, rapidez, capacidades de fabricacion (por ejemplo,

el tamano deseado) y los materiales a emplear como sustrato. En la actualidad exis-

ten una gran variedad de tecnicas para micro fabricacion como grabado humedo,

grabado seco, micro maquinado de volumen o superficial, fotolitografıa, entre otros

[4].

Tomando en cuenta todo lo anterior, el diseno de una microbomba requiere del

analisis de varios conceptos, ası como tambien del analisis de varias alternativas

que se adapten a los costos esperados, las tecnologıas y equipos disponibles y al

desempeno y confiabilidad del diseno. El uso de herramientas de simulacion es vital

para realizar el analisis de todos estos conceptos y obtener el diseno mas adecuado

2

a nuestras posibilidades de fabricacion. Esto permite una transicion mas sencilla del

concepto de diseno a la fabricacion del mismo.

Motivacion

Actualmente, uno de los mas grandes problemas para ciencias como la medicina o

la biologıa, es la realizacion de analisis de ciertas muestras. Comunmente, las pruebas

realizadas tıpicamente, tambien llamadas “pruebas en macro escala”, requieren que

la muestra a analizar sea lo suficientemente grande, utilizan una gran cantidad de

quımicos reactivos que finalmente generan contaminacion y toman una considerable

cantidad de tiempo para generar resultados.

Objetivos

El objetivo de esta tesis es proponer el diseno de una microbomba, ası como es-

tablecer un modelo teorico matematico bajo el cual se describa su funcionamiento

y comprobar dichos resultados por medio de herramientas de simulacion. Una vez

probada la funcionalidad del diseno, proponer un proceso de fabricacion para dicho

dispositivo, tomando en cuenta la tecnologıa disponible en el laboratorio de micro-

electronica del INAOE y llevar a cabo dicha fabricacion.

3

Capıtulo 1

Tecnologıas de Microbombas

En este capıtulo se hace un resumen de la tecnologıa existente en microbombas.

En la primera parte se presentan los distintos tipos de operacion empleados por las

microbombas, ademas tambien se presentan algunos disenos reportados.

Como en la mayorıa de los campos de las ciencias donde se tiene un grupo de

objetos de estudio con caracterısticas similares, es necesario crear un criterio para

clasificarlos en subgrupos y ası estudiarlos de manera mas sencilla. Las microbombas

no son la excepcion, estas son clasificadas de acuerdo a su modo de funcionamiento

u operacion. Empleando este criterio se tienen dos grandes grupos: 1) microbombas

de desplazamiento y 2) microbombas dinamicas [5].

Las microbombas de desplazamiento basan su funcionamiento en aplicar fuerzas

de presion al fluido de trabajo por medio de una o varias superficies moviles dentro

del sistema. Este tipo de sistemas trabajan de una manera periodica y emplean

algun principio de rectificacion de fluidos para producir un flujo neto. Esto puede

ser logrado de diferentes maneras como por medio de un movimiento recıproco,

empleando pistones, un diafragma o elementos rotacionales como engranes [1].

4

El segundo tipo de microbombas se basa en proveer continuamente energıa al

fluido de trabajo de tal manera que incremente su momento o aumente la presion

del mismo. Este tipo de funcionamiento es mas complejo para ser implementado ya

que depende en gran medida del fluido a ser bombeado. Dentro de esta categorıa

se encuentran microbombas de actuacion electrohidrodinamica, electroosmotica y

magnetohidrodinamica [1].

1.1. Microbombas de desplazamiento

1.1.1. Microbombas recıprocas de desplazamiento

Las microbombas recıprocas de desplazamiento son aquellas en las cuales las pare-

des moviles ejercen presion sobre el fluido de trabajo de una manera periodica. Este

tipo de bombas son reportadas frecuentemente en la literatura. Comunmente en este

tipo de microbombas, la superficie movil que aplica presion al fluido es una placa

deformable (un diafragma) sujeta por las orillas. Frecuentemente este diafragma de

la microbomba es fabricado de silicio, vidrio o plastico [1].

La figura 1.1 describe la operacion y estructura de una microbomba recıproca de

desplazamiento generica. Los componentes basicos de la microbomba son: la camara

de bombeo (unida por un lado al diafragma de bombeo), un mecanismo de actuacion

y dos valvulas de control para la entrada y salida, las cuales pueden ser pasivas (que

realizan su funcion como resultado de su diseno) o activas (requieren algun metodo

de actuacion). El diseno mostrado en la figura 1.1 esta construido a base de cuatro

capas de materiales. En la literatura pueden encontrarse microbombas construidas

con tan solo dos capas de materiales o hasta con siete capas de materiales [1].

5

El principio comunmente empleado en este tipo de microbombas se basa en uti-

lizar una camara de bombeo con un diafragma flexible en (al menos) un lado. El

movimiento oscilatorio de este diafragma genera un ciclo de bombeo en dos fases

con cambios periodicos del volumen de la camara y, por lo tanto, altas y bajas de

presion transitorias en la camara de bombeo. Durante la fase de descarga, la sobre-

presion en la camara de bombeo, causada por la deflexion del diafragma, transfiere

el lıquido hacia la salida. En la fase de succion, la baja presion de la camara, gene-

rada por la contraccion del diafragma a su estado natural, succiona el fluido desde

la entrada hacia la camara de bombeo [6].

Las valvulas en la entrada y salida de la microbomba bloquearan el flujo inverso

no deseado en cada una de las respectivas fases. Por lo tanto, estas valvulas actuan

como “rectificadores de fluido” que convierten el movimiento bidireccional del fluido

generado dentro de la camara, en el flujo unidireccional deseado. El fluido es entrega-

do en una serie de volumenes discretos cuya magnitud depende del desplazamiento

volumetrico del diafragma durante un ciclo [6].

Los mecanismos de accion de estas bombas son de diversos tipos y configuraciones;

en la literatura se han reportado microbombas recıprocas de desplazamiento con

actuadores piezoelectricos, electrostaticos, termoneumaticos y neumaticos. Para las

valvulas de control se emplean diversos modelos desarrollados en base de aletas u

otras estructuras moviles, ası como estructuras con una geometrıa fija que rectifican

el fluido apoyandose en efectos inerciales.

Actuacion electrostatica

Dentro del mundo de dispositivos MEMS, se emplean ampliamente las fuerzas

electrostaticas para generar algun tipo de actuacion. Para el caso de las microbombas

recıprocas de desplazamiento con actuacion electrostatica se emplea el arreglo del

6

Figura 1.1: Estructura y operacion de una microbomba recıproca de desplazamiento. (a)Corte transversal de la bomba. (b) Ciclos de carga y descarga. Durante la fase de descargael actuador reduce el volumen de la camara de bombeo empujando el fluido de trabajohacia la salida. En la fase de succion la camara de bombeo se expande, permitiendo queentre el fluido de trabajo por la entrada.

capacitor de placas paralelas [1]. Como se muestra en la figura 1.2, este consiste por

dos electrodos separados por una cierta distancia donde un electrodo se encuentra

sobre una superficie fija, mientras que el otro se coloca sobre la superficie de la

membrana flexible.

Figura 1.2: Actuacion electrostatica.

La actuacion electrostatica depende de la fuerza de atraccion de Coulomb entre dos

placas con cargas opuestas para inducir un desplazamiento o ejercer una fuerza. La

7

magnitud de la fuerza de atraccion depende de la energıa almacenada en el campo

electrostatico del dispositivo. Para un voltaje V aplicado entre el area de las dos

placas A separadas por una distancia d, la fuerza electrostatica es igual a

F =1

2ε0

(V

d

)2

A (1.1)

donde ε0 es la permitividad del espacio libre [7].

El principio de operacion de estas microbombas es simple, se aplica un voltaje

sobre ambas terminales, generando una fuerza de atraccion electrostatica que atrae

al electrodo movil hacia el electrodo opuesto, causando ası una deflexion de la mem-

brana flexible y esto a su vez causa la diferencia de volumen (y de presion) dentro

de la camara de bombeo que produce el desplazamiento de fluido. Para producir el

efecto de bombeo se debe aplicar una senal de voltaje oscilatoria que polarice los

electrodos para producir la deflexion de la membrana y, posteriormente despolarice

ambos electrodos para permitir que la membrana regrese a su estado inicial.

La actuacion electrostatica ofrece frecuencias de operacion de hasta unos cuantos

kHZ, un consumo extremadamente bajo de potencia y total compatibilidad con la

tecnologıa MEMS. Sin embargo, su mayor desventaja se encuentra en las pequenas

deflexiones que pueden producirse, que usualmente se limitan a unos cuantos micro-

metros con voltajes de actuacion correspondientes de hasta 200V . Tambien puede

ocurrir la degradacion del desempeno del actuador durante el funcionamiento del

dispositivo en altos voltajes de operacion, esto debido a la acumulacion de cargas

superficiales dentro del medio entre las placas, lo cual reduce le fuerza del campo

electrico interno y por lo tanto la deflexion de la membrana [6].

8

Actuacion piezoelectrica

La actuacion piezoelectrica fue el primer principio implementado en la fabricacion

de microbombas. Este concepto es muy atractivo debido a que genera deflexiones

considerablemente grandes, una alta fuerza de actuacion y una respuesta rapida del

material. Se pueden considerar como desventajas el voltaje de actuacion compa-

rativamente alto y el complicado proceso de montaje de los discos piezoelectricos

[6; 7].

Figura 1.3: Actuacion piezoelectrica.

Una optimizacion sistematica del procedimiento de montaje puede mejorar signi-

ficativamente la confiabilidad y rendimiento de este tipo de actuador. Sin embargo,

la integracion hıbrida requiere de una union bien definida lo cual es crıtico para el

desempeno del actuador y no tan facil de conseguir. Por lo tanto, se ha estudiado el

deposito de pelıculas delgadas de material piezoelectrico como una tecnica de inte-

gracion alternativa. Aunque la factibilidad de esta tecnica ha sido demostrada, las

deflexiones resultantes de 1µm a 100V son pequenos comparado con los presentados

para el material en bloque (por ejemplo, 15µm a 100V ) [6].

La actuacion piezoelectrica puede funcionar a frecuencias mayores a 1kHz por

medio de campos electricos en el orden de 10kV/cm o mayores. La eficiencia de la

conversion electromecanica en este tipo de actuadores es tıpicamente entre 10 y 30 %

[1].

9

Actuacion termoneumatica

Otro concepto de actuacion fue presentado por van de Pol et al. [8]. Su diseno

es similar al presentado en la figura 1.4. Este consta de una membrana flexible

que causa un cambio de volumen dentro de la camara de bombeo con el fin de

desplazar un volumen de fluido, la mayor diferencia se encuentra en que, en este

caso existe una camara secundaria que contiene un segundo fluido de trabajo y un

resistor adherido en la pared movil de la camara secundaria. Al aplicar un voltaje

al resistor, este se calienta, calentando ası el fluido de trabajo secundario, el cual

se expande y deflexiona la membrana. Al dejar de polarizar el resistor, el fluido de

trabajo secundario se enfrıa y se contrae, causando que la membrana regrese a su

estado original [1].

