Fabricación y caracterización de una válvula antirretorno en PCB y
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Proyecto Fin de Carrera Ingeniero Industrial Fabricación y caracterización de una válvula antirretorno en PCB y SU-8 empleando tecnología MEMS Autor: José María García Jiménez Tutor: Francisco Perdigones Sánchez Departamento de Ingeniería Electrónica Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Septiembre 2014 Proyecto Fin de Carrera Ingeniero Industrial Fabricación y caracterización de una válvula antirretorno en PCB y SU-8 empleando tecnología MEMS Autor: José María García Jiménez Tutor: Dr. D. Francisco Perdigones Sánchez Departamento de Ingeniería Electrónica Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, Septiembre de 2014 Agradecimientos Deseo mostrar mi más sincero agradecimiento a todas aquellas personas que, de una manera u otra, han contribuido en esta etapa de mi vida y de mi formación que está a punto de finalizar y que sin ellas este trabajo no me hubiera sido posible haberlo llevado a cabo. A mi tutor, Francisco Perdigones. Por su enorme compromiso, dedicación y esfuerzo depositados en mi aprendizaje. Por haberme recibido siempre que he necesitado su opinión y consejo, aun en los días con mayor carga de trabajo, y siempre con simpatía y buen humor. Porque este trabajo es tanto mío como suyo. Al profesorado del departamento de electrónica, por el amable acojo y trato recibido. En especial, al profesor José Manuel Quero. Por haberme brindado la posibilidad de realizar este proyecto y su confianza en los inicios del mismo. A mi compañera de laboratorio, Guadalupe Flores. Por todas esas explicaciones y consejos en mi iniciación al modo de actuación en la sala blanca. Por su paciencia. Por las largas esperas que hemos compartido, y que junto a ella se han hecho más amenas. Es indispensable mencionar también a las personas que, fuera del ámbito académico, me han mantenido con la energía y con la moral necesaria para seguir siempre hacia adelante, superando los obstáculos que se presentan en la vida. A mis padres. Por sus constantes consejos. Por el apoyo incondicional que me han dado. Por el enorme sacrificio que han hecho para mi formación y educación. Porque a ellos les debo todo. A mis hermanas, abuelos y demás familiares. Por tener siempre fe en mí, por haber estado disponibles siempre que les he necesitado. A mis amigos. Por todo el apoyo y ánimo que siempre me han dado. Por el interés que han mostrado en comprender el trabajo que he estado realizando. Por todos esos buenos ratos que hemos vivido juntos. A todos vosotros, muchísimas gracias. José Mª García Índice 1.- Introducción y objetivos ................................................................................................ 7 1.1.- Motivación del proyecto.......................................................................................................................9 1.2.- Plataformas microfluídicas PCB ..................................................................................................... 12 1.3.- Objetivos .................................................................................................................................................. 14 2.- Estado del arte ................................................................................................................ 17 2.1.- Introducción ........................................................................................................................................... 19 2.2.- Microsistemas........................................................................................................................................ 19 2.2.1.- Definición y clasificación .......................................................................................................... 19 2.2.2.- Historia ............................................................................................................................................ 22 2.2.3.- Aplicaciones ................................................................................................................................... 29 2.2.4.- Técnicas de fabricación............................................................................................................. 33 2.3.- Válvulas antirretorno ......................................................................................................................... 38 2.3.1.- Introducción .................................................................................................................................. 38 2.3.2.- Funcionamiento y clasificación convencional ................................................................. 38 2.3.3.- Microválvulas antirretorno ..................................................................................................... 41 3.- Estructura ........................................................................................................................ 47 3.1.- Introducción ........................................................................................................................................... 49 3.2.- Esquema estructural ........................................................................................................................... 49 3.3.- Principio de funcionamiento ........................................................................................................... 51 4.- Materiales y proceso de fabricación ....................................................................... 55 4.1.- Introducción ........................................................................................................................................... 57 4.2.- Materiales utilizados........................................................................................................................... 57 4.2.1.- Máscaras.......................................................................................................................................... 58 4.2.2.- PCB .................................................................................................................................................... 58 4.2.3.- SU-8 ................................................................................................................................................... 59 4.2.4.- PDMS................................................................................................................................................. 61 4.3.- Técnicas a emplear .............................................................................................................................. 63 4.3.1.- Proceso típico del SU-8 ............................................................................................................. 64 4.3.2.- BETTS ............................................................................................................................................... 67 4.4.- Descripción del proceso .................................................................................................................... 69 4.4.1.- Fabricación de las máscaras ................................................................................................... 70 4.4.2.- Fabricación del circuito de cobre sobre PCB ................................................................... 77 4.4.3.- Deposición del SU-8.................................................................................................................... 79 4.4.4.- Taladrado........................................................................................................................................ 80 4.4.5.- Reajuste de la pista de cobre .................................................................................................. 81 4.4.6.- Realización del BETTS ............................................................................................................... 81 4.4.7.- Despegado capa cobre/SU-8................................................................................................... 83 4.5.- Estructura fabricada ........................................................................................................................... 84 5.- Resultados experimentales ....................................................................................... 87 5.1.- Introducción ........................................................................................................................................... 89 5.2.- Montaje experimental ........................................................................................................................ 89 5.3.- Caracterización de la válvula........................................................................................................... 90 6.- Conclusiones ................................................................................................................... 95 6.1.- Introducción ........................................................................................................................................... 97 6.2.- Fabricación ............................................................................................................................................. 97 6.3.- Caracterización ..................................................................................................................................... 98 6.4.- Integración .............................................................................................................................................. 98 7.- Trabajos futuros ............................................................................................................ 99 7.1.- Introducción ........................................................................................................................................ 101 7.2.- Mejoras en el proceso de fabricación........................................................................................ 101 7.3.- Simulación mediante software .................................................................................................... 102 7.4.- Inclusión en un circuito fluídico.................................................................................................. 102 Anexo. Procesos fallidos .................................................................................................103 Referencias ..........................................................................................................................113 1 Introducción y objetivos __________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [7] __________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [8] Capítulo primero Introducción y objetivos _____________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________ 1.- Introducción y objetivos 1.1.- Motivación del proyecto El proyecto que se describe a continuación se denomina “Fabricación y caracterización de una válvula antirretorno en PCB y SU-8 empleando tecnología MEMS” y ha sido realizado por el alumno José María García Jiménez en colaboración con el departamento de electrónica de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería de la Universidad de Sevilla para la obtención del título de Ingeniero Industrial. Dicho proyecto nace en el propio laboratorio del Grupo de Tecnología Electrónica (GTE) del Dpto. de Tecnología Electrónica, el cual cuenta con una consolidada línea de investigación en diferentes áreas de la electrónica. Este proyecto se engloba dentro de la línea de investigación de microsistemas, y las actividades de investigación que el GTE desarrolla dentro de esta línea son: Diseño de dispositivos y sistemas electrónicos para su aplicación en telemedicina Microsistemas sensoriales, microfluídicos, RF-MEMS y microópticos Aunque en el siguiente capítulo se abordará con mayor énfasis sobre el término microsistema y los conceptos teóricos asociados al mismo, por el momento los entenderemos como aquellos dispositivos de pequeño tamaño (1-100 µm) diseñados con técnicas microelectrónicas para realizar alguna función concreta fuera de la microelectrócina: micromecánica, micromotores, microfluídica, microanalizadores, microsensores, microrreactores, etc. Los proyectos basados en microsistemas son por tanto proyectos multidisciplinares donde concurren diversas áreas de la ingeniería, como la electricidad, la química y la mecánica, reuniendo las propiedades necesarias para conformar en un solo chip o en un sistema híbrido multichip, un sistema inteligente con funciones sensoras, de proceso o de actuación. Estos dispositivos y la tecnología que permite su fabricación son conocidos igualmente como MEMS (Sistemas microelectromecánicos; del inglés: Microelectromechanical Systems). Es decir, son dispositivos en los que se combinan sistemas mecánicos y eléctricos y cuyo tamaño característico son del orden de la micra. Las microtecnologías han sido consideradas una de las áreas más prometedoras del sigo XXI, que revolucionarán tanto los productos industriales como los de consumo, y que afectarán drásticamente a nuestro estilo de vida. A este respecto ya somos partícipes de un gran número de ejemplos de aplicación de estas tecnologías en la sociedad actual. En la siguiente tabla, dividida por sectores industriales, se muestran a modo de ejemplo los proyectos de mayor relevancia que ya se han materializado: __________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [9] Capítulo primero Introducción y objetivos _____________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________ SECTOR TICs Automóvil y transporte Biomedicina Defensa y espacio Energético TEMA Cabezales de impresión de tinta de mayor precisión (calidad fotográfica profesional) destinados al gran público. Disminución de peso y volumen en los aparatos móviles de comunicación debido a la incorporación generalizada de nuevos microcomponentes (microcondensadores, microbobinas, microinterruptores, filtros miniaturizados…) de tecnología RF MEMS. Incorporación, en todas las gamas de automóviles, de microsensores y microactuadores de bajo coste que permitan aumentar la seguridad, confort, comunicación con el exterior y rendimiento, así como disminuir el grado de contaminación (p.e. control de presión de neumáticos, sistema antivuelco…). Conducción automática segura con la utilización conjunta en el automóvil de microsistemas con visión inteligente, sistemas anticolisión, GPS e inerciales. Desarrollo de microsistemas que permiten la optimización y el pleno desarrollo de los vehículos híbridos y con pila de combustible. Análisis realizados convencionalmente en el Hospital, se realizan ahora de manera ambulatoria mediante chips Piezas desarrolladas por microfabricación (microturbinas, microrreactores, microbombas…) permitirán la reducción de peso y volumen de los satélites. Reducción del efecto de las turbulencias consiguiendo una disminución del consumo, mediante el control activo, por medio de actuadores, de microsensores en el fuselaje del avión. Pilas de combustible de tamaño reducido (basadas en combustibles líquidos), como alternativa a las baterías químicas para aparatos móviles. Incorporación, por razones de seguridad, de sensores de mayor fiabilidad en las instalaciones de gas natural, así como otros sistemas para medir caudales, composición y calidad del gas. Tabla 1.1: Proyectos basados en microsistemas En los últimos años, uno de los progresos más emocionantes en aplicaciones MEMS ha sido la rápida evolución de los Bio-MEMS (Sistemas microelectromecánicos biológicos; del inglés: Biological Microelectromechanical Systems). Estos son microsistemas que se adecuan para el análisis y el control de biopartículas (partículas de material orgánico, vivas o muertas), y que en la mayoría de los casos requieren la manipulación de fluidos biológicos, obteniendo microsistemas que tratan microfluidos y adentrándonos así en una nueva gran disciplina, la microfluídica, cuyo cometido es la aplicación de la electrohidrodinámica (EHD) a sistemas micrométricos, donde la EHD a su vez es la fusión de la mecánica de fluidos y la electrostática. El gran avance en toda esta técnica ha desencadenado en la muy llamativa tecnología de los Lab-On-Chip (LOC), o ‘laboratorio en un chip’. Un LOC es un dispositivo que integra una o varias funciones de laboratorio en un solo chip de pequeño tamaño (del orden de unos pocos centímetros cuadrados o menos). El potencial de este tipo de dispositivos es evidente, habiendo suscitado un gran __________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [10] Capítulo primero Introducción y objetivos _____________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________ interés en el entorno científico y profesional con el planteamiento de algunos proyectos de gran impacto, como los que se mencionan a continuación: Mediante el desarrollo de la interfaz neurona-microelectrónica y el desarrollo de microsistemas implantables a órganos del cuerpo, se podrán corregir enfermedades como la pérdida del equilibrio, minusvalías físicas, ceguera, sordera… Se desarrollarán microcápsulas con capacidad analítica y con autonomía motriz para la exploración interna del cuerpo humano (p.e. endoscopias, exámenes citológicos…) La mayoría de los medicamentos en pastillas incorporarán sensores para dosificar la dosis necesaria en el momento adecuado, realizando un ataque selectivo. Mediante la implantación de microsensores en el cuerpo humano, se podrá monitorizar en tiempo real el estado de salud de la persona. La información será telecomunicada a un centro de asistencia. Aun siendo el sector biomédico el que suscita un mayor interés, es importante mencionar que el rango de aplicaciones posibles de estos dispositivos no se limitan a dicho sector, sino que se expanden a todos los sectores industriales. Como ejemplo se cita el sector agroalimentario, el cual acoge proyectos como: Incorporación de etiquetas inteligentes y microsensores en los envases para la monitorización on-line del estado de los alimentos que contienen (cadena de frío, caducidad y contaminación bacteriana…), aumentando así la seguridad e información alimentaria Mejora en los procesos de fabricación o procesados de productos alimentarios gracias a la incorporación de microsistemas híbridos para la monitorización on-line (p.e. narices y lenguas electrónicas) Esta actual tendencia dirigida hacia la miniaturización, automatización y simplificación de sistemas analíticos que se están dando en muchas áreas del conocimiento, es la que motiva al propio departamento a investigar en su sala blanca sobre nuevos procesos de fabricación de microcomponentes que puedan incorporarse a estos sistemas más complejos de la forma más eficiente posible. Desde que se originó la aplicación moderna de estos sistemas microfluídicos, los investigadores han desarrollado una amplia gama de componentes microfluídicos [1], que van desde microbombas a micromezcladores. Estos componentes permiten un preciso control y la correcta manipulación de los fluidos del sistema. El diseño y operación de estos componentes se basan en el volumen de fluido manejado, el tipo de fluido, y en la aplicación particular del propio sistema. En un chip, el control del fluido se realiza generalmente con el empleo de microválvulas, y supone uno de los aspectos más importantes para la realización de un sistema microfluídico totalmente integrado. En los sistemas impulsados por presión, las microválvulas (es decir, pequeñas válvulas que están integradas en el __________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [11] Capítulo primero Introducción y objetivos _____________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________ propio chip) pueden conducir y regular el flujo, así como aislar físicamente diferentes partes del sistema microfluídico. Las microválvulas se pueden clasificar principalmente en dos categorías: activas y pasivas [2], dependiendo de si utilizan o no una fuente externa de energía para su funcionamiento. El funcionamiento de las válvulas pasivas se basa en la diferencia de presión, mientras que las activas requieren de un accionamiento exterior (electrostático, electromagnético, neumático, etc). La microválvula objeto de este trabajo será del tipo pasiva. El ejemplo más común de válvulas pasivas son las válvulas de retención o válvulas antirretorno. Estos dispositivos permiten que el fluido fluya en un sentido pero no en el contrario, ya que en este caso la parte mecánica de la válvula formará un sello con el asiento de la misma debido a la presión inversa que ejerce el fluido. A mayor presión inversa, mayor será la estanqueidad de la válvula. La apertura de la válvula se dará cuando, por el contrario, la presión aguas arriba supere a la presión aguas abajo más cualquier fuerza que pudiera presionar la válvula contra el asiento. 1.2.- Plataformas microfluídicas PCB Los sistemas microfluídicos prometen importantes mejoras dentro del análisis bioquímico de alto rendimiento, como son la versatilidad, la portabilidad, o el rápido procesamiento de pequeñas muestras. Sin embargo estas ventajas sólo se pueden obtener si varios componentes y funciones pudieran integrarse en una única plataforma. En este sentido la elección del material resulta un aspecto muy importante, pues el proceso de fabricación podría complicarse al integrar los dispositivos en el sistema completo. Tradicionalmente los sistemas microfluídicos se han construido utilizando el silicio [3] como material base, aunque cada vez es más común el uso de polímeros y vidrios [4, 5, 6]. En la actualidad existe una tendencia en el uso de placas de circuito impreso (Printed Circuit Board, PCB) como material de partida para la creación de este tipo de microsistemas [7]. Impulsada por la industria de la electrónica de consumo, la fabricación de PCB ha alcanzado un alto nivel de madurez, lo que permite la producción de sofisticados sustratos electrónicos de elevada precisión y bajo coste. La tecnología PCB ha proporcionado diversos dispositivos microfluídicos [8, 9, 10], pero el control del fluido usando sólo esta tecnología resulta difícil de conseguir. Normalmente, en la fabricación de dispositivos MEMS, se suelen usar materiales poliméricos como el SU-8, el PDMS o el Kapton, los cuales permiten controlar el paso del fluido en estos dispositivos integrados. Gracias a la combinación de estas tecnologías se pueden desarrollar estructuras microfluídicas rentables [11, 12], donde la electrónica y el propio microfluido comparten el mismo sustrato. En este trabajo usaremos como resina fotosensible (fotorresina) el SU-8, creando así un sistema híbrido PCB/SU-8. __________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [12] Capítulo primero Introducción y objetivos _____________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________ Figura 1.1: Sustrato de FR4 con un doble revestimiento de cobre Los PCB están constituidos por una o dos capas de material conductor sobre una base (sustrato) no conductora. Generalmente la parte conductora es de cobre, mientras que el sustrato típico es el FR4 (Retardante de llama; del inglés: Flame Retardant). En la Figura 1.1 se muestra la estructura típica de una placa PCB de doble cara. Este sustrato está hecho de un material de fibra de vidrio impregnado con una resina epóxica (polímero termoestable) resistente a las llamas. El dígito 4 es un índice de calidad, que en este caso denota las buenas propiedades eléctricas, físicas y térmicas que posee frente a sustratos de peor calidad como el FR2 y el FR3. A pesar de existir también el FR5 y FR6, éstos se emplean en aplicaciones donde se necesitan una elevadísima resistencia al calor. Es por ello que el FR4 es el sustrato más empleado en los sectores industriales de la comunicación, automoción, informática, aeroespacial y aplicaciones de alta tecnología. Resina Refuerzo Fibra Fibra de Fenolde vidrio no Grado Poliepóxido Poliéster Papel formaldehído vidrio entrelazada FR2 ∎ ∎ FR3 ∎ ∎ FR4 ∎ ∎ FR5 ∎ ∎ FR6 ∎ ∎ Tabla 1.2: Designación de materiales laminados El uso de esta tecnología supone una serie de importantes ventajas frente al uso de técnicas convencionales basadas en silicio: Proceso de fabricación más simple y barato Amplio conocimiento en su manipulación Rápido desarrollo de prototipos de bajo coste gracias a la facilidad de ser mecanizado __________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [13] Capítulo primero Introducción y objetivos _____________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________ Total integración de componentes electrónicos y fluídicos en un mismo PCB El sustrato base FR4 es bueno para realizar deposiciones de polímeros como el SU-8 Posibilidad de emplear polímeros conductores que junto con el cobre del PCB permiten establecer continuidad eléctrica Así pues, hoy en día podemos encontrar numerosas plataformas microfluídicas basadas en la tecnología descrita hasta ahora. En el capítulo segundo se dedicará una sección a ver algunas de las diferentes válvulas antirretorno convencionales comparadas con otras que usen tecnología MEMS. 1.3.- Objetivos El objeto del proyecto es la definición de un proceso de fabricación de válvulas antirretorno en SU-8 para su integración en plataformas microfluídicas basadas en placas de circuito impreso. El proceso permite la fabricación y la integración de estos dispositivos con sustratos de PCB de forma simultánea, obteniendo así un sistema híbrido PCB/SU-8 sin necesidad de ensamblar. El desarrollo del trabajo llevado a cabo se puede dividir en los siguientes puntos: 1. Descripción completa del proceso de fabricación basado en técnicas de fotolitografía. 2. Construcción de prototipos de válvulas de propósito general, empleando para ello el sistema descrito, en una placa de circuito impreso de unos 120x120mm, cuyo sustrato base es de FR4 de 1500µm de espesor y con una fina capa de cobre de 35µm de espesor en su cara superior. 3. Análisis experimental del comportamiento de las válvulas, demostrando que la integración de estos sistemas microelectromecánicos con la tecnología PCB es compatible, y validando así el proceso de fabricación. Para ello se creará una sencilla instalación que permita inyectar agua a presión conocida, primero en un sentido y luego en sentido contrario. 4. Finalmente se caracterizarán las válvulas con los valores de presión y caudal recogidos en el montaje experimental. Se hará una comparación de los resultados obtenidos para válvulas con distinto número de suspensiones. Además, cabe señalar la siguiente serie de objetivos que se han perseguido desde el inicio del proyecto y que van implícitos en el proceso de fabricación: Compatibilidad con sistemas más complejos. La principal finalidad de la investigación es que el proceso de fabricación de la válvula sea __________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [14] Capítulo primero Introducción y objetivos _____________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________ compatible con la fabricación de estructuras microfluídicas en SU-8, como mezcladores, microcanales, cámaras, filtros, etc. Fiabilidad de funcionamiento. El proceso debe asegurar que la microválvula funcione con normalidad en un rango de presión y caudal aceptable de modo que sea factible su uso en las plataformas microfluídicas estándar que requieran de una válvula antirretorno. Facilidad de fabricación. Gracias al empleo de tecnología PCB-MEMS, la base del proceso de fabricación es bien conocida, pues resulta en una modificación del método clásico de fabricación de los circuitos integrados. La total integración en sistemas más complejos evita laboriosos ensamblajes y por lo tanto también conlleva a una mayor facilidad de fabricación. Bajo coste de fabricación. Unido al objetivo anterior, a los materiales empleados en la construcción de los prototipos, y al hecho de poder compartir el sustrato con otros dispositivos, obtenemos un proceso rápido y sencillo que hacen que el proceso sea de bajo coste. __________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [15] Capítulo primero Introducción y objetivos _____________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________ __________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [16] 2 Estado del arte __________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [17] __________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [18] Capítulo segundo Estado del arte _____________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________ 2.