Este tipo de actuador representa una alternativa de bajo voltaje al actuador pie-

zoelectrico, ya que no requiere de grandes esfuerzos en el caso del circuito de control.

Ademas, los actuadores termoneumaticos pueden ser fabricados muy compactos, y

sin embargo pueden generar grandes deflexiones para producir altas razones de bom-

beo. La integracion en procesos estandar de fabricacion se logra con facilidad [6].

La principal desventaja de este principio de actuacion se encuentra en la constante

de tiempo relativamente grande, especialmente durante la fase de enfriado. Esto

limita la frecuencia de operacion a aproximadamente 50Hz [1].

Figura 1.4: Actuacion termoneumatica.

10

Actuacion electromagnetica

La actuacion electromagnetica es empleada algunas veces como metodo de ac-

tuacion para las microbombas y por lo tanto no se encuentra mucho dentro de la

literatura. Aunque no es muy compatible con la tecnologıa MEMS, el concepto de ac-

tuacion puede ser facilmente adaptado de manera modular y ası ofrecer los beneficios

de la optimizacion por separado del actuador y la microbomba [6].

Figura 1.5: Actuacion electromagnetica.

En la figura 1.5 se muestra el diseno de microbomba por actuacion electromagneti-

ca presentado por Darıo et al. [9], el cual consiste en la interaccion de un iman per-

manente que interactua con el campo magnetico generado por un microinductor. Al

hacer cruzar una corriente por el inductor, se genera un campo magnetico que atrae

al iman permanente unido a la membrana y por lo tanto esta ultima se deflexiona.

Al retirar la corriente, se deja de ejercer una fuerza sobre el iman permanente y la

membrana regresa a su estado original [1; 6; 7].

Este tipo de actuadores se caracteriza por deflexiones grandes, alta eficiencia,

grandes fuerzas de actuacion, fabricacion simple y bajo costo [9]. Al comparar este

11

tipo de actuacion con la piezoelectrica, se observa que la eficiencia es casi la misma,

sin embargo, el tamano del diseno por actuacion electromagnetica resulta mas grande

que el diseno por actuacion piezoelectrica [1].

Actuacion por aleacion con memoria de forma (SMA - Shape Memory Alloy)

Otro metodo de actuacion menos comun en la literatura son las aleaciones con me-

moria de forma (SMA). Este tipo de materiales posee un efecto de memoria de forma

el cual causa que el material regrese a una determinada forma cuando es sometido

a un aumento de temperatura. Este efecto es causado debido a la reestructuracion

atomica dentro del material durante los cambios de fase. A bajas temperaturas la

fase del material es “Martensita”, que es un tipo de estructura cristalina caracteri-

zada por su alta ductilidad y que puede ser deformada facilmente. Simplemente al

aplicar una mayor temperatura al material, la fase del material deformado cambia

a “Austenita” y la deformacion inducida a bajas temperaturas puede ser totalmen-

te recuperada. Por lo tanto, la repetida deformacion y calentemiento del material

produce la energıa mecanica para desplazar fluido [10].

La figura 1.6 muestra un diseno de microbomba con este tipo de actuacion pre-

sentado por Fong et al. [11]. Este dispositivo cuenta con una camara de bombeo con

dos microvalvulas y un reservorio que guarda la sustancia a ser bombeada, todo esto

conectado por dos canales los cuales van del reservorio a la valvula de entrada y de

la valvula de salida hacia afuera del dispositivo.

La accion de bombeo es producida por un SMA inalambrico fabricado con la alea-

cion nıquel – titanio (Ni-Ti), el cual fue disenado para tener un inductor rectangular

con un capacitor integrado para formar un circuito tanque LC. Este funciona como

un calentador inalambrico sensible a la frecuencia el cual se activa por medio de un

campo electromagnetico RF.

12

La operacion de este actuador es controlada cuando se polariza inalambricamente

el calentador LC de Ni-Ti, el cual induce una fuerza electromotriz RF en el circuito

y se calienta mas efectivamente a medida que la frecuencia del campo es ajustada

a la frecuencia de resonancia del circuito (fR). Cuando la temperatura del inductor

de Ni-Ti excitado excede la temperatura umbral del Ni-Ti, Ta, el doblamiento del

inductor regresa a su posicion plana original, provocando una accion tipo palanca

que causa una diferencia de volumen dentro de la camara de bombeo [11].

Figura 1.6: Microbomba con actuacion SMA.

1.1.2. Microbombas rotatorias de desplazamiento

Las microbombas rotatorias de desplazamiento son un tipo de microbombas que

consisten en un elemento rotatorio para desplazar el fluido. Dependiendo de los

diferentes conceptos de diseno, las microbombas rotatorias de desplazamiento hacen

13

uso de fuerzas viscosas o de fuerzas de presion para llevar a cabo la accion de bombeo

[12].

Este tipo de microbombas hace uso de microrotores mecanicos que bombean el

fluido. Debido al dominio de fuerzas viscosas en la microescala, llevar a cabo la accion

de bombeo por medio de fuerzas viscosas es posible.

Dentro de la literatura se encuentra unicamente un pequeno numero de este tipo

de microbombas reportadas, principalmente se pueden encontrar bombas de micro-

engranes. La microfabricacion de estructuras de engranes sueltas es posible, pero la

minimizacion de los espacios entre los engranes y el encapsulado, por medio del cual

puede ocurrir un flujo inverso, es el reto a afrontar [1].

Uno de los primeros tipos de microbombas rotatorias desarrolladas para aplica-

ciones de microfluıdica (especialmente para desplazamiento de medicamentos) es la

microbomba tipo jet de actuacion magnetica. El diseno consta en un micromotor

rotatorio que es unido a un rotor dentado (figura 1.7) [12]. Su funcionamiento se

basa en hacer girar el micromotor para desplazar pequenos flujos entre las cavidades

del rotor dentado desde la entrada a la salida. Empleando este tipo de microbomba

se han conseguido razones de flujo de hasta 24µl/min a una presion de 10kPa [13].

Figura 1.7: Microbomba rotatoria tipo jet.

Otro tipo de microbomba es la de micro engranes, la cual es un tipo de micro-

bomba de desplazamiento positivo que consiste de dos engranes interconectados y

14

un encapsulado (figura 1.8). La rotacion de los engranes forza el paso de pequenos

flujos a traves de los espacios entre la bomba y el encapsulado.

Figura 1.8: Microbomba de micro engranes.

1.2. Microbombas dinamicas

Las microbombas dinamicas (tambien llamadas microbombas no mecanicas) son

aquellas que transforman algun tipo de energıa no mecanica en un momento cinetico

de tal manera que pueden trasladar el fluido contenido en ellas a traves de un arreglo

de microcanales [7]. Una propiedad frecuente de este tipo de microbombas es la

simplicidad de las estructuras involucradas, dado que no se requiere de ninguna

parte mecanica. Sin embargo, en muchos casos el desempeno de estos dispositivos

se ve fuertemente ligado a un cierto numero de propiedades del fluido de trabajo, lo

cual limita su funcionamiento solo a cierta clase de fluidos [6].

En la literatura se encuentran reportadas microbombas que emplean distintos

principios: electrohidrodinamicas, electroosmoticas y magnetohidrodinamico.

15

1.2.1. Microbombas electrohidrodinamicas (EHD)

Este tipo de microbombas se basa en la interaccion de fuerzas electrostaticas con

los iones dentro del fluido dielectrico [1; 7]. En otras palabras, el fluido es manipulado

por la interaccion entre un campo electrico externo y las cargas inducidas por este

campo en el fluido [7].

Se han reportado varias microbombas que basan su funcionamiento en la fuerza de

coulomb que actua sobre las cargas libres en un campo. La operacion de este tipo de

microbombas requiere de la existencia de carga espacial en un fluido dielectrico. La

carga espacial puede ser producida debido a las inhomogeneidades dentro del fluido,

o a traves de la disociacion o inyeccion directa de carga. Estos tres mecanismos para

la generacion de carga espacial son asociados con el bombeo EHD por induccion,

conduccion e inyeccion respectivamente [1].

En las bombas EHD por induccion, la carga es inducida sobre el fluido de trabajo

inhomogeneo a traves de la aplicacion de una diferencia de potencial a traves del

fluido. Esto puede, por ejemplo, ser logrado con un campo electrico con una compo-

nente transversa a la direccion de flujo, como se muestra en la figura 1.9. Entonces

los electrodos son activados en una configuracion de onda viajera y las componentes

axiales del campo electrico resultan en un flujo continuo [1].

Las microbombas de conduccion EHD dependen en el arrastre de iones asociado

con la conduccion bipolar. Microbombas con este tipo de funcionamientos no han

sido reportados en la literatura [1].

En la literatura se han reportado microbombas EHD basadas en la inyeccion de

iones hacia el fluido de trabajo en los electrodos. Para interfaces especificas electro-

do/liquido, la aplicacion de un campo electrico muy alto (> 100kV/cm) causa que

los iones sean inyectados hacia el volumen del fluido. La fuerza de coulomb actua

sobre las cargas inyectadas; la interaccion viscosa genera el flujo de volumen [1].

16

Figura 1.9: Microbomba EHD de induccion. los arreglos de electrodos inducen capaciti-vamente cambios reflejados en la interfase de los dos fluidos. El cambio secuencial de losarreglos de electrodos resulta en un flujo continuo.

La gran desventaja de este tipo de microbombas es la total dependencia en las

propiedades electricas (permitividad y permisividad) del fluido a ser transportado.

Tıpicamente la conductividad electrica debe permanecer entre 10−10 y 10−9S, lo

que limita severamente la aplicacion de estos dispositivos en fluidos no conductores

o no ionicos [6]

1.2.2. Microbombas electroosmoticas (EO)

Las microbombas electroosmoticas (EO) hacen uso de la carga superficial que se

genera espontaneamente cuando un lıquido se pone en contacto con un solido. Los

iones opuestos del volumen de liquido cubren esta carga superficial, completando de

esta forma la doble capa electrica (DCE) [1; 7].

Una porcion de estos iones contrarios en la fase liquida de la DCE pueden ser

puestos en movimiento por la aplicacion de un campo electrico paralelo a la pared.

Los iones moviles arrastran el volumen de liquido en la direccion de la fuerza. En el

caso de ceramicas a base de sılice (vidrio) a un pH mayor a 4, grupos superficiales

de silanol pierden un proton dejando ası una carga superficial negativa. El flujo de

volumen es por lo tanto inducido en la direccion del flujo electrico. Este fenomeno

17

es muestra en la figura 1.10 [1; 7].