- Estado del arte 2.1.- Introducción En este segundo capítulo, en primer lugar, se profundizará sobre el término microsistema, el cual ya fue presentado en el capítulo anterior. Se llevará a cabo un breve recorrido histórico necesario para poder situar esta tecnología dentro del área de la ingeniería, así como para comprender el importante avance que ha conllevado su uso en multitud de dispositivos y ámbitos de aplicación, y también para poder predecir aquellos que aún están por llegar. Veremos las diferentes técnicas de fabricación existentes y se mostrarán algunos de los ejemplos de aplicación más interesantes/prometedores. En segundo lugar nos adentraremos en los microsistemas microfluídicos, centrándonos sobre todo en las microválvulas antirretorno, donde se llevará a cabo una clasificación de los diferentes tipos existentes. Para ello se repasará previamente las distintas válvulas antirretorno convencionales (macroescala) para poder entender mejor el funcionamiento de las que hacen uso de la tecnología MEMS. 2.2.- Microsistemas 2.2.1.- Definición y clasificación Existen diversas terminologías con la que poder referirnos a los microsistemas. En los Estados Unidos se acuñó el acrónimo MEMS (MicroElectroMechanical Systems), pero también puede ser conocido en Europa como MST (Micro System Technology) o en Japón como Micromachining. Por este motivo, en España se les llama indistintamente bien por su nomenclatura inglesa o bien por alguna de sus traducciones como sistemas microelectromecánicos, o simplemente como microsistemas [13]. La tecnología MEMS es el resultado de la miniaturización combinada de elementos eléctricos, mecánicos, ópticos y biológicos. El término se adoptó oficialmente en 1989 durante una reunión del Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE, Institute of Electrical and Electronics Engineers) para referirse a aquellos dispositivos con dimensiones entre 1 micrómetro y 1 milímetro, que combinan componentes eléctricos y mecánicos fabricados usando procesos similares a los empleados en la industria de los circuitos integrados (IC, Integrated Circuit) [14]. El desarrollo tecnológico y comercial de los MEMS varía según su área de aplicación pero existe un consenso general que identifica a la miniaturización, al carácter multifuncional y a los procesos de fabricación en masa de alta precisión como los motivos para que esta tecnología se haya consolidado exitosamente. __________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [19] Capítulo segundo Estado del arte _____________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________ Para ilustrar las ventajas que ofrece la miniaturización, la Figura 2.1 muestra una comparación entre las dimensiones típicas de los MEMS y otros elementos funcionales básicos en una escala logarítmica que se extiende desde el femtómetro (1𝑓𝑚 = 1 × 10−15 𝑚) hasta la centena de un megámetro (1𝑀𝑚 = 1 × 106 𝑚). La ubicación de la tecnología MEMS en esta escala comparativa permite usarla como una conexión física y funcional entre la escala humana y las escalas submicrométricas. Asimismo, algunos fenómenos físicos que pasan desapercibidos a escala macroscópica (dimensiones mayores a 1 centímetro) adquieren relevancia a escalas microscópicas. Figura 2.1: Dimensiones típicas de los dispositivos basados en tecnología MEMS Muchas de las características funcionales distintivas de los MEMS son una consecuencia de estos efectos de escalamiento. Por ejemplo, a escala micrométrica, los efectos capilares y de tensión superficial tienen más influencia sobre la cinética de los cuerpos que los efectos inerciales y, por lo tanto, la operación de muchos dispositivos microfluídicos se fundamenta en estos efectos. Otros ejemplos de las ventajas intrínsecas de la miniaturización son, en el área biomédica, la habilidad de los microelectrodos para ser implantados en lugares específicos del cuerpo humano causando la menor intrusión posible (100 a 500 µm) y, en las tecnologías de información, la habilidad de los inyectores de gotas en los cartuchos de impresión de tinta para disipar calor (20 µs). __________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [20] Capítulo segundo Estado del arte _____________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________ Una definición alternativa para los MEMS basada en la funcionalidad es la que proporciona Stephen Beeby en su libro MEMS Mechanical Sensors [15], en la cual argumenta que un microsistema debe comprender: Un sensor que alimenta de información a un sistema externo más complejo. Un circuito electrónico que acondiciona la señal producida por el sensor para ser enviada al exterior. Y un actuador que responde a las señales eléctricas generadas por los circuitos internos y que puede interactuar con el sensor Figura 2.2: Descripción de las técnicas que convergen en el diseño de Sistemas Microelectromecánicos, los elementos de un MEMS y algunas de sus áreas de aplicación Si atendemos a esta clasificación es importante señalar que tanto sensores como actuadores son dos tipos de transductores cuya interacción con el exterior es parte intrínseca de su funcionalidad. Por lo tanto, es posible hablar de una clasificación de los MEMS a partir de una de sus características más críticas, el movimiento. Así, la clasificación de los Sistemas Microelectromecánicos a partir de sus características de movimiento será: Sin partes móviles. En esta categoría se encuentran los inyectores de tinta, los sensores de presión basados en galgas piezorresistivas, los secuenciadores de ADN y algunos RF-MEMS. Con partes móviles pero sin rozamiento ni superficies de impacto. En esta categoría se encuentran los acelerómetros, los giroscopios, los sensores de presión basados en diafragmas y capacitores variables, resonadores, algunos RF-MEMS y ciertos mecanismos de actuación electrotérmicos. Con partes móviles y superficies de impacto. En esta categoría se encuentran los interruptores ópticos, los DMD (Digital Micromirrors Device), los microrreveladores, las microválvulas, las microbombas y los dispositivos que requieren de microensamblado. __________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [21] Capítulo segundo Estado del arte _____________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________ Con partes móviles, rozamiento y superficies de impacto. Mecanismos de actuación basados en engranes, mecanismos basados en vástagos y actuadores electrostáticos de efecto scratch. 2.2.2.- Historia Es innegable que la historia de los microsistemas está estrechamente vinculada con la historia de la microelectrónica, por ello, un buen punto de partida para fijar el origen de los Sistemas Microelectromecánicos es la invención del transistor [16]. Así, con la creación en 1947 del primer transistor de punto de contacto por John Bardeen, Walter Brattain y William Shockley y su posterior evolución hacia el transistor de efecto de campo en 1952, los aparatos electrónicos basados en el tubo de vacío (bulbo), que fue creado en 1906 por Lee de Forest, cedieron su lugar a los compactos dispositivos basados en semiconductores. La invención del transistor fue un gran avance en la reducción de tamaño, consumo de energía, producción de calor y portabilidad en los aparatos e instrumentos electrónicos. Y ya en los días iniciales del desarrollo del transistor se estudiaron las propiedades piezorresistivas de los materiales semiconductores y se estableció un primer vínculo entre los materiales electrónicos (silicio y germanio) y la creación de sensores mecánicos. A finales de la década de 1950, ocurrieron muchos eventos clave que motivaron el desarrollo de la electrónica mucho más allá del modesto transistor. La invención del transistor planar de silicio y del proceso de fabricación planar, sentaron las bases para el desarrollo de los procesos de fabricación y del equipamiento que harían posible alcanzar dispositivos electrónicos monolíticos (integrados en un mismo sustrato) a una escala de µm. El proceso de fabricación planar con silicio proporcionó una vía para integrar un gran número de transistores y crear diferentes dispositivos electrónicos y, a través del continuo avance técnico de las herramientas de fabricación (litografía, socavado, difusión e implantación), lograr una continua reducción en el tamaño de los transistores. Un claro ejemplo del potencial que la miniaturización alcanzó en pocos años fue el desarrollo del microprocesador en 1970, logro que generó un efecto de realimentación al mejorar significativamente la resolución de los procesos de litografía. De estos avances en los procesos de fabricación se verían beneficiados los microsistemas, pues se hacía factible la fabricación monolítica o la integración de chips que no sólo registraran ciertos fenómenos físicos, químicos o biológicos sino que tuvieran la capacidad de activar actuadores y acondicionar la señal proveniente del sensor para su posterior transmisión al mundo exterior, completando así el ciclo de captación de información, procesamiento, transmisión y acción. El consenso general de la comunidad que se dedica al desarrollo de los Sistemas Microelectromecánicos ubica el momento fundacional de este campo multidisciplinario de investigación y desarrollo en la conferencia titulada There’s Plenty of Room at the Bottom, que puede traducirse como Hay mucho espacio allá abajo, impartida el 29 de diciembre de 1959 por el Dr. Richard Feynman durante la __________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [22] Capítulo segundo Estado del arte _____________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________ reunión anual de la Sociedad Estadounidense de Física (American Physical Society, APS) en el Instituto de Tecnología de California (California Institute of Technology, Caltech). En ella el Dr. Feynman señaló con clarividencia las posibilidades que la miniaturización ofrecía como campo de desarrollo e investigación para los científicos e ingenieros de la posguerra, desde el reto de codificar y almacenar toda la información que la humanidad ha registrado en libros por todo el mundo a lo largo de toda su historia, en un cubo de apenas un grano de polvo, hasta la miniaturización y mejora de las capacidades de procesamiento de las computadoras, pasando por la construcción de mejores microscopios y la invención y desarrollo de la endoscopia y la microcirugía. Al final de su elocuente conferencia, el Dr. Feynman ofreció premios para quienes resolvieran un par de retos tecnológicos que darían un gran impulso al desarrollo de la miniaturización. El primero de ellos consistía en colocar todo el texto de una página en un área de 1/25000 de pulgada cuadrada en una escala lineal, de modo que pudiera ser leído por un microscopio electrónico. El segundo premio iría para quien desarrollase un motor eléctrico funcional de apenas 1/64 de pulgada cúbica. Cinco años después, en 1964, Harvey C. Nathanson y sus compañeros de la empresa Westinghouse Research Labs, produjeron el primer sistema microelectromecánico empleando para ello procedimientos estándar de fabricación microelectrónica en base silicio. Se denominó transistor de compuerta resonante, y se trataba de un transistor de efecto de campo que incorporaba una viga volada de oro la cual vibraba a una frecuencia específica de entre 1 a 100 kHz para filtrar señales de alta frecuencia. Figura 2.3: Esquema del transistor de compuerta resonante (primer dispositivo MEMS), extraído del artículo original de 1968 por H.C. Nathanson El rápido desarrollo de la tecnología microelectrónica fue comprendido y explicado por Gordon Moore en 1965 en un artículo en el que predice el rápido crecimiento de la microelectrónica. En aquel año la microelectrónica producía __________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [23] Capítulo segundo Estado del arte _____________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________ circuitos integrados con 50 transistores en una oblea de 1 pulgada cuadrada, los cuales debían estar separados por 50µm, y el silicio emergía como el material de la microelectrónica debido a la facilidad en la producción de capas de dióxido de silicio estables y de alta calidad (esenciales para la fabricación de transistores). En su artículo, Moore establece lo que hoy se conoce como la ley que lleva su nombre: “…la complejidad del componente (microelectrónico) de menor costo se ha incrementado en un factor de dos por año aproximadamente. En lo inmediato se espera que esta tendencia se mantenga o se incremente. Y en el largo plazo, la tasa de incremento es un poco incierta, aunque no existe razón para creer que no se mantendrá más o menos constante, al menos por los próximos diez años.” En la Figura 2.4 puede apreciarse el ritmo de desarrollo de la microelectrónica en los últimos 45 años. Figura 2.4: Cantidad de transistores por microprocesador y Ley de Moore. La curva muestra cómo se duplica el número de transistores cada dos años. Desde los inicios de la microelectrónica y a lo largo de la década de 1970, se desarrollaron diversas técnicas de micromecanizado en volumen, las cuales permitían la eliminación de parte del sustrato con el fin de crear estructuras mecánicas libres de contacto, como estructuras en voladizo o membranas, o estructuras tridimensionales como cavidades o agujeros que atraviesan la oblea mediante el uso de reactivos dependientes de la orientación (isotrópicos) y/o independientes de la orientación (anisotrópicos). Esta técnica fue la más empleada en la industria de los circuitos integrados y, por lo tanto, también fue una de las __________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [24] Capítulo segundo Estado del arte _____________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________ primeras en adaptarse en la fabricación de microsistemas para la creación de sensores de presión y microacelerómetros. En 1979, el primer acelerómetro basado en tecnología MEMS fue desarrollado por investigadores de la Universidad de Stanford. El microacelerómetro fue el primer sistema microelectromecánico en convertirse en un éxito comercial. Ya en el año 2000 se habían vendido por todo el mundo más de 30 millones de unidades fabricadas en silicio. Figura 2.5: Esquema del primer acelerómetro MEMS. En (a) se muestra el alzado y en (b) la sección transversal. Imagen extraída del artículo original de Lynn Michelle Roylance en 1979. En 1982, Kurt E. Petersen escribió su artículo “Silicon as a Mechanical Material”, que traducido resulta “El silicio como material mecánico”. A partir de esta publicación, el silicio fue considerado y empleado para una mayor cantidad de aplicaciones que incluían la producción de sensores con elementos mecánicos, tales como masas inerciales, diafragmas de presión o transductores electromecánicos. Otro resultado del micromecanizado en volumen fue toda la manufactura de los microinyectores de tinta, los cuales se convertirían en un enorme mercado gracias a la extensión en el uso de ordenadores personales y a la demanda de impresoras de bajo coste. En 1983, Roger T. Howe y Richard S. Muller desarrollaron el esquema básico para el micromecanizado en superficie. Se empleaban dos tipos de materiales, uno estructural y otro de sacrificio, y las herramientas desarrolladas por la microelectrónica para crear así una tecnología de fabricación capaz de producir elementos mecánicos complejos sin la necesidad de realizar ningún tipo de ensamblado posterior a la fabricación. Muchos de los elementos mecánicos y de actuación esenciales en microsistemas fueron construidos en los años siguientes al desarrollo de esta técnica de fabricación. También en la década de 1980, se desarrolló en Alemania el proceso LIGA, abreviación de Lithographie, Galvanik und Abformung (Litografía, electroformación __________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [25] Capítulo segundo Estado del arte _____________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________ y moldeado). El proceso consiste en fabricar un molde grueso de fotorresina de rayos X el cual se rellena con metal. El metal puede ser el producto final o bien ser utilizado como molde para inyectar plástico. Figura 2.6: Estructura mecánica realizada mediante proceso LIGA por el Instituto de Microtecnología Mainz (IMM). Un dato curioso en la historia de los microsistemas es que el acrónimo MEMS fue oficialmente adoptado durante la realización del Micro Tele-Operated Robotics Workshop en Salt Lake City en 1989, después de una intensa discusión sobre el nombre que debía adoptar este nuevo campo de investigación. El Dr. Roger Howe de la Universidad de California en Berkeley propuso el acrónimo y generó consenso entre los participantes. La década de 1990 vio el surgimiento de nuevos productos comerciales que requerían la integración con las tecnologías de fabricación de dispositivos MEMS. La empresa Analog Devices Inc. desarrolló una tecnología MEMS que facilitaba el desarrollo de sensores inerciales (acelerómetros y giroscopios) para aplicaciones en el sector de la automoción, en particular en los sistemas de airbag del automóvil. Texas Instruments desarrolló otra tecnología usada en los proyectores y televisores de proyección. Se trataba del Procesamiento Digital de Luz (DLP, Digital Light Processing), con la cual se consigue crear la imagen mediante espejos microscópicos. En esta misma década, la Fundación Nacional para la Ciencia (National Science Foundation) y la Agencia de Investigación Avanzada en Proyectos de Defensa (DARPA, Defense Advanced Research Projects Agency) de los Estados Unidos, financiaron diversos proyectos de desarrollo e investigación de microsistemas, incrementando el número de patentes así como el número de compañías dedicadas al sector. Otros desarrollos llevados a cabo entre los años 80 y 90 del pasado siglo, que motivaron aún más el interés por la microtecnología, fueron: la aparición del microscopio de efecto túnel (1982), el desarrollo del microscopio de fuerza atómica (1986), el descubrimiento de los nanotubos de carbón (1991), y el desarrollo de la técnica Smalley para la producción uniforme de nanotubos (1996). Ya entrando en el siglo XXI, la tecnología MEMS llega a consolidarse y la industrialización y comercialización de dispositivos es ya masiva. Entra en auge la __________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [26] Capítulo segundo Estado del arte _____________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________ tecnología MOEMS (Micro-Opto-Electro-Mechanical Systems) y el número de dispositivos y aplicaciones MEMS crece rápidamente con la proliferación de los BioMEMS. También crece el desarrollo de la tecnología NEMS, así como el número de aplicaciones que ofrece, como son, por ejemplo, las primeras herramientas de nanoimpresión. En la Figura 2.7 se representa de modo orientativo el crecimiento exponencial que sufre la tecnología MEMS, en base al número de dispositivos que van apareciendo, desde los años 1980. Se observa la rápida evolución, sobre todo cuando nos adentramos en los años 2000, habiéndose extendido también considerablemente el rango de aplicación de dichos dispositivos a prácticamente todos los sectores industriales en los que los vemos hoy en día. Figura 2.7: Evolución de los MEMS A continuación, en la siguiente tabla, se muestran los principales hitos que han contribuido al desarrollo de la tecnología MEMS tal y como la conocemos en la actualidad, expuestos en modo de línea temporal: 1940 La invención del radar impulsa el desarrollo de los semiconductores. Se inventa la computadora ENIAC (Electronic Numerical Integrator and 1947 Computer) en la Universidad de Pennsylvania. John Bardeen, Walter Brattain y William Shockley inventan el transistor de 1947 union bipolar en los Bell Telephone Laboratories. Charles S. Smith de los Bell Telephone Laboratories descubre los efectos 1954 piezorresistivos en el germanio y en el silicio. Kulite Semiconductor desarrolla los primeros extensómetros comerciales 1958 basados en silicio. El Dr. Richard Feynman imparte su famosa conferencia There’s plentyof room at 1959 the bottom en el Caltech. William McLellan, del Caltech, construye un motor eléctrico de 2000 rpm, 1/64 de pulgada cúbica y 250 microgramos. Logro con el cual reclama el premio que 1960 el Dr. Feynman había ofrecido un año antes en su conferencia ante la Sociedad Americana de Física. Se inventa el proceso de fabricación planar por lotes (en serie y empleando una 1960 misma máscara) sobre silicio. __________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [27] Capítulo segundo Estado del arte _____________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________ Kulite Semiconductor desarrolla a nivel experimental un sensor de presión basado en silicio. H. C. Nathanson y su equipo producen en Westinghouse el transistor de 1964 compuerta resonante, considerado el primer sistema microelectromecánico. Gordon Moore formula la famosa ley que lleva su nombre. En ella establece la 1965 tendencia a largo plazo entre la densidad de transistores Se inventa el microprocesador y se incrementa enormemente la demanda de 1970 circuitos integrados. National Semiconductor desarrolla el primer sensor comercial de presión 1974 basado en tecnología MEMS. IBM y Hewlett-Packard desarrollan la primera cabeza de inyección de tinta 1977 empleando tecnología MEMS. El acelerómetro micromecanizado es desarrollado por la Universidad de 1979 Stanford. Aparece el artículo Protein design as a pathway to molecular manufacturing de 1981 K. Eric Dexler, constituyéndose en el primer artículo técnico publicado sobre nanotecnología. 1982 Se inventa el microscopio de efecto túnel. Kurt E. Petersen publica su famoso artículo Silicon as a mechanical material, en 1982 el cual analiza las propiedades mecánicas del silicio a la escala de fabricación de Microsistemas. Honeywell desarrolla un transductor de presión sanguínea empleando 1982 tecnología MEMS. El proceso de micromecanizado superficial en silicio policristalino es desarrollado en la Universidad de California en Berkeley por R. T. Howe y R. S. 1984 Muller. Los circuitos electrónicos y los Sistemas Microelectromecánicos pueden ser fabricados juntos por primera vez. La Buckyball (nanoestructura formada por 60 átomos de carbonocon 1985 extraordinarias características mecánicas y eléctricas) es descubierta. T. Newman y R. F. W. Pease emplean litografía mediante un haz de electrones para imprimir la primera página de la novela A Tale of Two Cities en un 1985 cuadrado de 5,9 micras. Hito con el cual ganan el premio ofrecido por el Dr. Richard Feynman en 1959 durante su conferencia en el Caltech. 1986 Se inventa el microscopio de fuerza atómica. Es inventado el proceso LIGA de fabricación de microsistemas por el Dr. E. W. 1986 Becker y el Dr. W. Ehrfeld del Instituto de Ingeniería Nuclear del Centro de Investigación Karlsruhe en Alemania. Larry Hornbeck y William E. Nelson de Texas Instruments inventan el 1987 dispositivo digital de microespejos o DMD. 1989 Se inventa el actuador electrostático conocido como peine electrostático lateral. 1991 Se inventa la bisagra de policilicio en procesos de mecanizado superficial. 1991 Se descubre el nanotubo de carbón. Analog Devices introduce en el mercado su acelerómetro micromecanizado 1993 ADXL50. Texas Instruments introduce en el mercado su DLP que contiene un DMD 1996 desarrollado por la propia empresa. Richard Smalley desarrolla una técnica para producir nanotubos de carbón de 1996 diámetro uniforme. Tabla 2.1: Principales hitos que han conducido al desarrollo de la tecnología MEMS 1961 __________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [28] Capítulo segundo Estado del arte _____________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________ 2.2.3.- Aplicaciones Las características de los dispositivos basados en tecnología MEMS han permitido su aplicación en diversos sectores económicos. Fundamentalmente, el éxito de su aplicación se debe a las ventajas que presenta la tecnología MEMS sobre los sistemas macroscópicos, entre las cuales podemos mencionar: miniaturización sin pérdidas de funcionalidad, integración para formar sistemas monolíticos, aprovechamiento de nuevos dominios físicos, menor costo de fabricación por unidad, menor consumo de potencia, mayor velocidad de operación y mejoras en la sensibilidad, selectividad y exactitud. Los dispositivos MEMS se han expandido muy rápidamente en una gran diversidad de sectores industriales durante la última década. Un ejemplo de ello es el acelerómetro MEMS, primer éxito comercial empleado inicialmente en los sistemas de airbag de los automóviles. Continuó su desarrollo para servir a otras aplicaciones del sector automovilístico, como el Control de Estabilidad Electrónico y la detección de vuelco. Gracias a los avances tecnológicos, bajaron los costes de producción y los sensores se hicieron asequibles para la electrónica de consumo. En el análisis de mercado realizado por la red europea NEXUS Microsystems [17], se catalogan los principales campos de aplicación a los que van destinados los dispositivos creados mediante tecnología MEMS. En la siguiente lista se muestran ordenados de mayor a menor volumen de mercado para el año 2009: Periféricos informáticos: sector dominado por los cabezales de inyección de tinta de las impresoras y por los cabezales de lectura/escritura de datos de los discos duros. Electrónica de consumo: acelerómetros, micrófonos, osciladores… Automoción: acelerómetros, giroscopios, inclinómetros, sensores de presión, sensores infrarrojos… Medicina: plataformas microfluídicas, BioMEMS, LOC, µTAS. Control industrial: acelerómetros, sensores de gas, control de flujo y la corrosión… Telecomunicaciones: MOEMS y RF-MEMS. Defensa y aeroespacial: acelerómetros, giroscopios, sensores infrarrojos… Seguridad doméstica: acelerómetros, sensores de presión y sensores de temperatura. En la Figura 2.8 se muestran los resultados del análisis llevado a cabo por NEXUS, donde vaticinó que en el año 2009 se duplicarían los mercados de microsistemas respecto del año 2004. En dicho gráfico no se pretende mostrar exactamente la situación actual, pues el año 2009 queda ya un poco desfasado para lo rápido que avanza dicha tecnología. Más bien se pretende estudiar cómo quedan repartidos y distribuidos en el mercado los diferentes dispositivos MEMS, así como estudiar la evolución y la tendencia que va sufriendo dicho mercado. __________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [29] Capítulo segundo Estado del arte _____________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________ Figura 2.8: Análisis de mercado de los microsistemas por campo de aplicación. Fuente: NEXUS No hay lugar a dudas que los microsistemas destinados a periféricos informáticos han sido hasta ahora los que han encontrado un mayor volumen de mercado, siendo básicamente éstos los cabezales de inyección de tinta y los cabezales de lectura/escritura de los discos duros. Ambos dispositivos se están viendo amenazados en la actualidad por las tecnologías alternativas de impresión láser y memorias de estado sólido. No obstante, como se aprecia de forma significativa en el gráfico anterior, el sector que se ha visto más beneficiado ha sido el referente a la electrónica de consumo, encontrándonos hoy en día dispositivos MEMS en