Figura 1.10: Electroquımica de una interfaz solido - liquido y flujo electro osmotico. (a)Reacciones quımicas en la interfaz dejan una carga superficial (negativa). los iones opues-tos en el lıquido se acumulan en la vecindad de la carga superficial, formando la doblecapa electrica. (b) Un campo electrico aplicado externamente causa el movimiento de losiones opuestos que cubren la pared de carga negativa, las fuerzas de arrastre de los ionesforzan el flujo en contra de un gradiente de presion.

1.2.3. Microbombas magnetohidrodinamicas (MHD)

Diversas microbombas magnetohidrodinamicas han sido reportadas en la litera-

tura, en este tipo de microbombas los iones portadores de corriente dentro de la

solucion acuosa son sometidos a un campo magnetico para impartir una fuerza de

Lorentz al liquido e inducir flujo [1; 6]. En la se muestra un esquema de este tipo de

microbomba.

El efecto magnetohidrodinamico se refiere al flujo de un cierto fluido conductor

debido a campos magneticos y electricos, las microbombas con esta actuacion gene-

ralmente tienen una estructura simple, la cual consiste de un microcanal formado

por dos paredes delimitadas por electrodos generadores de campo electrico y dos pa-

redes delimitadas por imanes permanentes generadores de campos magneticos con

polaridad opuesta. La interaccion de los campos magnetico y electrico generan la

fuerza de Lorentz, la cual causa el movimiento del fluido por el canal [7].

18

Figura 1.11: Vista superior (a) y vista transversal (b) de una microbomba magnetohidro-dinamica.

Las microbombas MHD pueden bombear cualquier fluido conductor del rango de

1S/m y la mayorıa de las soluciones acuosas empleadas en aplicaciones biologicas

comunes. Ademas, estos dispositivos pueden operar empleando campos electricos

AC o DC [7]. Tambien, este principio es bidireccional por naturaleza, dado que

la inversion del flujo se logra facilmente por medio de la inversion de la corriente

electrica o del vector del campo magnetico [6]. Tıpicamente las bombas MHD pueden

generar pequenas razones de flujo y presion, por ejemplo 63µl/min y 170Pa para

el dispositivo presentado por Jang y Lee [14], tambien la efectividad de este mismo

esta limitada por el fluido a ser bombeado.

19

Capıtulo 2

Diseno y simulacion de la microbomba

En este capıtulo se presenta el diseno propuesto del dispositivo considerando las

capacidades de fabricacion del laboratorio de microelectronica del Instituto Nacional

de Astrofısica, Optica y Electronica (INAOE). Tambien se tomaron en cuenta las

posibles aplicaciones del dispositivo para poder definir algunos aspectos de su fun-

cionamiento como lo son: la forma de actuacion y las dimensiones del dispositivo. Se

tomo como base el diseno propuesto por Liwei Li [15], el cual se muestra en la figura

2.1. Se puede observar que el diseno se compone en dos partes, la parte inferior que

tiene una cavidad donde en el fondo se encuentra un electrodo, y la parte superior

que consta de una membrana suspendida donde se ubica el electrodo contrario, y

ademas tiene marcadas la entrada y salida de fluido el cual es controlado por una

valvula.

20

Figura 2.1: Estructura de la microbomba de actuacion electrostatica.

2.1. Principio de actuacion

Para el diseno del dispositivo, se considero la actuacion electrostatica como la

opcion mas viable debido a la simplicidad de su principio de operacion y a la faci-

lidad para ser implementada con la tecnologıa de fabricacion disponible. Bajo este

principio de actuacion la microbomba funcionaria de la siguiente manera:

1. Al aplicar un voltaje entre ambos electrodos, se genera una fuerza electrostatica

que provoca una deflexion en la membrana hacia el electrodo inferior, esto

causa una reduccion de volumen dentro de la camara, que a su vez genera

un incremento en la presion de la camara. Para ser liberado el fluido debe

desplazarse desde adentro de la camara hacia la valvula de salida.

2. Al retirar el voltaje aplicado, la fuerza electrostatica deja de actuar sobre la

membrana y esta, al ser un material flexible, regresa a su estado natural sin

deflexion. Este efecto vuelve a producir una diferencia de volumen (y una

diferencia de presion) dentro de la camara la cual, para ser liberada, el fluido

tiene que entrar hacia la camara de bombeo desde la valvula de entrada.

La repeticion cıclica de este proceso produce un flujo de lıquido desde la entrada

hacia la salida del dispositivo, este proceso es ilustrado en la figura 2.2 [6].

El primer asunto a resolver es la deflexion de una membrana flexible, para ello se

21

debe definir el problema: se desea analizar la deflexion de una membrana circular

flexible, la cual esta anclada por toda su circunferencia (no existe deflexion alguna),

al aplicar una fuerza sobre esta (atraccion electrostatica). Este problema se ilustra

en la figura 2.3.

Figura 2.2: Principio de operacion de la microbomba electrostatica.

Figura 2.3: Ilustracion de la membrana flexible.

Primero, podemos asumir que el voltaje aplicado sobre la membrana genera una

presion constante P0 sobre esta, la cual hace que la placa se doble. Esta presion esta

dada por:

P0 = Patm +Fe

πa2(2.1)

22

Tomando en cuenta la geometrıa de la placa, la teorıa basica de placas establece

que el resultado de la deflexion esta dado por [16]:

w(r) =P0a

4

64D

(1 − r2

a2

)2

= wpk

(1 − r2

a2

)2

(2.2)

Donde r es la posicion radial, a es el radio de la placa y D es la constante de

rigidez del material definida como:

D =Et3

12(1 − ν2)(2.3)

Donde t es el grosor de la placa, E es el modulo de Young y ν es el coeficiente de

Poisson.

La deflexion maxima se alcanza en el centro de la placa donde r = 0, por lo tanto,

podemos definir la deflexion maxima como:

wpk =P0a

4

64D(2.4)

Al aplicar un voltaje a los electrodos, se produce una fuerza de atraccion elec-

trostatica entre la membrana y el sustrato, tal fuerza esta descrita por:

F =1

2εA

(V

d

)2

(2.5)

Donde ε es la permitividad del medio entre los electrodos, A es el area de la

membrana, d es la separacion entre ambos electrodos y V es el voltaje aplicado [17].

Para deflexiones pequenas con respecto al grosor de la placa, la deflexion de esta es

23

proporcional a la fuerza aplicada. Sin embargo, para deflexiones grandes con respecto

al grosor de la placa, el estiramiento de la membrana resulta en relaciones no lineales

de desplazamiento, por lo que el modelo requiere ser modificado.

Cuando se trata de deflexiones grandes (comparables con el grosor de la mem-

brana), se deben de tomar en cuenta la tension generada en el plano central de la

membrana, esto lleva a que la ecuacion de deflexion sea modificada para incluir esta

tension. La ecuacion se muestra a continuacion [18]:

w(r) =P0a

4

64D

1

1 + 0.488w(r)h2

(1 − r2

a2

)2

= wpkk0

(1 − r2

a2

)2

(2.6)

Donde:

k0 =1

1 + 0.488w0

h2

(2.7)

2.2. Dimensiones de la microbomba

Tomando en cuenta las dimensiones propuestas y los resultados presentados por

Liwei Li [15], se definieron el grosor de la membrana de 1µm, el grosor de los elec-

trodos de 300nm y el diametro de la membrana de 1mm; tomando una separacion

entre placas (la profundidad de la cavidad) de 10µm. Se propuso titanio como el

material para los electrodos. Se propuso al Carburo de Silicio como material para

la membrana debido a sus excelentes propiedades mecanicas, quımicas, electricas y

opticas, las cuales han sido estudiadas en el INAOE [19; 20].

Para las propiedades del Carburo de Silicio se tomaron los resultados presentados

por M. A. El Khakani [21], ya que presenta resultados de pelıculas delgadas de

24

Parametro Valor

Diametro de la membrana (d) 1mmGrosor de la membrana (hm) 1µm

Grosor del electrodo (he) 300nmSeparacion de las placas (D0) 10µm

Tabla 2.1: Dimensiones del modelo.

carburo de Silicio depositado por PECVD. Las propiedades del carburo de silicio se

muestran en la tabla 2.2.

Parametro Valor

Densidad (ρ) 3, 210kg/m3

Coeficiente de Poisson (ν) 0.22 ± 0.11Modulo de Young (E) 153 ± 10GPa

Tabla 2.2: Propiedades del Carburo de Silicio.

Las propiedades del titanio para los electrodos fue tomada de la literatura presen-

tada en [22] se presenta en la tabla siguiente:

Parametro Valor

Densidad (ρ) 4, 506kg/m3

Coeficiente de Poisson (ν) 0.31Modulo de Young (E) 110GPa

Tabla 2.3: Propiedades del Titanio.

Para conocer el funcionamiento de la membrana, se empleo el modelo matematico

descrito anteriormente (ec. 2.6), resolviendo la ecuacion para obtener la deflexion

de la membrana. De la misma forma, se empleo el software COMSOL Multiphysics

para comprobar los resultados obtenidos con el modelo matematico. El modelo 3D

de COMSOL se muestra en la figura 2.4. El modelo 3D se compone de 4 cilindros

apilados en el siguiente orden de abajo hacia arriba: electrodo inferior, fluido de

trabajo, electrodo superior y membrana.

Primero se realizo una simulacion en vacio (εr = 1), el voltaje de operacion se

25

Figura 2.4: Modelo 3D de COMSOL de la membrana electrostatica.

definio de 0–100V en pasos de 10V . Tambien se realizaron los calculos en base a la

teorıa establecida tomando los mismos datos que en la simulacion, con la diferencia

de que el grosor total se toma como la suma del grosor de la membrana con el

electrodo, ya que estos son los materiales que van a ser deflexionados:

h = hm + he (2.8)

A pesar de que la membrana y el electrodo son de diferentes materiales, las carac-

terısticas importantes para la deflexion (modulo de Young y coeficiente de Poisson)

no influyen drasticamente en los resultados al tener valores cercanos entre estos

materiales. Por lo que se toman las propiedades del material de mayor grosor (la

membrana de SiC).

Como se puede observar en la grafica de la figura 2.5, los resultados de la teorıa

26

concuerdan con los resultados de COMSOL, por lo que el modelo matematico es

valido para este trabajo.

Figura 2.5: Deflexion de la membrana con respecto al voltaje aplicado en vacio.

Una de las consideraciones importantes a tener en cuenta en el diseno es el fluido

de trabajo (el fluido que se hara pasar por la microbomba) dado que dependiendo del

fluido cambiara la permitividad relativa entre las placas y la deflexion sera diferente,

para el diseno propuesto se considero agua como el fluido de trabajo. La permitividad

relativa del agua se tiene como εr = 80.2 [23].