prácticamente todos los útiles electrónicos que empleamos en el día a día. Los teléfonos móviles de alta gama emplean sensores inerciales (acelerómetros y giroscopios), las videoconsolas de última generación utilizan acelerómetros para la estabilización de la imagen y el control del juego, así como también lo hacen otros equipos como son las cámaras digitales y los televisores. Otros sectores de aplicación dignos de mención son el sector automovilístico, el sector biomédico y el sector de las telecomunicaciones. Al hablar sobre dichos sectores, son varios los acrónimos que suelen aparecer con frecuencia y por tanto resulta conveniente explicar cada uno de ellos a continuación: MOEMS (Micro-Opto-Electro-Mechanical Systems): se trata de aquellos dispositivos que resultan de la fusión de la microelectromecánica y la micro-óptica. Son por tanto dispositivos MEMS con la capacidad de detectar y manipular señales ópticas a escala micrométrica. Hay una amplia variedad de dispositivos que se incluyen en esta categoría, como son los interruptores ópticos o los microbolómetros (medidores de radiación electromagnética). __________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [30] Capítulo segundo Estado del arte _____________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________ RF-MEMS (Radio Frecuency Micro-Electro-Mechanical-Systems): estos dispositivos son el producto de aplicar la tecnología de microsistemas a circuitos de telecomunicaciones. Los RF-MEMS están siendo los dispositivos de más rápido crecimiento comercial dentro de la tecnología MEMS. Los RF-MEMS están diseñados específicamente para su uso dentro de la electrónica de los teléfonos móviles y otras aplicaciones de comunicación inalámbrica, como el radar, los sistemas de posicionamiento global (GPS) y las antenas orientables. La capacidad de ser integrado en otros aparatos electrónicos, así como contar con una menor pérdida de potencia son las grandes ventajas de estos dispositivos. BioMEMS (Biomedical Micro-Electro-Mechanical-Systems): nos referimos a estos dispositivos cuando aplicamos la tecnología de microsistemas a los campos de la biología y la medicina. LOC (Lab-On-a-Chip): un LOC, o laboratorio en un chip, es un microdispositivo que permite analizar compuestos de forma parcial. Es decir, un LOC se ocupa de la miniaturización y la integración de procesos de laboratorio en chips individuales. µTAS (micro Total Analysis Systems): los microsistemas de análisis total son microchips que permiten analizar compuestos de forma total. Generalmente los Lab-On-a-Chip tratan de sistemas microfluídicos que conllevan al análisis de muestras, y por esto comúnmente se los enfoca al ámbito biomédico [18], aunque no son exclusivos de dicho sector (un ejemplo de ello puede ser el análisis de muestras en el sector agroalimentario). Si a un LOC se le añade la electrónica necesaria para procesar los datos, así como otros microsistemas o incluso otros LOC, se obtiene un sistema híbrido de análisis tota (µTAS). A resultado muy atractivo orientar estos sistemas de análisis al sector biomédico, pues con ello se ha conseguido obtener auténticos laboratorios de diagnóstico médico completo, como son los microanalizadores de ADN. Estos sistemas proporcionan grandes ventajas, como son: bajo volumen de fluido consumido, análisis más rápidos, mejor control del proceso debido a una respuesta más rápida del sistema, menores costos de fabricación, plataformas más seguras para los estudios químicos, radioactivos o biológicos debido al menor volumen de fluido usado así como del uso de un sistema integrado. Figura 2.9: Diagrama de contraste entre los campos de BioMEMS, LOC y µTAS __________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [31] Capítulo segundo Estado del arte _____________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________ La aplicación de la tecnología MEMS en del sector automovilístico ha desempeñado un papel primordial desde mediados de los años 1970. La reglamentación internacional en materia de seguridad y protección ambiental dentro del sector, ha incrementado la demanda de sistemas de alta eficiencia y bajo consumo de potencia. La tecnología MEMS, gracias a sus características inherentes, se ha ajustado muy bien a esta búsqueda de sistemas seguros, ecológicos y eficientes. Las aplicaciones de mayor éxito comercial referente a la tecnología MEMS en la automoción, se basan principalmente en tres dispositivos. De mayor a menor rentabilidad, estos son: Sensores de presión: funcionan gracias a la deformación que se origina al ejercer presión sobre un objeto. La sensibilidad de estos sensores depende del espesor de una membrana que se emplea como elemento transductor. Gracias a los procesos de microfabricación se han logrado producir membranas de menor espesor y mayor uniformidad que las membranas producidas por métodos convencionales. Sensores inerciales: la mayoría se fundamentan en la Segunda Ley de Newton, para transformar la aceleración en desplazamiento empleando una masa de prueba como elemento transductor. Los sensores inerciales se dividen a su vez en acelerómetros y giroscopios. Los acelerómetros permiten registrar aceleraciones lineales mientras que los giroscopios registran aceleraciones angulares. Actualmente es posible construir estos sensores en tres ejes (X,Y,Z) y en un solo chip de silicio, incluyendo en el mismo la parte electrónica que se ocupa de procesar las señales. Sensores de flujo: permiten registrar la velocidad del fluido, su caudal y/o el esfuerzo de corte resultante en la pared del canal. En su mayoría, este tipo de sensores se fundamentan en el principio de transmisión de calor. Muchas de las aplicaciones de los vehículos actuales han integrado estos dispositivos. Por ejemplo, para que los sistemas de airbag sean desplegados en el momento preciso se emplean acelerómetros capaces de determinar el tipo de colisión, su dirección, y la magnitud del impacto. La incorporación de sensores de presión y flujo en el sistema de inyección de combustible han permitido determinar la cantidad exacta de la mezcla aire/combustible que debe tener el sistema para optimizar su desempeño y reducir el consumo. Otros ejemplos donde se usan sensores inerciales son en el direccionamiento inteligente de faros, el control electrónico de estabilidad, o los sistemas de posicionamiento global. La integración de la tecnología MEMS en el campo de las telecomunicaciones se resume básicamente en el uso de dispositivos en aplicaciones de radiofrecuencia (RF-MEMS) y en aplicaciones ópticas (MOEMS). Los RF-MEMS se emplean en la comunicación inalámbrica y existen numerosos dispositivos aplicados en dicho __________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [32] Capítulo segundo Estado del arte _____________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________ campo, como son: inductancias, filtros, antenas, acopladores direccionales, resonadores mecánicos, etc. Todos estos microdispositivos ofrecen menor consumo de potencia, menores pérdidas y un mayor factor de calidad en comparación con sus versiones macroscópicas. Por otra parte, el uso masivo de los sistemas de telecomunicación de banda ancha, ha incrementado la necesidad de incorporar en sus arquitecturas componentes que operen en un amplio rango de frecuencia. Los requisitos que deben cumplir estos sistemas, sólo pueden satisfacerse a través de redes ópticas. La incorporación de MOEMS a este tipo de redes ha permitido que las trayectorias del haz láser puedan ser cambiadas a voluntad y de manera rápida. Figura 2.10: Pronóstico de mercado MEMS, 2009-2017. Fuente: Yole Développement. 2.2.4.- Técnicas de fabricación Las técnicas de fabricación de microsistemas se basan principalmente en las técnicas de fabricación que se llevan a cabo en la tecnología de los semiconductores y los circuitos integrados. A estas técnicas convencionales se les ha ido sumando algunos pasos específicos para la tecnología MEMS. A continuación vamos a ver las consideraciones y técnicas más importantes: a) Material de partida El silicio sigue siendo con diferencia el sustrato más empleado en la industria de los semiconductores. Anualmente se producen más de 5000 millones de pulgadas al cuadrado referentes a área de obleas de silicio. El éxito del silicio se basa fundamentalmente en sus excelentes características electrónicas, así como en sus propiedades químicas y mecánicas. Asimismo, como sustrato dentro de la tecnología MEMS tiene importantes ventajas: __________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [33] Capítulo segundo Estado del arte _____________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________ Es abundante, barato y se puede dopar, obteniendo así la capacidad de controlar sus propiedades eléctricas. Capacidad de ser depositado en finas películas. Alta definición y reproducción de formas de dispositivos usando fotolitografía. Adecuado para alcanzar altos niveles de precisión. Permite la fabricación de alta calidad y grandes volúmenes. El silicio cristaliza con el mismo patrón que el diamante, y aunque sus enlaces interatómicos son mucho más débiles, son más complejos que el de la mayoría de los metales. Es sorprendentemente resistente a la tensión mecánica (tanto a tracción como a compresión), con un límite elástico mayor que el acero. Además, el silicio monocristalino también sigue siendo fuerte bajo ciclos repetidos de tensión y compresión. Aunque el silicio es con diferencia el material más usado como sustrato en la producción de microsistemas, existen una serie de áreas (especialmente la microfluídica y la óptica), en las cuales se usa con frecuencia una alternativa aún mejor: el vidrio. La elección a favor del vidrio para tales aplicaciones se basa en las siguientes consideraciones: Precio: es aproximadamente un 80% más barato que el silicio. Esto resulta de especial interés para aquellos dispositivos que requieran un precio muy bajo, como los dispositivos de un solo uso o desechables. Transparencia óptica: la transmisión de la luz visible, ultravioleta e infrarrojos sirve en aplicaciones como los divisores de haz, los espejos o las máscaras para fotolitografía. Inercia química: muy resistente al ataque de agua, ácidos y sustancias orgánicas. Enorme facilidad en la alineación para la unión de obleas. Inmejorable acabado superficial. Muy liso. Aislamiento eléctrico: buen aislante eléctrico. No obstante los iones alcalinos pueden conllevar a una carga eléctrica en el vidrio, especialmente a altas temperaturas. Mecánica: buena resistencia a la abrasión y al rayado. Dependiendo de la calidad superficial, el vidrio puede resistir los choques mecánicos y térmicos. Buena estabilidad térmica. Buena biocompatibilidad. Aun con todo lo anterior, y tal y como se explicó en el capítulo primero, actualmente existe una tendencia en el uso de placas de circuito impreso para la creación de prototipos con una elevada precisión y a muy bajo coste, además de poseer una total integración con los circuitos microfluídicos. Por lo tanto, el sustrato del que se partirá en el presente proyecto, como ya se especificó en el capítulo anterior y cuyas ventajas también se expusieron, es el FR4. __________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [34] Capítulo segundo Estado del arte _____________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________ b) Tecnologías de micromecanizado El micromecanizado es la fabricación de estructuras tridimensionales de dimensiones micrométricas. Existen dos tecnologías distintas: micromecanizado de supercifie y micromecanizado de volumen. En el micromecanizado de superficie los elementos se definen sobre capas depositadas o crecidas previamente sobre el sustrato de partida, mientras que en el micromecanizado de volumen, parte de la pieza (sustrato) se elimina con el fin de crear estructuras mecánicas libres de contacto, como estructuras en voladizo o membranas, o estructuras tridimensionales, como cavidades o agujeros que atraviesan la oblea mediante el uso de reactivos dependientes de la orientación (isotrópicos) y/o independientes de la orientación (anisotrópicos). A priori, ambos tipos de micromecanizado pueden resultar bastante parecidos, sin embargo existen varias diferencias significativas. En el micromecanizado en volumen, la estructura tridimensional se genera por medio de un ataque selectivo del substrato, mientras que, en el micromecanizado superficial, la estructura se construye mediante deposiciones capa a capa. Además, en el micromecanizado superficial, las geometrías en el plano X-Y no están limitadas por las orientaciones cristalográficas como es el caso del micromecanizado en volumen. c) Técnicas litográficas En el ámbito de la microelectrónica se define litografía como la técnica utilizada para transferir copias de un patrón a una superficie sólida, como por ejemplo una oblea de silicio. Existen diversas formas de transferir dicho patrón, como son: fotolitografía (luz ultravioleta), litografía por microscopio de fuerza atómica (AFM, Atomic Force Microscope), litografía por haz de electrones y litografía por haz focalizado de iones (FIB, Focused Ion Beam). En general las técnicas litográficas se agrupan en dos grandes clases: técncias de proyección y técnicas de escritura directa. Las primeras utilizan una máscara para definir las estructuras y permiten además procesados en paralelo de varios motivos a la vez. En las técnicas de escritura directa es el propio elemento el que define el motivo, sin máscara adicional; el proceso litográfico es en serie (se define un motivo a continuación del otro). La Tabla 2.2 muestra una clasificación de las técnicas de litografía disponibles, indicando las características de la técnica, la resolución alcanzable y si utilizan una fuente de luz como herramienta de litografía (fotolitográficas) o si se tratan de técnicas más apropiadas para la nanofabricación. __________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [35] Capítulo segundo Estado