Para la siguiente simulacion, el voltaje de operacion se definio de 0–20V en pasos

de 1V y considerando agua como el medio entre las placas. Los resultados obtenidos

se muestran en la grafica de la figura 2.6. Se puede ver que el modelo teorico aun tiene

validez, sin embargo, a medida que las deflexiones se van haciendo mas grandes, el

error tambien crece, esto debido a que el problema del estiramiento de la membrana

es mas complejo y requiere integrar relaciones no lineales, aquı solo se presenta una

aproximacion de este modelo.

27

Figura 2.6: Deflexion de la membrana con respecto al voltaje aplicado en agua.

Nuevamente, los resultados de la teorıa concordaron con los de la simulacion, por

lo que sin lugar a duda el modelo teorico presentado funciona adecuadamente para

modelar la deflexion de la membrana a utilizar.

De acuerdo con los resultados obtenidos en la deflexion de la membrana (figura 2.5

y figura 2.6), se puede observar que el hecho de emplear un fluido de trabajo diferente

como dielectrico entre las placas aumenta la eficiencia del dispositivo, logrando que

la membrana se deflexione a menores voltajes.

Esto se debe a que, en los arreglos comunes, se crea una segunda camara secun-

daria que encierra el actuador (los dos electrodos separados por una distancia) y

generalmente es aire el dielectrico empleado entre las placas. Sin embargo, en el di-

seno propuesto emplea el fluido de trabajo como el material dielectrico del arreglo de

placas lo que resulta en tener un material dielectrico con una permitividad relativa

mayor a la del aire y, por lo tanto, poder tener deflexiones con menores voltajes.

28

Un punto importante a considerar, es que es necesario tomar en cuenta el fluido

de trabajo a bombear para el diseno de la microbomba, ya que, dependiendo de la

constante dielectrica del fluido, sera la deflexion obtenida y, por tanto, la razon de

flujo.

2.3. Voltaje pull – in de la membrana

El voltaje pull – in es un fenomeno manifestado, en este caso, por los dispositivos

transductores capacitivos de separacion variable [24]. Este fenomeno puede deshabi-

litar el dispositivo permanentemente por lo que requiere de cierta atencion durante

el diseno del dispositivo.

El voltaje pull – in es una inestabilidad absoluta cuya caracterıstica mas impor-

tante es que posee un umbral, en este caso, el voltaje [24]. El voltaje pull – in de un

dispositivo esta dado por:

Vpi =

√8Kg3027Aε

(2.9)

donde K es la constante de elasticidad del dispositivo, g0 es la separacion inicial

entre las placas, A es el area de la membrana y ε es la permitividad del medio entre

las placas [25].

Como se puede observar por (2.9) el voltaje pull – in puede ser reducido de alguna

de las siguientes tres formas: 1) incrementando el area de actuacion, 2) disminuyendo

la separacion entre las placas, y 3) disenando la estructura con una baja constante de

elasticidad [25]. En el primer caso, el area solo puede ser incrementada hasta un punto

en que la membrana colapse por su mismo peso. En el segundo caso, la separacion no

puede ser reducida tanto que la membrana no produzca un efecto de bombeo debido

29

a la despreciable diferencia de volumen durante la operacion. En el tercer caso, es

posible considerar las propiedades fısicas del material de la membrana para obtener

una constante de elasticidad lo mas pequena posible, cuidando que exista un efecto

de bombeo al final.

2.3.1. Constante de elasticidad del diseno

Es posible analizar el modelo presentado de la membrana de una manera mas

simple, para ello se toma como ejemplo el sistema de masa – resorte. De acuerdo con

la mecanica clasica, como se observa en la figura 2.7, la posicion del bloque puede

entenderse cualitativamente teniendo en cuenta que cuando el bloque se desplaza a

una posicion x, el resorte ejerce sobre el bloque una fuerza que es proporcional a la

posicion y se conoce por la ley de Hooke:

Fs = −Kx (2.10)

Donde Fs es la fuerza restauradora, K es la constante del resorte y x es la posicion

de la masa [26].

Volviendo nuevamente al diseno presentado, se debe promediar la deflexion de la

membrana, y posteriormente implementar el analisis mostrado anteriormente para

obtener ası la constante de elasticidad del dispositivo. De acuerdo con el modelo

presentado por Wygant [16], la deflexion promedio de la membrana esta dado por:

wavg = P0a4

192D= Fm

a2

192πD=

1

KFm (2.11)

Donde, K es la constante de elasticidad dada por:

30

Figura 2.7: Sistema masa - resorte sobre superficie sin friccion. a) Cuando el bloque sedesplaza a la derecha del equilibrio, el resorte ejerce una fuerza en el sentido contrario. b)Cuando el bloque esta en equilibrio el resorte no ejerce fuerza alguna. c)Cuando el bloquese desplaza hacia la izquierda del equilibrio, el resorte ejerce una fuerza en el bloque haciala derecha.

K =192πD

a2(2.12)

Sustituyendo los parametros de la membrana presentados en la tabla 2.2 en (2.12)

y sustituyendo el valor obtenido en (2.9) obtenemos el valor del voltaje pull – in

para el diseno presentado:

Para aire como medio entre las placas: Vpi = 55.02V

Para agua como medio entre las placas: Vpi = 6.14V

31

2.3.2. Frecuencia de resonancia

Un parametro importante del diseno es la frecuencia de resonancia. La impor-

tancia de esta radica en que para sistemas osciladores esta frecuencia es donde se

puede obtener una mayor amplitud en la oscilacion por parte del sistema [26]. En el

caso de la microbomba, a esta frecuencia podemos obtener un mejor desempeno del

dispositivo. De acuerdo con lo presentado por Liwei Li et al. [15], la frecuencia de

resonancia para una membrana circular anclada por el perımetro esta dada por:

ω = 2πfr =

√√√√16q2∫ l

0N2(r)rdr

q1∫ l

0N1(r)rdr

(2.13)

q1 = πhρ (2.14)

q2 =πEh3

12(1 − µ2)(2.15)

N1 = (r2 − l2)4 (2.16)

N2 = (3r2 − l2)2 + 2µ(3r2 − l2)(r2 − l2) + (r2 − l2)2 (2.17)

donde: h es el grosor de la membrana, ρ es la densidad del material, E es el modulo

de Young del material y µ es el coeficiente de Poisson del material. Tomando los

valores de las propiedades de la membrana presentados en la tabla 2.2, se realizaron

los calculos para encontrar la frecuencia de resonancia del diseno. Se obtuvo:

fr = 17.5kHz

32

Este valor indica que para obtener el funcionamiento optimo del dispositivo se

debe hacer funcionar a una frecuencia cercana a la frecuencia de resonancia.

2.4. Diseno de las valvulas

Para el diseno del dispositivo se propuso emplear el concepto de valvulas pasivas

para la rectificacion del flujo (hacer transitar el fluido en una direccion preferencial)

en la entrada y salida de la microbomba. Comunmente en la literatura se pueden

encontrar el uso de valvulas activas (que requieren de un impulso para activarse),

desafortunadamente el diseno y fabricacion de este tipo de valvulas incrementa la

complejidad del diseno final y limita en cierta medida el desempeno del dispositivo.

Ademas, al ser este tipo de valvulas mecanismos moviles, sufren de desgaste y fatiga

debido a su uso continuo, sufren de grandes caıdas de presion, y siempre se tiene el

riesgo de quedar bloqueadas por pequenas partıculas en el fluido [6; 27; 28]. Todo

esto degrada el desempeno de las valvulas, y a su vez, del dispositivo.

El concepto de valvulas pasivas se ha vuelto popular debido a que se pueden

evitar las desvbentajas antes mencionados. Este tipo de rectificadores de fluido se ha

implementado con el uso de elementos inyector/difusor (nozzle/diffuser), los cuales,

debido a su geometrıa y basandose en las leyes de la mecanica de fluidos, emplean

las diferencias de presion que se generan en extremos opuestos de estas para dirigir

el flujo en una direccion preferencial, y producir un flujo neto [28].

El funcionamiento de este tipo de valvulas es como sigue: En el modo de expansion,

a medida que el volumen de la camara incremente, mas fluido entra a la camara de

bombeo desde el elemento a la derecha el cual actua como un difusor (y por lo tanto

ofrece menos resistencia al flujo) que, desde el elemento de la izquierda, el cual actua

como un inyector. En el otro caso, durante el modo de contraccion, mas fluido va

desde el elemento de la izquierda que ahora actua como un difuso mientras que el

33

elemento de la derecha actua como un inyector. Por lo tanto, el transporte de fluido

neto es logrado en la camara de bombeo de entrada a salida.

Figura 2.8: Rectificacion de flujo en una microbomba sin valvulas. a)modo de expansion(incremento de volumen en la camara de bombeo) y b) modo de contraccion (decrementode volumen en la xamara de bombeo). Las flechas mas gruessas implican razones de flujomayores.

Algunos beneficios de este tipo de valvulas son la facilidad de fabricacion em-

pleando tecnicas convencionales de micromaquinado de silicio, y las grandes razones

de flujo que pueden alcanzarse con bombas de diafragma vibratorio al emplear es-

te tipo de valvulas. Las altas razones de flujo proporcionadas por estas valvulas, a

pesar de ser limitadas por las caracterısticas de rectificacion de fluidos, incrementan

las posibilidades de emplear valvulas pasivas en microbombas para operarse a altas

frecuencias, en comparacion con las valvulas de paso comunes [28].

Esto es debido a que las valvulas activas tienen un tiempo de respuesta mas

grande, y las microbombas que las usan no pueden funcionar a mas altas frecuencias.

Sin embargo las valvulas pasivas permiten el funcionamiento a altas frecuencias

(∼ 10kHz) y por tanto pueden alcanzar razones de flujo mas altas, sin embargo

se tiene como lımite la frecuencia de 10kHz, ya que en frecuencias posteriores los

cambios dentro de la camara de bombeo son demasiado rapidos para que exista la

rectificacion de fluido [28].

34

Para el diseno de las valvulas elegido es el de inyector/difusor planar, esto debido a

la compatibilidad que presenta con el diseno ya presentado, ademas tambien se tiene

en cuenta la facilidad de fabricacion en comparacion con los otros disenos mostrados

en la figura 2.9.

Figura 2.9: Elementos inyector/difusor a) conico, b) piramidal y c) planar.

Para poder explicar mejor las consideraciones del diseno, se presenta en la figura

2.10 el modelo 3D de la colocacion de las valvulas con la camara de bombeo. Como

se ve en la imagen, la valvula va directamente conectada a la camara de bombeo por

un extremo, y por el otro va hacia el canal de entrada.

Figura 2.10: Valvula pasiva en la microbomba.

Lo siguiente a realizar es definir las medidas de las valvulas. En primer instancia

como se muestra en la figura 2.10, la altura de la valvula queda definida igual a

la altura de la camara de bombeo (o separacion entre las placas). De acuerdo con

35

Singhal et al. [28], la longitud de la valvula no produce variaciones considerables

en el flujo por lo que se define esta longitud como 200µm. Finalmente, es necesario

definir la distancia de abertura de los extremos, para esto primero es necesario ob-

servar el angulo de abertura, el cual de acuerdo con Singhal et al. [28] se selecciono

como 5◦ para conseguir la rectificacion del fluido. Se define la entrada del elemento

inyector/difusor como 80µm y por medio de trigonometrıa se obtiene la abertura de

salida como 256µm. En la figura 2.11 se muestran las dimensiones de los elementos

inyector/difusor.

Figura 2.11: Valvula pasiva en la microbomba.

Parametro Valor

Profundidad de la valvula (tv) 10µmAbertura mayor (D) 256µmAbertura menor (d) 80µm

Longitud de la valvula (l) 200µm

Tabla 2.4: Dimensiones del modelo.

2.5. Simulacion del dispositivo completo

Empleando toda la informacion expuesta hasta el momento, se creo un modelo 3D

del dispositivo completo en COMSOL Multiphysiscs para verificar la funcionalidad

36

del dispositivo. El modelo creado es un modelo simplificado del dispositivo que consta

unicamente del volumen donde se encontrara el fluido, los electrodos y la membrana.

En la imagen siguiente se muestra el modelo 3D empleado para la simulacion.

Figura 2.12: Modelo 3D del dispositivo en COMSOL.

Se definieron las siguientes condiciones de frontera para la simulacion:

Dentro del volumen de fluido, se definio una entrada de fluido y una salida, el

resto de superficies exteriores del volumen se definieron como paredes, por lo

que el fluido queda totalmente encerrado salvo por la entrada y salida.

Se colocaron restricciones de movimiento sobre el perımetro de los electrodos y

la membrana para evitar que se muevan durante la deflexion, esto equivaldrıa

a que estuvieran anclados sobre una superficie.

Se aplico una senal oscilatoria sobre el electrodo superior, mientras que el

inferior se coloco a un voltaje constante.

Posteriormente se colocaron los parametros del estudio, el cual se definio como un

37

estudio dependiente en el tiempo. Para los parametros de los materiales, se emplearon

los parametros de la tabla 2.2 para el SiC; para el agua y el titanio, se tomaron los

valores predefinidos en la biblioteca de COMSOL.

La senal de voltaje aplicada en el electrodo superior es una senal oscilatoria que

va desde 0 a un voltaje maximo (Vmax) dado por el voltaje pull – in ya calculado

(6V para agua), esta senal oscila desde 1kHz hasta 8kHz, tomando en cuenta que la

frecuencia de resonancia (17.5kHz) y la frecuencia maxima de funcionamiento de las

valvulas pasivas (10kHz). Se realizaron varias simulaciones con diferentes valores de

frecuencia dentro del rango establecido. El electrodo inferior se polarizo a un voltaje

constante de 6V . La senal de 1kHz aplicada en el electrodo superior se muestra en

la grafica de la figura 2.13, para las demas simulaciones se aplico una senal similar,

solamente variando la frecuencia de la misma.

Figura 2.13: Voltaje de polarizacion del electrodo superior.

La simulacion fue realizada sobre un intervalo de tiempo definido para las dife-

rentes frecuencias evaluadas, este intervalo se definio como (0.015s) el cual equivale

a 15 ciclos de la senal de 1kHz, las senales con mayores frecuencias tambien fueron

evaluadas en este mismo intervalo de tiempo.

En la figura 2.14, se muestra el resultado de la razon de flujo en la salida para

38

Figura 2.14: Grafica de la razon de flujo del dispositivo.

la senal de 1kHz. Como se puede observar, existen periodos donde la razon de flujo

llega a un valor determinado y en un periodo posterior desciende a un valor mınimo

(casi 0), esto concuerda con la senal que esta siendo aplicada al electrodo superior,

durante el periodo que la senal esta en 0V, existe una diferencia de potencial entre los

electrodos, lo que produce la deflexion de la membrana, y esto causa un flujo hacia la

salida del dispositivo. Cuando la senal aplicada esta en el periodo de Vmax, no existe

diferencia de potencial (dado que ambos electrodos estan al mismo voltaje) por lo que

la fuerza electrostatica aplicada a la membrana cesa de actuar y la membrana regresa

a su estado original, liberando la presion en la camara de bombeo y succionando

fluido desde la entrada a la camara de bombeo.

Para poder comparar los resultados a diferentes frecuencias, es necesario encontrar

un valor mas significativo, el cual es la razon de flujo promedio del dispositivo. para

esto, se obtiene la cantidad total de flujo desplazada por la microbomba durante el

intervalo de tiempo de operacion y se divide entre este mismo intervalo. En la grafica

de la figura 2.15 se muestra las razones de flujo promedio para cada frecuencia.

Observando la grafica de la razon de flujo con respecto a la frecuencia (figura 2.15),

se puede demostrar que el flujo del diseno propuesto es controlado por la frecuencia

39

Figura 2.15: Razon de flujo promedio a diferentes frecuencias.

de operacion, simplemente aumentando o disminuyendo la frecuencia del voltaje de

polarizacion y manteniendo el voltaje maximo constante, se puede variar la razon

de flujo de salida. Esto es debido a que, a pesar de que la razon de flujo instantanea

se mantiene igual debido a que el voltaje es el mismo, al aumentar la frecuencia se

aumenta el numero de deflexiones por periodo de tiempo del dispositivo, por lo que

la razon de flujo promedio aumenta con el aumento de la frecuencia y disminuye con

la disminucion de la misma.

Es importante tener en cuenta que a pesar de teoricamente poder operar a una

frecuencia de 17kHz, solo se pude aumentar la frecuencia hasta 10kHz como lımite

maximo, dado que las valvulas dejan de funcionar a tales frecuencias y no existe

rectificacion de fluido.

Con esto queda finalizada la etapa de diseno del dispositivo, posteriormente se

proseguira con disenar un plan para disenar la fabricacion del dispositivo, tomando en

cuenta las capacidades del laboratorio de microelectronica del INAOE. Mas adelante

se analizaran los resultados de las simulaciones.

40

Capıtulo 3

Plan de fabricacion

En este capıtulo se presenta la descripcion del proceso de fabricacion propuesto

para realizar la fabricacion del dispositivo presentado en el capıtulo anterior. Tam-

bien se explican de manera breve las principales caracterısticas de los procesos a

realizar para fabricar el dispositivo.

En la actualidad, el micromaquinado de volumen y de superficie son las princi-

pales herramientas empleadas en la industria de microfabricacion para el desarrollo

de una gran diversidad de dispositivos, desde circuitos integrados hasta microestruc-

turas MEMS. En el micromaquinado de volumen los dispositivos son “moldeados”

directamente en el volumen del material de substrato, el cual puede ser silicio o

vidrio. En estas tecnicas se emplean generalmente grabantes humedos isotropicos,

independientes de la orientacion cristalina del sustrato, o anisotropicos, dependientes

de la orientacion cristalina del sustrato [29]. En la figura 3.1 se muestra un proceso

de micromaquinado de volumen.

A diferencia del micromaquinado de volumen, donde los dispositivos son grabados

directamente en el volumen del material de substrato, en el micromaquinado de

superficie los dispositivos son construidos capa por capa en la superficie del material

41

Figura 3.1: Proceso de micromaquinado de volumen empleado para fabricar una membra-na con elementos piezoresisitivos. El micromaquinado del silicio adelgaza selectivamentela oblea de silicio desde un grosor inicial de 425µm a 20µm que medira la membrana.La fabricacion del diafragma requiere mas de un control en el grabado vertical que de losgrabados laterales.

de substrato. Esta es una tecnica complementaria al micromaquinado de volumen.

En esta tecnica se depositan diferentes capas de material, de las cuales algunas de

ellas son empleadas como capas de sacrificio las cuales son removidas posteriormente

para crear estructuras libres y partes moviles [10]. En la figura 3.2 se muestra un

proceso empleando esta tecnica.

En el micromaquinado de superficie se emplean tecnicas de grabado seco para

definir las estructuras en la superficie de los materiales depositados y estos son libe-

rados empleando grabado humedo del material debajo del dispositivo. La orientacion

cristalina no afecta a los patrones en la superficie del substrato [29].

Una desventaja de estas tecnicas es que la naturaleza de los procesos de deposi-

to limita la altura de los dispositivos. Procesos de deposito de materiales como el

deposito quımico en fase vapor asistido por plasma (PECVD), donde el maximo es-

42

Figura 3.2: Estructura tıpica de un proceso de micromaquinado de superficie

pesor que es posible alcanzar son unos cuantos micrometros, limitando este espesor

a los dispositivos fabricados. Por el contrario, con el micromaquinado de volumen,

lo unico que limita el espesor del dispositivo es el grosor del substrato, sin embargo,

debido a la naturaleza de los grabantes, no se tiene un control muy exacto de las

dimensiones laterales del dispositivo [29].

El mayor reto a afrontar empleando el micromaquinado de superficie es el control

de las propiedades mecanicas de la capa estructural para prevenir la formacion de

tensiones residuales internas. Una tecnica comun para prevenir la tension residual en

pelıculas de silicio amorfo es someter esta a un proceso termico altamente controlado

[10].

En este trabajo se emplearan los dos tipos de tecnicas para la fabricacion del

dispositivo, se seleccionara cuidadosamente en cuales casos conviene usar una tecnica

sobre otra de manera que pueda obtenerse un dispositivo fabricado con la mayor

precision posible. En la figura 3.3 se muestran disenos 3D de los sustratos terminados

para poder visualizar el resultado final.

43

a)

b)

c)

Figura 3.3: Esquema conceptual del dispositivo. a) Substrato 1, b) Substrato 2, c) Dispo-sitivo completo.

44

3.1. Descripcion del proceso

En este trabajo se planeo fabricar el dispositivo en dos partes, una parte que con-

tenga los microcanales por los que circulara el fluido, las microvalvulas rectificadoras

de fluido, el electrodo interior y la camara de bombeo (substrato 1); y otro sustra-

to donde se encuentren los puertos de acceso, el electrodo superior y la membrana

flexible (substrato 2). Este metodo de fabricacion fue inspirado por un estudio rea-

lizado sobre fabricacion de dispositivos de microfluıdica por Cesar Bartolo Perez en

el INAOE [30].