del arte _____________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________ Características de la técnica Resolución Longitud de onda Línea G 400 nm 436 nm Lámpara de mercurio Línea I 300 nm 365 nm KrF 180 nm 248 nm Fotolitografía Láser ArF 100 nm 193 nm F2 70 nm 157 nm Litografía de inmersión 35 nm 193 nm Ultravioleta extremo 45 nm 13 nm Rayos X 50 nm 1-10 nm Haz de iones 30-50 nm Haz de electrones 40-50 nm Técnicas nanométricas Estampación 20-40 nm Tintado 30-50 nm STM/AFM 15 nm Tabla 2.2: Resolución alcanzable con las distintas técnicas litográficas d) Técnicas de grabado Por grabado se entiende la eliminación total o parcial de una capa de forma selectiva. El proceso se compone del reactivo: sustancia capaz de atacar la capa; y producto: sustancia obtenida después del grabado. La interacción entre el reactivo y la capa que da lugar al proceso de grabado se llama reacción de ataque. Los procesos de grabado empleados comúnmente en la fabricación de MEMS son el grabado húmedo y el grabado seco. En los grabados húmedos el reactivo es líquido y el producto será soluble en medio líquido. El grabado se realiza mediante una reacción química del reactivo con la capa a atacar. El ataque se puede parar por tiempo o al llegar a una capa que se graba a una velocidad mucho más baja que la de la capa a grabar (ataque selectivo). Tras el ataque es necesario limpiar la muestra para eliminar los restos de reactivo en agua desionizada. Por último es preciso un proceso de secado, bien mediante estufas o mediante pistolas de nitrógeno. Los grabados húmedos permiten obtener alta selectividad química, combinando correctamente la máscara y el sustrato utilizados. Además, en general, no suelen afectar a las características eléctricas de los materiales ni alteran las estructuras cristalinas de los mismos. Los grabados húmedos pueden ser isótropos –graban igual en todas las direcciones– o anisótropos –donde el grabado químico presenta una preferencia a lo largo de ciertas direcciones del cristal o planos cristalinos y otras, en cambio, son grabadas muy despacio, característica que conduce a tener superficies con pendientes muy suaves controladas con mucha precisión. La resolución que se puede alcanzar con este tipo de grabado depende de la velocidad de ataque del reactivo, de la selectividad de la máscara y de isotropía o anisotropía del ataque. Los grabados secos, en contraposición con los grabados húmedos, son los que no tienen lugar en medio líquido. El grabado seco permite obtener un mayor control __________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [36] Capítulo segundo Estado del arte _____________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________ de las dimensiones y la anisotropía que las técnicas de grabado húmedo, aunque estas técnicas pueden dañar la superficie: modificando las características eléctricas (introduciendo cargas, por ejemplo) o modificando la estructura cristalina (deposición de polímeros). Finalmente los ataques secos pueden ser automatizados mediante el uso de equipos en principio costosos comparados con los ataques húmedos. Las principales técnicas de grabado seco son el grabado por plasma y el grabado por haz de iones. En el grabado por plasma se produce una descarga del plasma en un gas a baja presión el cual genera iones libres que reaccionan con el sustrato. La reacción puede ocurrir en la misma cámara del plasma, o en una cámara aparte, en la cual las partículas de gas ionizadas se difunden. El grabado por plasma más usual es el grabado por iones reactivos, RIE (Reactive Ion Etching). En el grabado por haz de iones se aceleran iones a voltajes desde unos cientos hasta mil voltios, los cuales reaccionan con el sustrato. En ambas técnicas se pueden utilizar gases reactivos, como C4 F8 o SF6, o gases no reactivos como Ar o He. Figura 2.11: Diagrama de flujo de un proceso general de fabricación planar (a) y de un proceso de fabricación LIGA (b) __________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [37] Capítulo segundo Estado del arte _____________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________ 2.3.- Válvulas antirretorno 2.3.1.- Introducción Las válvulas antirretorno son también conocidas como válvulas de retención, válvulas de contraflujo, válvulas check (de su nombre en inglés; check valves), entre otros. Este tipo de válvula tiene como propósito permitir que el flujo fluya en un sentido, pero no en el contrario [19]. Su comportamiento es bien conocido por ser ampliamente utilizadas en tuberías conectadas a un sistema de bombeo convencional, generalmente en la línea de descarga de la bomba para evitar así el conocido golpe de ariete. Por lo que son a menudo parte de los elementos comunes de una casa. A pesar de que están disponibles en una amplia gama de tamaños y costes, las válvulas antirretorno son generalmente pequeñas, simples y de bajo coste. Funcionan, además, de forma automática sin la necesidad de un control externo. El paso del fluido ocurre cuando se alcanza en la entrada la presión de apertura, que es la presión de entrada mínima a la que la válvula funcionará. En otras palabras, estas válvulas se abren por la fuerza que ejerce el fluido en movimiento sobre la misma y que fluye en un sentido, y son cerradas por el fluido que intenta retornar en sentido opuesto. La fuerza de la gravedad o la acción de un resorte ayudan al cierre de la válvula. Las principales razones para usar este tipo de válvulas, son: Protección de cualquier elemento del equipo que puede ser afectado por el flujo inverso, como medidores de flujo, filtros y válvulas de control. Para comprobar los picos de presión asociados con las fuerzas hidráulicas, por ejemplo, los golpes de ariete. Estas fuerzas hidráulicas pueden causar una ola de presión para subir y bajar por la tubería hasta que la energía se disipa. Prevención de inundaciones. Prevención de flujo inverso en el cierre del sistema. Prevención de flujo por gravedad. El alivio de las condiciones de vacío. 2.3.2.- Funcionamiento y clasificación convencional Como se ha mencionado con anterioridad, la función principal de una válvula antirretorno es la de proteger los equipos mecánicos en un sistema de tuberías mediante la prevención de la inversión de flujo. Esto es particularmente importante en el caso de bombas y compresores, donde el retorno del fluido puede dañar los componentes internos del equipo. __________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [38] Capítulo segundo Estado del arte _____________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________ En términos generales, las válvulas antirretorno no requieren ningún requisito para los operadores, ya que son válvulas de funcionamiento automático, que se abren cuando el fluido va hacia adelante y se cierran cuando intenta retornar. Figura 2.12: Sección de una válvula antirretorno. A la izquierda en posición abierta, permitiendo así el paso del fluido. A la derecha en posición cerrada, impidiendo que el fluido retorne. Las características que definen un buen funcionamiento de la válvula antirretorno, son: Cierre rápido del obturador Bajo coeficiente de pérdida de carga Cierre suave sin golpes Estanqueidad Mantenimiento reducido Las válvulas antirretorno pueden clasificarse de acuerdo a la forma en la que el elemento de cierre se mueve en el asiento. Se pueden distinguir los siguientes grupos: Válvula antirretorno de columpio o clapeta oscilante Este tipo de válvula fue la primera en existir, por lo que es considerada como básica. En su versión más primitiva su disco se abre hasta 90° cuando está completamente abierta. Tiene la desventaja de cerrado lento, por lo que no se recomienda para aplicaciones de alta presión ni de flujo de alta velocidad. Una variante de este tipo de válvulas es la de clapeta equilibrada, donde el ángulo de apertura máxima es inferior consiguiendo así un cierre más rápido. Se muestra un ejemplo en la Figura 2.13. Válvula antirretorno de pistón o de bola Un émbolo terminado en un obturador se apoya sobre el anillo de cierre. El émbolo, alojado en un pistón cilíndrico, se levanta dejando paso al fluido cuando este va en la dirección correcta. La forma del apoyo del émbolo ayuda a que la presión del fluido en retroceso apriete el obturador sobre el anillo de cierre. Requiere ser montada __________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [39] Capítulo segundo Estado del arte _____________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________ de forma adecuada, pues funciona por gravedad. Se muestra un ejemplo en la Figura 2.14. Válvula antirretorno de disco Consiste en un aro estrecho, que contiene un eje o pasador central, en el que se alojan unos resortes y dos semidiscos que giran sobre este eje, por efecto del sentido de flujo. Cualquier intento de reversión del flujo, hará que los discos se cierren antes de que eso ocurra. La rápida acción de los muelles evita el golpe de ariete. Se muestra un ejemplo en la Figura 2.15. Válvula antirretorno de diafragma El diafragma es la única parte móvil en este tipo de válvulas. Se mueve entre la posición normalmente cerrada en el asiento de entrada y la posición totalmente abierta, donde se mantiene en su lugar gracias a unos topes. Se muestra un ejemplo en la Figura 2.16. Figura 2.13: Válvula antirretorno oscilante Figura 2.14: Válvula antirretorno a bola y a pistón __________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [40] Capítulo segundo Estado del arte _____________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________ Figura 2.15: Válvula antirretorno de disco Figura 2.16: Válvula antirretorno de diafragma 2.3.3.- Microválvulas antirretorno Las válvulas antirretorno vistas en el punto anterior hacen referencia a una clasificación estándar de tamaño macroscópico con el que entender el funcionamiento básico de las mismas. Al trasladarnos a la escala microscópica es conveniente recordar, antes de adentrarnos en las microválvulas antirretorno, dónde se encuentran estas en el conjunto de microválvulas que se han estudiado para su uso en microfluídica. Una forma de clasificar a las microválvulas es en función del modo de actuación [2], donde se pueden encontrar dos grupos principales: válvulas activas y válvulas pasivas. Las válvulas pasivas carecen de actuación externa y únicamente permiten o impiden el paso de fluido basándose en las características de este. Por otro lado, las microválvulas activas requieren de energía externa para funcionar, presentando una estructura formada por un elemento de cierre y un actuador. A su vez, los __________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [41] Capítulo segundo Estado del arte _____________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________ elementos que permiten o impiden el paso del fluido, pueden ser mecánicos, no mecánicos o externos. Todo esto se refleja en la Tabla 2.3, donde se muestra una completa clasificación de las microválvulas. Mecánicas Magnético Campos externos Inductores integrados magnéticos Eléctrico Electrostáticas Electrocinéticas magnéticos Piezoeléctrico Térmico Biestable Activas Electroquímicas Cambio de fase Hidrogel Sol-gel Parafina Reológicas Electrorrelógicas Ferrofluidos Modular Empotrada Rotativa Neumáticas Membrana En línea Antirretorno Flap Membrana Bola En línea móvil Estructura Capilares Diffusser Abrupt Liquid Burst Hydro No mecánicas Microválvulas Externas Mecánicas Pasivas No mecánicas Tabla 2.3: Clasificación de las microválvulas Los elementos que permiten o impiden el paso de fluido se pueden dividir además, en el caso de las microválvulas activas mecánicas, en función de cómo se lleva a cabo el accionamiento: magnético, eléctrico, piezoeléctrico o térmico. Unida a esta clasificación también se distinguen a las válvulas en función del número de posiciones estables que admitan. De esta manera existen válvulas cuyo grado de __________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [42] Capítulo segundo Estado del arte _____________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________ apertura puede variar de forma continua entre la apertura total o el cierre total, mientras que otras sólo disponen de un número discreto de posiciones, donde un caso extremo son las válvulas biestables, donde el diseño posibilita que sólo exitan dos posiciones estables, abierta y cerrada. En el caso de las válvulas activas no mecánicas, el paso de fluido queda condicionado a las propiedades reológicas, electroquímicas o de cambio de fase del mismo o de un fluido intermedio, como ocurre con las de tipo hidrogel, el cual puede cambiar de volumen al variar algún parámetro como el pH del mismo y así obstruir un canal de paso. Por último también se contemplan aquellas válvulas que son accionadas por medios totalmente externos, como medios modulares o neumáticos. Las válvulas pasivas son uno de los componentes más importantes en microfluídica. La mayoría se colocan a la entrada y salida de microbombas de desplazamiento alternativo como partes mecánicas móviles (clapeta, membrana, bola, o estructuras móviles en línea, como émbolos o pistones), o como partes no mecánicas móviles (tipo capilar o difusor). Son las de tipo mecánica las consideradas comúnmente como válvulas antirretorno y por ello serán en las que nos centremos. Bien es cierto que a menudo también pueden catalogarse como válvulas antirretorno algunas de tipo no mecánico. En la Tabla 2.3 se muestran muchas de las válvulas antirretorno que se han publicado hasta la fecha: Referencia Tipo Zengerle Xu Yang Oosterbroek Sim Clapeta Clapeta Clapeta Clapeta Clapeta Yun Paul Paul Feng Li Bien Hu Feng Chung Nguyen Wego Bohm Santra Jensen Carrozza Yamahata Pan Material Suspen -siones Si Si Si Si Al 1 1 1 1 Tamañao válvula (µm) 1700 x 1000 x 5 3300 x 1200 x 12 780 x 1580 x 2 1000 x 300 x 5 1300 x 1000 x 2 660 x 310 x Clapeta Cu/Ni 1 2.2/0.3 Clapeta Metal 1 Ø2200 x 150 Clapeta Metal 2 Ø2200 x 150 Clapeta Parileno 1 3 Membrana Ni 4 300 x 300 x 10 Membrana P-Si 4 400 x 400 x 2.5 Membrana Si 3 960 x 50 Membrana Parileno 4 4 Membrana Parileno 4 Ø1200 x 6 Membrana SU-8 4 Ø1000 x 100 Membrana Kapton Ø5000 x 7.8 Membrana Mylar Ø2500 x 7 Membrana Silicona Ø4700 x 100 11000 x 11000 x Membrana Si 50 Bola 0 Ø1200 Bola 0 Ø700 Bola 0 Ø800 Tabla 2.4: Microválvulas pasivas de tipo antirretorno Tamaño orificio (µm) 400 x 400 700 x 2500 25 x 1580 350 x 350 180 x 180 Ø1500 Ø1500 Ø200 100 x 100 900 Ø200 Ø200 1500 x 1500 Ø500 Ø560 __________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [43] Capítulo segundo Estado del arte _____________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________ Como se puede observar en la tabla anterior son muchos los autores que han estudiado y caracterizado distintos tipos de microválvulas antirretorno [6, 20, 21, 22, 23]. Resulta conveniente ampliar a continuación algunos detalles más sobre las más relevantes de esta lista, con el fin de poder compararlas con la microválvula objeto del presente proyecto en los capítulos venideros. Roland Zengerle y Martin Richter en su artículo de 1994 “Simulation of microfluid systems” y en 1995, R. Zengerle, J. Ulrich, S. Kluge, M. Richter, A. Richter, con el titulado “A bidirectional silicon micropump” explican cómo desarrollaron una microbomba electrostática bidireccional en silicio mediante el accionamiento a una frecuencia mayor (2-6 kHz) que la frecuencia de resonancia (1-2 kHz) de un cantiléver de tan sólo 5 Figura 2.17: Sección transversal de la microválvula micrómetros de espesor. descrita por Zengerle y Richter. E. H. Yang, S. W. Han y S. S. Yang, en 1996 publicaron su artículo “Fabrication and testing of a pair of passive bivalvular microvalves composed of p+silicon diaphragms”. En él se describe la fabricación de dos microválvulas pasivas mediante grabado electroquímico. Las válvulas poseen una estructura sencilla y con una fácil fabricación. Cada una se compone de varios diafragmas de silicio diseñados para abrirse o cerrarse en función de la diferencia de presión. En su fabricación se emplea difusión de boro y procesos simples de grabado anisotrópico. Consiguieron un caudal a flujo directo de 1,6 ml/min a una presión de 4kPa y un caudal de 0,05ml/min en flujo inverso con la misma presión. Figura 2.18: Principio de funcionamiento de la biválvula para la microbomba. Las flechas discontinuas hacen referencia a una pequeña fuga. (a) admisión. (b) escape. En “Development of large flow rate, robust, passive micro check valves for compact piezoelectrically actuated pumps” de 2005, Bo Li, Quanfang Chen, DongGun Lee, Jason Woolman y Greg P. Carman cuentan la fabricación de una microbomba piezoeléctrica en la cual emplearon una válvula antirretorno de membrana tipo puente integrado. Las cuatro suspensiones de la microválvula, con __________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [44] Capítulo segundo Estado del arte _____________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________ un tamaño cada una de ellas de 50x400µm, hicieron posible aguantar las altas presiones (hasta 10MPa). Figura 2.19: Esquema de la bomba compacta y las microválvulas integradas. En otro artículo llamado “Micro check valves for integration into polymeric microfluidic devices”, Nam-Trung Nguyen, Thai-Quang Truong, Kok-Keong Wong, Soon-Seng Ho y Cassandra Lee-Ngo Low trabajaron en el diseño, simulación, fabricación y caracterización de microválvulas antirretorno y su adecuada integración en dispositivos microfluídicos, tales como microbombas o cartuchos de testeo de análisis biomédicos. Emplearon un proceso de micromecanizado superficial con SU-8 como material funcional. Con un tamaño de ∅1000 × 100 𝜇𝑚 y cuatro suspensiones, permite el paso de un caudal de 2,5ml/min a una presión de 3kPa. Eso sí, tiene un caudal inverso de 1,2ml/min a la misma presión. Figura 2.20: Diferentes diseños de las microválvulas antirretorno que Nguyen y su equipo llevaron a cabo. Christophe Yamahata, Frédéric Lacharme, Yves Burri y Martin A. M. Gijs cuentan en “A ball valve micropump in glass fabricated by powder blasting” de 2005 cómo desarrollaron una microválvula pasiva de bola para una microbomba electromagnética con una membrana de PDMS incrustada con un imán permanente. La bola de ∅700μm se fabricó mediante polvo de vidrio y permite el paso de un caudal de 20ml/min a una presión de 10kPa en sentido directo y un caudal de Figura 2.21: Fotografía de la microbomba 1ml/min a 40kPa. con válvula de bola. __________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [45] Capítulo segundo Estado del arte _____________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________ __________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [46] 3 Estructura __________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [47] __________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [48] Capítulo tercero Estructura y funcionamiento _____________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________ 3.- Estructura y funcionamiento 3.1.- Introducción En este tercer capítulo se presentará la estructura de la microválvula antirretorno fabricada, así como el principio de funcionamiento de la misma. En un primer apartado estudiaremos su estructura; las partes de las que está compuesta la microválvula, los materiales, el dimensionado de la misma, así como un esquema general de su estructura. En un segundo apartado, apartado 3.3 del presente capítulo, ya estaremos en disposición de presentar a nuestra microválvula de acuerdo a la clasificación vista en el capítulo segundo. Además se explicará el funcionamiento de misma con la ayuda de un sencillo diagrama funcional. La microválvula objeto del proyecto consta de dos versiones; una con dos suspensiones y la otra con cuatro suspensiones. Ambas versiones sólo difieren en el número de suspensiones, siendo idénticas en el resto de cotas y materiales. Por tanto, la diferencia entre una y otra sólo será relevante a efectos prácticos, y esto se estudiará en el capítulo quinto “Resultados y montaje experimental”, donde se caracterizará cada una de ellas. Es preciso recordar que entre los rasgos más significativos e impulsores de esta microválvula antirretorno, se encuentran aspectos como la total integración en sistemas microfluídicos más complejos gracias a la tecnología PCB-MEMS, así como su rápida y sencilla fabricación, y el bajo coste de fabricación. 3.2.- Esquema estructural El elemento base a partir del cual se comienza a conformar la microválvula es una placa de circuito impreso, cuyo material de sustrato es el FR4 y con una capa de cobre como material conductor sobre uno de sus lados. En el mercado existe, de forma general, una gran variedad de espesores elegibles para dichas capas. El uso de estos materiales base se justifican por sus buenas propiedades eléctricas, físicas y térmicas, además de su bajo coste y versatilidad. Por otro lado, el dispositivo está compuesto por dos o cuatro suspensiones y una membrana. Esta estructura se fabrica empleando el polímero SU-8, elegido también por su alta versatilidad, bajo coste, transparencia y su buena adherencia al FR4. La unión de estas tecnologías (PCB-MEMS) permiten conseguir estructuras microfluídicas rentables, donde la electrónica y el propio fluido comparten el mismo sustrato. En la Figura 3.1 se muestra la estructura de la válvula para el caso de cuatro suspensiones. Tal y como se observa en ella, cada suspensión reposa sobre una pista de cobre, que hacen las veces de pista conductora entre los pads, los cuales quedan comunicados entre sí a través de una fina corona circular, también de cobre. Esto es un paso crítico del proceso de fabricación donde se busca separar el SU-8 del cobre para poder hacer útil a la válvula. De esta manera se tienen las citadas cuatro suspensiones de la válvula, de SU-8, ancladas en un extremo y unidas a la membrana, __________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [49] Capítulo tercero Estructura y funcionamiento _____________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________ también de SU-8, en el otro. La membrana reposa sobre la fina corona de cobre, la cual, tras su primera función conductora, adquiere ahora la importante tarea de hacer las veces de tapón, haciendo que la válvula permanezca cerrada en contacto con la membrana de SU-8. En el centro de la figura se observa una perforación para definir el orificio a través del cual fluirá el fluido. Figura 3.1: Estructura de la válvula antirretorno A continuación se detalla el tamaño de cada una de las partes que conforman la microválvula. Las suspensiones tienen una longitud de 2500 µm, una anchura de 200 µm y una profundidad de 165 µm. La membrana tiene un radio de 1500 µm y una profundidad de tan sólo 50 µm, aunque tal y como se verá en el proceso de fabricación (en el próximo capítulo) la membrana se hizo con un radio un tanto mayor (2300 µm) como factor de seguridad a la hora de colocarla sobre las suspensiones de SU-8 previamente construidas. Bien es cierto que el área útil de la misma hace referencia al citado radio de 1500 µm. En lo que se refiere al PCB, la capa de FR4 tiene un espesor de 1500 µm mientras que la capa de cobre es de 35 µm de espesor. Por último, el orificio del sustrato por donde pasa el fluido tiene un radio de 200 µm. En la Tabla 3.1 se recogen las citadas dimensiones. __________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [50] Capítulo tercero Estructura y funcionamiento _____________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________ Estructura base - PCB Capa de FR4 alto 1500 µm Capa de cobre alto 35 µm Estructura de SU-8 largo 2500 µm Suspensión ancho 200 µm alto 165 µm radio 1500 µm Membrana alto 50 µm Canal de paso Orificio radio 200 µm Tabla 3.1: Dimensiones de la microválvula, divididas por partes estructurales 3.3.- Principio de funcionamiento De acuerdo a la clasificación vista en el capítulo anterior, la válvula pertenece al grupo de microválvulas pasivas por no disponer de ningún tipo de accionamiento externo, siendo la propia energía interna del fluido la que demarcará el estado (grado de apertura/cierre) de la misma. La estructura tras ser fabricada, queda asentada de forma natural sobre la estructura de cobre, por lo que la válvula debería de permanecer cerrada en su estado de reposo. Bien es cierto que esto no es del todo relevante, pues la válvula sólo cobra interés cuando empieza a pasar fluido de trabajo por ella. Dentro de las microválvulas pasivas y debido a sus componentes estructurales (suspensiones y membrana) ya especificados, se corresponde con las de tipo mecánica de membrana. Como se muestra en la Figura 3.2, a medida que aumenta la presión del fluido de trabajo en el circuito microfluídico previo a la microválvula, ésta comenzará a abrirse permitiendo así el paso del fluido hacia adelante. Es decir, la válvula antirretorno se abre cuando el fluido fluye desde el fondo hasta la parte superior, y para ello la estructura se deforma abriéndose una brecha entre las líneas de cobre y el SU-8. Cuando cese esta presión positiva o cuando se produzca una presión en sentido contrario, es decir, cuando se invierta el sentido de flujo, el fluido empujará a la membrana de SU-8 contra la corona de cobre anclada en el sustrato. La unión de estos elementos hará las veces de tapón y la válvula pasará al estado de cierre. Este estado de cierre no será del todo estanco para todas las presiones de funcionamiento sino que, como se verá en el capítulo quinto “Resultados y montaje experimental”, un cierto caudal pasará en sentido inverso y la válvula no será totalmente estanca hasta alcanzar un valor de presión umbral. Este caudal se denomina caudal de fuga y es una característica de las válvulas antirretorno. Normalmente todas lo tienen por muy pequeño que sea. Este funcionamiento bajo presión inversa se muestra en la Figura 3.3. __________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [51] Capítulo tercero Estructura y funcionamiento _____________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________ Figura 3.2: Esquema funcional de la microválvula en estado “abierto” o “ON” Figura 3.3: Esquema funcional de la microválvula en estado “cerrado” o “OFF” En cierto modo, la microválvula antirretorno tiene una gran similitud con el funcionamiento de un diodo. De hecho puede ser vista como la versión mecánica de un diodo semiconductor, donde a partir de cierta diferencia de potencial tiene un comportamiento de circuito cerrado y la corriente eléctrica puede fluir en un sentido (y no por en el contrario), pero por debajo de dicho valor umbral de tensión tendrá un comportamiento de circuito abierto y por lo tanto no fluirá ninguna corriente eléctrica. Como se ha mencionado anteriormente, el fluido avanzará a través del orificio desde la parte inferior hasta la parte superior del sustrato. Esto hace que el dispositivo esté destinado a ser usado en plataformas microfluídicas de doble cara [24], es decir, que haya circuitos microfluídicos tanto en la cara inferior como en la superior del sustrato, así como en un circuito multicapa PCB. En la Figura 3.3 se muestra un circuito de este tipo. Se trata de una bomba en PCB-MEMS formada por dos válvulas antirretorno basadas exactamente en el mismo esquema de proyecto que nos ocupa, aunque en este caso, la bomba no tiene las microválvulas con una integración tan directa como la que se puede conseguir con el proceso propuesto en este proyecto. El desarrollo de esta tecnología multicapa PCB hace que cualquier plataforma microfluídica deseada sea fácilmente llevada a la práctica. Micromezcladores, distribuidores, dispensadores o medidores de los parámetros del fluido de trabajo son dispositivos muy adecuados para estos tipos de circuitos híbridos. Por ejemplo, __________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [52] Capítulo tercero Estructura y funcionamiento _____________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________ se pueden emplear varias bombas interconectadas en un mismo circuito integrado para aumentar el rendimiento del mismo regulando el caudal y la presión. Figura 3.3: Sección de una pila de PCB o circuito multicapa formado por una microbomba y dos microválvulas antirretorno __________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [53] Capítulo tercero Estructura y funcionamiento _____________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________ __________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [54] 4 Materiales y proceso de fabricación __________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [55] __________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [56] Capítulo cuarto Materiales y proceso de fabricación _____________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________ 4.