Para poder disenar un plan de fabricacion para el dispositivo, primeramente, es

necesario definir los materiales de sustrato a utilizar. Para el substrato 1 se planeo

utilizar una oblea de silicio < 100 > de 2” y para el substrato 2 se planeo utilizar una

oblea de vidrio de borosilicato de 2”. De acuerdo con la forma del diseno presentada

en el capıtulo anterior, a continuacion, se presentara el plan de fabricacion, el cual

estara dividido en 3 partes: los procesos de fabricacion correspondientes el substrato

1, aquellos correspondientes al substrato 2 y la union de ambos sustratos para formar

el dispositivo.

3.2. Substrato 1 (silicio)

El primer substrato sera una oblea de silicio < 100 > tipo P, este substrato debera

contener los microcanales para el paso del fluido, las microvalvulas rectificadoras de

fluido, la camara de bombeo, y el electrodo inferior, ası como los pads para ambos

electrodos. Primero, se requiere realizar cavidades sobre el substrato para crear los

microcanales, las microvalvulas y la camara de bombero.

Dado que el material del substrato es silicio, se empleara el grabado humedo

45

isotropo para crear estas cavidades sobre el silicio, para esto se empleara el KOH

como sustancia grabante y se crecera una pelıcula de SiO2 como enmascarante para

el silicio.

Se eligio el KOH como grabante por su alta efectividad para grabar silicio, ademas

debido a su selectividad de acuerdo con los planos cristalinos del silicio, el perfil de la

superficie inferior del grabado sera plana, lo cual no alterarıa el diseno propuesto. Una

pequena inconveniencia es la formacion de paredes inclinadas alrededor de la camara

de bombeo, sin embargo, debido a las dimensiones de la camara y la profundidad de

la misma, estas inconveniencias pueden ser ignoradas.

Otra caracterıstica importante del KOH, es su selectividad con el oxido de silicio

(SiO2). Este material no se ve afectado en gran medida por el uso de KOH para

el grabado, por lo que lo convierte en un material enmascarante idoneo para crear

patrones sobre el silicio.

Para el material de los electrodos se utilizo titanio (Ti) depositado por medio de

evaporacion. Se escogio este material debido a su baja reaccion con el agua, el cual

sera el fluido de trabajo de la microbomba. Al entrar en contacto con el agua, sobre

la superficie del titanio se forma una pequena capa de oxido de titanio, el cual no

permite el paso de agua al interior y por lo tanto se mantiene intacto.

Habiendo definido los materiales a utilizar, a continuacion, se describe el proceso

a seguir para fabricar el substrato 1:

1. Sobre la oblea de silicio se crecera una pelıcula de SiO2 que se utilizara como

enmascarante para el grabado humedo con KOH.

2. Se definiran patrones sobre la pelıcula de SiO2 por medio de fotolitografıa y

se grabaran ventanas sobre esta pelıcula para el grabado humedo.

3. Se realizara el grabado de las cavidades sobre la superficie del sustrato de

46

silicio expuesta por las ventanas en el SiO2 utilizando KOH hasta alcanzar la

profundidad de la camara de bombeo.

4. Se volveran a definir patrones sobre las superficies grabadas para abrir la ven-

tana del pad y conector del electrodo inferior.

5. Se realizara un segundo grabado humedo con KOH para aumentar las cavida-

des hasta la profundidad del grosor de los electrodos y se removera la pelıcula

de SiO2.

6. Se realizara la tecnica lift – off para el deposito de los electrodos en el sustrato:

Se hara un proceso de fotolitografıa para definir los patrones de los elec-

trodos sobre las cavidades previamente grabadas.

Se hara el deposito de titanio para los electrodos.

Empleando un solvente (acetona) se removera la resina del sustrato. Sobre

las zonas que quedaron expuestas, el titanio queda firmemente adherido,

mientras que el sobrante de titanio es removido junto con la resina, que-

dando como resultado los patrones deseados.

Con esto quedara terminada la fase de fabricacion del substrato 1, en la figura 3.4

se muestra un diagrama de las distintas etapas del proceso.

47

Figura 3.4: Esquema de la secuencia de fabricacion del substrato 1.

48

3.3. Substrato 2 (vidrio)

El segundo substrato sera una oblea de vidrio de borosilicato, esta debera contener

los puertos de acceso tanto para los microcanales como para los electrodos. Sobre

este substrato se depositaran los materiales de la membrana y el electrodo supe-

rior, posteriormente se devastara el vidrio hasta que la membrana quede totalmente

liberada.

Para poder atravesar completamente la oblea de vidrio y crear los puertos de

acceso, se empleara acido fluorhıdrico (HF ), el cual es un grabante isotropico del

vidrio, por lo que se debe tener en consideracion el grabado lateral al momento de

definir patrones. Para generar los patrones sobre la superficie del vidrio se empleara

silicio amorfo (α–Si) el cual no es afectado por el HF , lo que lo convierte en un

excelente material enmascarante para el grabado humedo.

El grabado humedo de vidrio con HF ha sido estudiado en el INAOE por Cesar

Bartolo Perez [30], empleando sus resultados obtenidos se realizara el grabado del

vidrio. Un aspecto a tener en consideracion es la tension residual de las pelıculas

de α–Si depositadas, debido a que un tiempo prolongado de grabado causa un

exceso de tension sobre la pelıcula, lo que puede provocar que se fracture y surjan

imperfecciones no deseadas sobre la superficie del vidrio.

Debido a que se realizara un grabado prolongado, se necesitara hacer una pelıcula

de α–Si lo suficientemente gruesa y, ademas, se debera reducir la tension de las

pelıculas por medio de un proceso termico a alta temperatura.

Habiendo fabricado los puertos de acceso sobre el substrato, el siguiente paso es

depositar la pelıcula delgada de α–Si, la cual servira de proteccion para las pelıculas

siguientes durante la liberacion de la membrana, tambien debe reducirse la tension

residual de esta pelıcula por medio de un proceso termico a alta temperatura, de

49

modo que no genere una tension extra sobre la membrana. Posteriormente, se depo-

sitaran la membrana de carburo de silicio amorfo (α–Si) y el electrodo superior de

Ti.

Se definiran los patrones sobre el substrato de tal manera que solamente queden

las areas donde se colocaran las membranas, estas tendran un diametro ligeramente

mayor al diametro de membrana definido (1mm) de tal manera que queden ancladas,

ademas, debido al diseno, este diametro mayor es necesario par que el electrodo

superior haga contacto con el pad depositado en el sustrato 1.

Debido a que para liberar la membrana se requiere devastar el vidrio sobre el area

de esta, no es viable emplear el grabado humedo en este paso, ya que el sobregrabado

serıa tan grande que puede causar el colapso de la membrana. Por lo que se empleara

una broca con el diametro de la membrana (1mm) para devastar el vidrio sobre esta

hasta unos cuantos micrometros ( 10−30um) y se terminara de liberar la membrana

usando el grabado humedo con HF .

A continuacion, se describe el proceso a seguir para fabricar el substrato 2:

Se depositara α–Si por medio de PECVD sobre ambas caras de la oblea de

vidrio como material enmascarante para el grabado humedo.

Se realizara un proceso termico para reducir la tension residual del sustrato y

la pelıcula enmascarante.

Se definiran patrones y se grabaran ventanas sobre el α–Si por medio de gra-

bado seco.

Se hara el grabado humedo con HF para crear los puertos de acceso sobre la

oblea y se removera la pelıcula de α–Si.

Se depositara por PECVD una pelıcula delgada de α–Si para proteger los

materiales siguientes durante la liberacion de la membrana.

50

Empleando la tecnica de PECVD, se depositara el material de la membrana

(α–SiC) sobre el sustrato.

Se depositara el material del electrodo (Ti) por medio de evaporacion.

Se haran los patrones y grabados para definir el area de la membrana.

Se hara una cavidad sobre el area de la membrana empleando un taladro

mecanico con una broca de 1mm, dejando alrededor de 30µm antes de atravesar

la oblea.

Se hara el grabado restante con HF para liberar la membrana, se debera

proteger la cara con los materiales para que estos no se afecten durante el

grabado, para esto se usara una oblea de silicio adherida a la de vidrio.

Se desprendera la oblea de silicio empleada como proteccion.

Con esto termina la fabricacion del substrato 2, en la figura 3.5 se muestra un

diagrama de las distintas etapas del proceso.

51

Figura 3.5: Esquema de la secuencia de fabricacion del substrato 2.

52

3.4. Union de ambos sustratos

3.4.1. Union de obleas

Los procesos empleados para la union de sustratos en la fabricacion de dispositi-

vos pueden dividirse en las siguientes categorıas: directos, anodicos y adhesivos. La

eleccion del metodo de union a emplear requiere de tomar en consideracion distin-

tas caracterısticas de los sustratos a unir como pueden ser el coeficiente de expan-

sion termica de los sustratos, las reacciones quımicas superficiales con el sustrato

o materiales depositados, las limitaciones de temperatura producto de los procesos

anteriores, costos, etc.

Union directa

Un metodo comun para realizar una union directa es por medio de fuerzas de

van der Waals, para realizar este proceso se requiere que ambos sustratos tengan un

pulido espejo y una buena planaridad. Este proceso se lleva a cabo a temperatura

ambiente, sin embargo, la union de los sustratos es debil [31]. El proceso de union

se describe en la figura 3.6.

Union anodica

La union anodica es el tipo de union mas comun para unir un sustrato de vidrio

con uno de silicio [32]. Para realizar este tipo de union, se debe aplicar un alto voltaje

y una alta temperatura a los sustratos para hacer que los iones de Na+ del substato

de vidrio migren al electrodo negativo, esto genera una fuerza electrostatica y una

union quımica irreversible entre ambos sustratos [33]. El procedimiento de limpieza

de los sustratos es un paso crıtico para lograr una buena union anodica.

53

Figura 3.6: Proceso de union de sustratos a temperatura ambiente: a) los sustratos se lavancon agua corriente a una alta razon de flujo (10–20m/s); b) los sustratos se sumergen enuna solucion concentrada de H2SO4 o agua; c) los sustratos se ponen en contacto directomientras estan bajo un flujo continuo de agua desmineralizada; d) los sustratos unidos sedejan reposar a temperatura ambiente por mas de 3 horas.

Union adhesiva

La union adhesiva es una alternativa a las tecnicas anteriores mas simple y de

bajo costo. El proceso de union adhesiva es el siguiente:

1. Aplicacion de adhesivo en una oblea de sacrificio.

2. Transferencia de adhesivo al sustrato por medio del contacto con la oblea de

sacrificio.

3. Alineacion y contacto con el segundo sustrato a unir.

4. Aplicacion de presion para finalizar la union.

En la figura 3.8 se muestra el proceso de union adhesiva. En este tipo de union se

emplean generalmente polımeros termoplasticos (que son capaces de ablandarse o so-

lidificarse rapidamente), entre los adhesivos mas comunes se encuentran: el Parileno

54

Figura 3.7: Proceso de union anodica. a) Se aplica un alto voltaje entre ambos sustratos.b) Los sustratos quedad fuertemente unidos por el proceso.

C, epoxies con curado UV como el SU-8, benzocyclobuteno (BCB) y la poliamida

[34; 35].

Como fase final del proceso, se requiere unir ambos substratos para integrar el

dispositivo. Como requisitos de esta union se tiene que el area de los microcanales

y la camara de bombeo no se vean afectados (por ejemplo, que queden obstruidos),

y que no se afecten los materiales depositados sobre los sustratos ni los mismos

substratos (por ejemplo, sometiendolos a altas temperaturas) durante el proceso de

union.

Para lograr este objetivo existen una variedad de tecnicas disponibles, sin embargo,

se escogio la union adhesiva debido a su bajo costo, a la compatibilidad con los

procesos anteriores y al bajo riesgo que existe de danar las estructuras fabricadas

sobre los sustratos [30].

El proceso consiste en el recubrimiento de la superficie de uno de los substra-

tos con un material termoplastico posteriormente se generan patrones sobre esta

pelıcula para limpiar el area de las estructuras de interes. Finalmente se alinean

ambos sustratos y se ponen en contacto para quedar firmemente unidos. En la figura

3.9 se muestra el esquema del proceso de union. Las dimensiones de los diagramas

55

Figura 3.8: Proceso de union adhesiva. a) Aplicacion de adhesivo a la oblea de sacrificio,b) transferencia de adhesivo por medio del contacto con la oblea de sacrificio, c) despren-dimiento de la oblea con adhesivo, d) alineacion y contacto, e) union de obleas

se colocaron exageradas con la intension de apreciar los eventos de cada etapa del

proceso

56

Figura 3.9: Esquema de la secuencia de la union de sustratos.

3.5. Diseno de mascarillas

Tomando en cuenta el plan de fabricacion anterior y el diseno del dispositivo, se

disenaron las mascarillas a utilizar durante la fabricacion del dispositivo las cuales

fueron disenadas empleando Autocad. Las capas disenadas se muestran en la imagen

3.10 y las mascarillas se muestran en la figura 3.11.

Las mascarillas fueron fabricadas dentro de las instalaciones del INAOE en el

LiMEMS empleando el generador de patrones Heidelberg Instruments DWL 66.

En la imagen 3.12, se muestra un esquema que resume el proceso de fabricacion e

incluye la mascarilla a utilizar para cada paso del proceso.

57

Figura 3.10: Capas superpuestas de las mascarillas del dispositivo.

58

(a) Mascarilla 1 (b) Mascarilla 2

(c) Mascarilla 3 (d) Mascarilla 4

(e) Mascarilla 5

Figura 3.11: Mascarillas

59

Figura 3.12: Esquema de la secuencia de fabricacion.

60

Capıtulo 4

Desarrollo experimental y resultados

En este capıtulo se presenta el desarrollo experimental para llevar a cabo la fabri-

cacion de la microbomba. Se toma como guıa el plan de fabricacion presentado en el

capıtulo anterior. En este capıtulo se hablara primero de los sustratos a utilizar y sus

caracterısticas, posteriormente se empezara con el proceso de fabricacion explicando

los procesos comunes para ambos sustratos, y a continuacion se explicara a detalle

los procesos llevados a cabo para cada uno de los sustratos.

Retomando lo expuesto en el capıtulo anterior, el dispositivo sera fabricado en

dos substratos. El primero de ellos sera de silicio y sobre la superficie de este se

maquinaran las cavidades para la camara de bombeo y microcanales por donde

pasara el fluido, se depositaran el electrodo inferior y los pads de conexion. El segundo

sustrato sera de vidrio, sobre este se grabaran los puertos de acceso para el fluido y

para los pads, tambien sobre este se depositaran la membrana flexible y el electrodo

superior.

61

4.1. Limpieza de sustratos

La limpieza de los substratos es un paso critico en la fabricacion de los disposi-

tivos, una mala limpieza puede llevar al desprendimiento de pelıculas depositadas,

imperfecciones o uniformidades sobre estas. La adecuada limpieza de los substratos

es un factor que promueve el exito del proceso a realizar.

Se realizo un desengrasado sobre los substratos, primero se sumergieron los subs-

tratos en tricloroetileno (TCE) por 10 minutos y posteriormente se sumergieron en

acetona por 10 minutos, en ambos casos con vibracion ultrasonica. Finalmente se

enjuagan los sustratos en agua deionizada (DI).

En el caso del sustrato de silicio, posterior a la etapa de desengrasado, se hace un

“dip” en la solucion Buffer HF 10:1 para remover el oxido nativo de la superficie del

sustrato y que este no cause problemas durante procesos posteriores. A continuacion,

se enjuaga con agua deionizada.

Posterior al desengrasado, se realizo la limpieza RCA sobre los sustratos. Se co-

menzo con la RCA 1 (NH4OH/H2O2/H2O en proporcion 1:1:5), la cual es empleada

para remover contaminantes organicos, algunos metales y partıculas presentes en la

superficie de la oblea, posteriormente se enjuagan los sustratos con agua DI. A con-

tinuacion, se realiza la RCA2 (HCL/H2O2/H2O en proporcion 1:1:6), la cual es

empleada para remover iones alcalinos y metales de los sustratos, finalmente los

sustratos se enjuagan en agua DI.

Como paso final, los sustratos se sumergen en la tina de enjuague “super Q”,

esto para asegurar que no permanezca ningun residuo de alguna substancia sobre

los substratos. Finalmente, los substratos se secan por medio de la centrifuga.

62

4.2. Sustrato 1 (Silicio)

Para el sustrato 1, se definio utilizar una oblea de silicio de 2” con orientacion

< 100 >. Sobre este sustrato se grabaran las cavidades para los microcanales y la

camara de bombeo; y tambien se depositaran los pads de conexion y el electrodo

inferior.

4.2.1. Crecimiento de oxido

Una vez terminada la etapa de limpieza para el sustrato de silicio, se prosiguio por

someter a este a un proceso de oxidacion termica para crecer una pelıcula de silicio

sobre la superficie del sustrato que actue como enmascararte para el grabado de las

cavidades.

El proceso realizado fue en ambiente humedo (H2O) a 1100◦C durante 40 minutos.

Posteriormente se mantuvieron por 30 minutos en ambiente de N2. Se realizaron me-

diciones del espesor del oxido empleando el elipsometro y se obtuvo como resultado

una pelıcula crecida de oxido de silicio (SiO2) de 0.4807µm de grosor.

Figura 4.1: Oblea de silicio con oxido.

Posteriormente se grabaron ventanas sobre la pelıcula de SiO2, para esto primero

63

se realizo un proceso de fotolitografıa empleando la resina AZ1512 con las siguientes

condiciones:

Aplicacion: Spinner a 3000rpm por 30 segundosPre-bake: Parrilla a 90◦C por 1 minuto

Exposicion: UV por 10 segundosRevelado: Revelador AZ726 por 12 segundos (2 ciclos)Post-bake: Parrilla a 100◦C por 5 minutos

Tabla 4.1: Condiciones para la resina AZ1512.

Se empleo la mascarilla 1 (figura 3.11(a)) para este proceso.

A continuacion, se prosiguio por grabar las ventanas sobre la pelıcula de silicio,

para ello se sumergio la oblea en la solucion buffer 7:1 a 40◦C por un tiempo de 5

minutos y 30 segundos para crear las ventanas sobre la pelıcula de SiO2. Finalmente

se enjuagaron las muestras

4.2.2. Grabado de cavidades

Para el grabado de cavidades se empleo hidroxido de potasio para microma-

quinar el silicio. La razon de grabado del silicio en KOH a 60◦C se encontro de

0.195µm/min. Para realizar el grabado, se sumergieron las muestras dentro del

KOH a 60◦C por un tiempo de 52 minutos para obtener 10µm de profundidad

en las cavidades, estos datos fueron comprobados por mediciones de escalon por

perfilometrıa.

Posteriormente se volvio a realizar un proceso de fotolitografıa con las condiciones

de la tabla 4.1, en esta ocasion se empleo la mascarilla 2 (figura 3.11(b)) para crear

las cavidades del pad del electrodo inferior. Y se realizo otro paso de grabado con

KOH a 60◦C durante 1 minuto 40 segundos para obtener una profundidad de 300nm

que es el grosor de los electrodos a depositar.

64

Con respecto al grabado con KOH a 60◦C, se puede observar en la figura 4.2 el

resultado de este proceso. Se aprecia como se van encontrando planos con menor

razon de grabado y las paredes de la cavidad se van moldeando de acuerdo con la

anisotropıa del silicio.

Figura 4.2: Imagen SEM de una cavidad grabada.

Sin embargo, este es el metodo mas optimo de grabado debido a que la superficie

inferior de la cavidad queda totalmente plana (figura 4.3), lo que beneficia en que

no existan alteraciones significativas en el volumen de la camara de bombeo. Otro

beneficio que se tiene es que la posicion de los electrodos puede quedar lo mas paralela

posible, a diferencia del grabado isotropico donde se obtendrıan superficies concavas

en el fondo de la cavidad y esto alterarıa por completo el diseno.

4.2.3. Deposito de titanio

Como paso final, se realizo el deposito de los electrodos y pads sobre el sustrato

estos fueron depositados mediante evaporacion y se formaron los patrones por medio

del proceso de lift – off. Primero se realizo una fotolitografıa sobre el sustrato con la

65

Figura 4.3: Perfil de la cavidad grabada con KOH

resina ma-P 1275, la cual es una resina empleada especıficamente para realizar este

proceso, se realizo el proceso con las siguientes condiciones:

Aplicacion: Spinner a 3000rpm por 30 segundosPre-bake: Horno a 85◦C por 15 minutos

Exposicion: UV por 120 segundosRevelado: Revelador (+) por 12 segundos (2 ciclos)

Tabla 4.2: Condiciones para la resina ma-P 1275.

Se empleo la mascarilla 3 (figura 3.11(c)) para los patrones de los electrodos.

Finalmente, se depositaron 300nm de titanio por medio de evaporacion sobre el

sustrato. Como siguiente paso, se sumergio la oblea en acetona para remover la resina,

y ası remover tambien las secciones de titanio no deseadas, dejando unicamente los

patrones de los electrodos y pads. Se empleo la vibracion ultrasonica para asistir en

la remocion de la resina.

Con esto queda terminado el sustrato 1 el cual se muestra en la figura 4.4.

66

(a) Substrato terminado (b) Vista en microscopio del dispositivo

Figura 4.4: Substrato terminado.

4.3. Sustrato 2 (Vidrio)

Para el sustrato 2 se definio emplear una oblea de vidrio de borosilicato BORO-

FLOAT 33 de 2” de diametro de la marca Precision Glass Optics. Este tipo de

sustratos de vidrio son empleados frecuentemente en la fabricacion de dispositivos

para microfluıdica debido a sus propiedades opticas y fısicas de entre las mas sobre-

salientes se encuentran:

Elevada resistencia termica: este tipo de sustratos es capaz de resistir tem-

peraturas elevadas de 450◦C sin problema alguno.

Transparencia excepcionalmente alta: el sustrato de vidrio permite el

paso de la luz sin distorsion dentro del rango visible y cerca de los rangos de

IR y UV.

Alta durabilidad quımica: este sustrato es capaz de resistir algunos acidos,

substancias alcalinas y sustancias organicas sin causar virtualmente dano al-

guno al sustrato. Una caracterıstica que cabe destacar es la resistencia al agua,

67

que convierte a este sustrato en ideal para uso en sistemas de microfluıdica.

Dureza mecanica excelente: el sustrato es resistente a abrasiones y ralla-

duras, tambien posee una alta resistencia al doblamiento.

Sobre este sustrato se grabaran los puertos de acceso para el fluido y para los pads,

y se depositaran la membrana y el electrodo superior.

4.3.1. Deposito de α− Si como material enmascarante

Primeramente, se realiza el proceso de limpieza como se explica en la seccion 4.1.

Posteriormente se procede por depositar el α − Si. Se eligio hacer el deposito de

la pelıcula enmascarante por medio de la tecnica de PECVD, debido a la buena

adherencia, excelente cobertura de escalon, alta razon de deposito y buena calidad

de la pelıcula depositada.

El deposito se realizo en el PECVD Applied Materials AMP3300 Reactor con las

siguientes condiciones de deposito:

Presion: 800mTorr

Potencia: 300W

Frecuencia: 110Hz

Temperatura: 200◦C

Tiempo: 120minutos

Flujo de silano (SiH4): 100sccm

Flujo de argon (Ar): 50sccm

Con estas condiciones se obtuvo un espesor de la pelıcula de 500nm.

68

4.3.2. Tension residual de pelıculas enmascarantes

Durante diversos procesos de grabado, es necesario que la integridad de las pelıcu-

las enmascarantes se conserve ya que durante largos tiempos de grabado las pelıculas

pueden llegar a danarse y esto produce imperfecciones sobre el resultado del grabado.

Una de las causas mas notorias de la degradacion de las pelıculas durante el graba-

do humedo es la tension residual que esta pueda tener, por lo que para tener una

mejor calidad de grabado es necesario que se elimine (o reduzca en la mayor medida

posible) la tension residual que pueda existir sobre las pelıculas enmascarantes [30].

Figura 4.5: Ejemplos de tensiones extrınsecas e intrınsecas.

La tension sobre las pelıculas puede causar fisuras, delaminaciones y formaciones

huecas sobre las pelıculas de material depositadas. Casi todas las pelıculas de mate-

rial albergan un estado de tension residual debido a la diferencia en los coeficientes

de expansion termica, diferencia en las redes cristalinas, impurezas substitucionales

o intersticiales y procesos de crecimiento o deposito [29]. Las tensiones pueden di-

vidirse en: tensiones intrınsecas, las cuales se desarrollan durante el crecimiento o

69

deposito de la pelıcula; tensiones extrınsecas, que son impuestas por factores exter-

nos como gradientes de temperatura; y las tensiones termicas, las cuales se deben

ya sea por inhomogeneidades en los coeficientes de expansion termica durante un

cambio de temperatura [29]. En la figura 4.5 se muestran los tipos de tensiones.

Finalmente, se somete la oblea a un proceso termico de 400◦C por 4 horas para

reducir la tension residual sobre la pelıcula, esto evitara que la pelıcula enmascarante

se fracture durante la etapa de grabado.

Se realizo la medicion de la tension residual de la pelıcula depositada empleando

el perfilometro del laboratorio de microelectronica. Se obtuvo que despues del tra-

tamiento termico la tension se reduce de 0.195GPa− 75.92MPa. Se puede observar

una prueba de esto analizando las graficas de curvatura, donde se muestra como se

reduce la curvatura del sustrato despues del tratamiento termico.

Figura 4.6: Curvatura del sustrato antes del tratamiento termico.

70

Figura 4.7: Curvatura del sustrato despues del tratamiento termico.

4.3.3. Grabado de cavidades a traves de la oblea

Posterior al deposito de la pelıcula enmascarante, se realizo el grabado de las

cavidades a traves de la oblea, estas cavidades conformaran lo que son los puertos

de acceso para los pads y el fluido. Primero se realizo un proceso de fotolitografıa

sobre una de las caras del sustrato para definir los patrones de las ventanas que se

grabaran en la pelıcula enmascarante. Para el proceso llevado a cabo se empleo la

resina AZ6632 con las siguientes condiciones:

Aplicacion: Spinner a 4000rpm por 30 segundosPre-bake: Parrilla a 110◦C por 50 segundos

Exposicion: UV por 300 segundosRevelado: Revelador AZ726 por 80 segundos (2 ciclos)Post-bake: Parrilla a 125◦C por 5 minutos

Tabla 4.3: Condiciones para la resina AZ6632.

Se empleo la mascarilla 5 (figura 3.11(e)) para definir los patrones de los puertos

de acceso.

Posteriormente se realizo el grabado del α–Si para crear las ventanas, esto se

71

realizo empleando la tecnica de grabado por plasma empleando el micro-RIE Tech-

niks 800. Para el grabado del α− Si se emplearon las siguientes condiciones:

Flujo de CF4: 300mTorr

Potencia: 250W

Se realizo este mismo proceso sobre la otra cara del sustrato, alineando los nuevos

patrones sobre los ya existentes. La figura 4.8 muestra la oblea con las ventanas

grabadas.

Figura 4.8: Ventanas sobre el α− Si.

Finalmente se sumergio el substrato en una solucion de HF : HCL en proporcion

10:1, el HF es quien realiza el grabado del vidrio mientras que el HCL diluye

los oxido desprendidos previniendo que la solucion se sature, esto para mantener

72

constante la razon de grabado del vidrio. La oblea se sometio a un tiempo de grabado

de 1 hora y 10 minutos.

Finalmente, se remueve la capa de α–si empleando KOH a 40◦C por 10 minutos.

El resultado se muestra en la figura 4.9.

Figura 4.9: Oblea de vidrio grabada.

4.3.4. Deposito de membrana y electrodo superior

Para el deposito de los materiales que conformaran la membrana y electrodo su-

perior. Primero es necesario realizar un proceso de limpieza, para asegurarse de que

no se encuentren contaminantes sobre la superficie de la oblea.

De acuerdo con el plan de fabricacion, se debe depositar primero una pelıcula

de silicio amorfo. Se emplean las mismas condiciones empleadas anteriormente para

73

este deposito cambiando el tiempo de deposito a 30 minutos para obtener 127nm.

Posteriormente, se someten las obleas a un tratamiento termico a 400◦C por 4 horas

para reducir la tension residual, y en este caso, evitar cualquier sobretension no

deseada sobre las capas siguientes.

Se deposita una pelıcula de carburo de silicio (α−SiC), inmediatamente despues

del deposito anterior. Para este deposito se emplean las siguientes condiciones:

Presion: 1100mTorr

Potencia: 10W

Frecuencia: 110Hz

Temperatura: 200◦C

Tiempo: 180minutos

Flujo de silano (SiH4): 10sccm

Flujo de metano (CH4): 10sccm

Flujo de argon (Ar): 100sccm

Con esto se deposita una pelıcula de α− SiC de 1µm de grosor.

Finalmente se depositan 300nm de titanio por evaporacion sobre la oblea posterior

al deposito de αSiC.

4.3.5. Liberacion de membrana

Para la liberacion de la membrana, se debe realizar la perforacion de la oblea

empleando una broca con 1mm de diametro (el cual es el area de la membrana). se

74

perforo la oblea hasta 20− 30µm antes de atravesar la oblea. En la figura 4.10(a) se

muestra la fresadora automatica del taller de optica del INAOE, la cual fe empleada

para realizar las perforaciones sobre la oblea. En la figura 4.10(b) se muestra la broca

con diametro de 1mm.

(a) Fresadora automatica (b) Broca

Figura 4.10: Herramientas empleadas para hacer las perforaciones

En seguida, se adhiere la oblea de vidrio a una oblea de silicio empleando cera

sobre la cara con materiales depositados.

75

Capıtulo 5

Conclusiones y trabajo a futuro

5.1. Conclusiones

En este trabajo se propuso el diseno de un sistema de microvalvula-bomba para

control de microfluidos. La actuacion de esta microbomba es electrostatica y se

disenaron valvulas pasivas del tipo inyector/difusor. Se empelo carburo de silicio

como material para la membrana y titanio como material para los electrodos. Se

simulo el dispositivo completo empleando COMSOL Multiphisycs y se comprobo la

deflexion de la membrana por la actuacion electrostatica y la rectificacion del flujo

en las valvulas. El dispositivo propuesto es capaz de bombear agua a una razon de

335nl/min cuando es polarizado a 6V con una frecuencia de operacion de 1kHz.

Tambien es capaz de tener una razon de flujo controlable por medio de la variacion

de frecuencia. El diseno se desempena correctamente durante su funcionamiento en

las simulaciones.

Tambien se propuso un plan de fabricacion que toma en cuenta las capacidades

del laboratorio de microelectronica del INAOE y se realizaron las etapas mas impor-

tantes de la fabricacion. Se diseno el plan de fabricacion tomando en cuenta que el

76

dispositivo final pueda ser fabricado empleando las tecnicas existentes en el laborato-

rio de microelectronica del INAOE. Se realizo la fabricacion del primer sustrato que

compondra las microvalvulas, la camara de bombeo, electrodo inferior y microcana-

les del dispositivo. Correspondientes al segundo sustrato se realizo el deposito de las

pelıculas enmascarantes de silicio amorfo por ambos lados del sustrato, el grabado

empleando HF para crear los puertos de acceso, el deposito de la membrana flexible

de carburo de silicio y la pelıcula de titanio que conformara el electrodo. Se realizo

la perforacion para realizar la liberacion de la membrana y el grabado con HF para

completar la liberacion de la membrana.

5.2. Trabajo a futuro

Entre las actividades que se proponen para apoyar el desarrollo de esta investiga-

cion estan:

Mejorar el proceso de grabado de puertos de acceso empleando una capa de

α− Si mas gruesa para que resista el tiempo prolongado de grabado.

Realizar pruebas de union de los sustratos de vidrio y silicio con el pegamento

termoplastico. Un pegamento propuesto puede ser el NOA 71 de Norland.

Investigar el deposito de carburo de silicio enfocandose en sus caracterısticas

mecanicas para optimizar el material de la membrana.

Emplear otro tipo de valvulas pasivas en el dispositivo.

Emplear otro tipo de actuacion, por ejemplo, depositando material piezoelectri-

co sobre la membrana.

77

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