- Materiales y proceso de fabricación 4.1.- Introducción En este cuarto capítulo, en primer lugar, estudiaremos los diversos materiales que se emplearán para el desarrollo de la microválvula antirretorno. Seguidamente se presentarán las diferentes técnicas que se van a usar a lo largo del flujo del proceso de fabricación, y por último se detallará el propio proceso de fabricación paso a paso con el cual crear nuestra válvula. El desarrollo del dispositivo se ha llevado a cabo en el área de Microsistemas existente en los laboratorios de la Escuela Técnica Superior de Ingeriería de Sevilla, perteneciente al Grupo de Tecnología Electrónica (GTE) del Departamento de Ingeniería Electrónica. Estas instalaciones cuentan con todos los materiales y útiles necesarios para la fabricación de dicho dispositivo, así como la maquinaria pertinente para el empleo de todas las técnicas de fabricación que se requieren. Para ello se cuenta con una sala blanca, diseñada para obtener bajos niveles de contaminación, y en la cual se tienen controlados algunos parámetros ambientales como las partículas en suspensión, el flujo del aire interior y la iluminación de la sala. Además son varios los factores de comportamiento que van asociados a este tipo de salas y que se han respetado durante el proceso de fabricación: Vestimenta adecuada: bata, guantes, gafas (para proteger la sala, no a la persona). Vestimenta de seguridad: guantes químicos, mascarilla, protector corporal. Plan de trabajo preparado con antelación. Seguimiento de los procedimientos normalizados y las normas de seguridad. El proceso de fabricación que se describirá en el presente capítulo de forma detallada, el cual es el principal objetivo del proyecto, y con el que obtener la válvula antirretorno, es el producto de un sistema iterativo de intentos llevados a cabo en la mencionada sala blanca del departamento hasta obtener el dispositivo deseado. Este es el motivo por el cual, en cada uno de esos pasos, se ha llevado a cabo la construcción simultánea de diversos prototipos en una misma placa. Estos prototipos difieren básicamente en sus cotas y en el número de suspensiones de la válvula. Como ya se comentó en el capítulo anterior, son dos las versiones de la válvula que llegarán finalmente a caracterizarse y las cuales validan dicho proceso de fabricación. 4.2.- Materiales utilizados Son cuatro los elementos principales empleados en la fabricación de la válvula. Estos son las máscaras, el PCB, el SU-8 y el PDMS. A continuación se detalla la información sobre su composición y características. ____________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [57] Capítulo cuarto Materiales y proceso de fabricación _____________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________ 4.2.1.- Máscaras La máscara es la plantilla de material transparente, la cual contiene el fotolito o una imagen opaca impresa en ella y que hace las veces de patrón y así poder transferir este mediante luz ultravioleta a la película de material fotosensible (resina) que cubre la superficie superior de la oblea. La máscara se coloca sobre la oblea, donde ésta tiene depositada la fina capa de resina, y así todo el conjunto es expuesto a la luz ultravioleta, la cual cambia las características de la resina sobre la que incide. Las máscaras pueden ser de campo claro o de campo oscuro. Cuando la resina sobre la que incide la luz ultravioleta es de tipo positiva (aquella en la que quiero que quede eliminada toda la superficie donde le incide la luz y, por tanto, se conserve la parte no incidente) se emplean máscaras de campo oscuro. Cuando la resina es de tipo negativa (con propósito de eliminar toda aquella área donde no incide la luz), entonces se emplean máscaras de campo claro. Las máscaras son una parte muy importante en fabricación de nuestro dispositivo, pues son las que van a definir la resolución del patrón que queremos traspasar a nuestra oblea. Un pequeño paso en falso durante la construcción de las máscaras o un uso de plantillas cuyo material esté deteriorado, repercutirá mucho sobre la calidad final del dispositivo. Y es que el fotolito debe ser lo suficientemente opaco como para evitar el paso de luz a través de la imagen que hemos realizado. Un fotolito que no sea suficientemente opaco en las partes negras dificultará todo el proceso de insolado, ya que corre el riesgo de filtrar luz en zonas no deseadas. A su vez, un fotolito que esté resuelto en un soporte de pobre transparencia dejará pasar poca luz en las zonas donde debiera pasar. Figura 4.1: Máscara de campo claro (izquierda) y de campo oscuro (derecha) 4.2.2.- PCB La estructura de la válvula comenzará a conformarse empleando como base una placa de circuito impreso (PCB). Este PCB estará constituido por una gruesa capa de sustrato de 1,5 mm de grosor sobre la que lleva una fina capa de material conductor de 35 µm. La capa conductora es de cobre mientras que el sustrato elegido, tal y como se comentó en el primer capítulo, es el FR4. Este material está formado por varias hojas de Prepeg, el cual a su vez está constituido por varias capas tejidas de fibra de vidrio impregnadas con resina epoxi. Las capas de Prepeg y el laminado de cobre se prensan bajo presión y temperaturas controladas para conformar el material final. ____________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [58] Capítulo cuarto Materiales y proceso de fabricación _____________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________ Las principales ventajas del FR4 son su fácil adquisición y bajo coste. Pero también ha sido elegido por su facilidad para ser mecanizado, lo que conlleva a la creación de prototipos de forma rápida y a bajo coste. También ha resultado ser bueno para hacer deposiciones, y además posee una baja conductividad térmica (de aproximadamente 0,3 W/m·K), que lo hace interesante para su uso en aplicaciones donde es necesario realizar transferencias de calor. Estas características hacen que sea el principal material elegido para productos de alto grado tecnológico. 4.2.3.- SU-8 El SU-8 es el principal componente del proyecto, pues la estructura de la válvula (suspensiones y membrana) está construida de este material polimérico. Se trata de una resina epoxi negativa (se elimina la parte no expuesta a la luz) que es sensible a la luz en un rango aproximado de longitud de onda de entre 350 y 400 nm [25]. Precisamente estos valores se corresponden con la banda del espectro electromagnético referente a la radiación ultravioleta (UV), lo cual permite la fabricación de estructuras con una alta relación de aspecto, consiguiendo paredes casi verticales. Fue desarrollado y patentado por IBM-Watson en 1989 (patente de los EE.UU. nº4882245), introducido en MEMS en 1996 y actualmente es uno de los polímeros más utilizados en la fabricación de microsistemas debido a sus interesantes propiedades. Esta fotoresina poliepóxida es un compuesto de Bisfenol-A/fenolformaldehído Novolac y un disolvente orgánico. Los disolventes varían entre el gamma-Butyrolactone (GBL) y la ciclopentanona, y el objetivo de estos no es más que establecer la viscosidad del SU-8. Son dos las empresas que han comprado su licencia para comercializarlo; MicroChem y Gersteltec. MicroChem, por ejemplo, cataloga sus productos bajo el nombre de SU-8 ###, con diferentes viscosidades (SU-8 5, SU-8 10, SU-8 25, SU-8 50, SU-8 100) y también la serie SU-8 2###, donde el disolvente estándar GBL se sustituyó por la ciclopentanona, mejorando sus propiedades. Figura 4.2: Ejemplos de estructuras de SU-8 donde se aprecia la alta relación de aspecto A continuación se muestran las principales propiedades mecánicas y eléctricas del SU-8 de la serie 2000 de la empresa MicroChem [26], que son los que se emplearán en la construcción de nuestro dispositivo. ____________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [59] Capítulo cuarto Materiales y proceso de fabricación _____________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________ Descripción de la fotoresina Propiedad SU-8 2000 Tono Negativo Espesor máximo de una sola capa 250 µm Relación de aspecto 10:1 Condición de almacenamiento/vida 15-30°C/1año Propiedades mecánicas Propiedad SU-8 2000 Punto de reblandecimiento, DMA (°C) 210 Estabilidad térmica en N2, inicio/5% pérdida de peso (°C) 295/327 Estabilidad térmica en aire, inicio/5% pérdida de peso (°C) 279/311 Módulo de Young (GPa) 2.0 Coeficiente de expansión térmica, CTE (ppm/°C) 52 Resistencia a la tracción (MPa) 60 Elongación hasta la ruptura (%) 6.5 Conductividad térmica (W/(m·K)) 0.3 Propiedades eléctricas Propiedad SU-8 2000 Constante dieléctrica, 1 GHz, 50% RH 4.1 Pérdida dieléctrica, 1 GHz 0.015 Rigidez dieléctrica (V/µm) 112 Resistividad volumétrica (Ω·cm) 2.8× 1016 Resistividad superficial (Ω·cm) 1.8× 1017 Análisis de adhesión Sustrato SU-8 2000 (MPa) Si 53 SiN 43 GaAs 66 Ni 45 Au 29 Al/Cu (99/1) 23 Cu 38 Cu con mejora de adhesión AP300 56 Cristal pobre Cristal con HDMS pobre Cristal/Al2O3 con mejora de adhesión AP300 92 Cuarzo 61 Tabla 4.1: Tabla de propiedades del SU-8 2000 de la empresa MicroChem (propiedades mecánicas y eléctricas bajo proceso de hardbrake a 150°C durante 30min) Además de sus buenas propiedades mecánicas y químicas (menor riesgo de deformación de estructuras), también dispone de otras propiedades dignas de mención por sus importantes ventajas en su uso de sistemas microfluídicos, como son: Biocompatibilidad: propiedad interesante para aplicaciones LOC con fines biomédicos. Hidrófobo: con esta propiedad se evita que el líquido se pegue a las paredes del canal microfluídico. ____________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [60] Capítulo cuarto Materiales y proceso de fabricación _____________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________ Transparente: posibilidad de ver el interior de los circuitos microfluídicos. Bajo coste: importante ventaja para realizar prototipos. Como se ha podido apreciar son numerosas las ventajas que han hecho que haya crecido de forma exponencial el uso de este material en la industria de los microsistemas y en concreto en el uso de sistemas microfluídicos. 4.2.4.- PDMS El polidimetilsiloxano, PDMS o dimeticona es un polímero ampliamente utilizado en la fabricación de sistemas microfluídicos. Se trata de un polímero orgánico mineral (una estructura que contiene carbono y silicio) de la familia de los siloxanos (palabra derivada de silicio, oxígeno y alcano). Fuera del ámbito de los microsistemas se utiliza como aditivo alimentario (E900), en champús, y como un agente anti-formación de espuma de bebidas y en aceites lubricantes. En la elaboración de la válvula no emplearemos el PDMS como material directo, pero sí tendrá un importantísimo desempeño en la colocación de la membrana de SU-8 sobre el resto de la estructura, tal y como veremos más adelante. El PDMS que utilizaremos lo fabrica la empresa Momentive Performance Materials [27], la cual ofrece una amplia gama de soluciones de silicona que cumplen con requisitos de alto rendimientono, manejo y ensamblaje de componentes electrónicos. La serie de productos RTV (vulcanización a temperatura ambiente, “curado”) de silicona se encuentra comúnmente en aplicaciones eléctricas y electrónicas, así como en el ensamblaje de componentes. Pese a las connotaciones de baja temperatura que contiene su nombre, las siliconas RTV pueden obtener su curado tanto a temperatura ambiente como a alta temperatura. El PDMS no viene preparado directamente en un envase, tal y como ocurre con el SU-8, sino que requiere de una elaboración previa. El fabricante lo proporciona como un producto de dos componentes, el propio polímero pre-curado (RTV615a) y su agente curador (RTV615b) [28]. Los pasos para elaborar el PDMS final son: Mezclado El primer paso consiste en mezclar los dos componentes proporcionados, el RTV615a y el RTV615b, en una proporción de peso de 10:1, respectivamente, tal y como indica el fabricante. Con esto obtenemos el PDMS en un estado pre-curado pero ya con el agente curador añadido en su correcta proporción. La mezcla se puede hacer empleando unidades de dispensado especiales con el uso de un mezclador eléctrico para grandes volúmenes o simplemente de forma manual si son para pequeñas porciones. Se recomienda usar un recipiente 4 ó 5 veces más grande que el volumen total de producto, y mezclarlo muy bien raspando con cuidado por todos los lados y el ____________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [61] Capítulo cuarto Materiales y proceso de fabricación _____________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________ fondo de dicho recipiente para conseguir una mezcla lo más homogénea posible. En el caso de emplear mezcladores eléctricos, evitar velocidades excesivas que puedan conllevar a atrapar grandes cantidades de aire o causar un sobrecalentamiento de la mezcla, restando vida útil al producto. Eliminación de burbujas El aire atrapado en forma de burbujas durante la fase de mezclado debe ser eliminado para evitar huecos vacíos en el producto curado. Para ello deberá exponerse el producto mezclado en una campana de vacío a 25 mmHg (~0,033 bar). La desgasificación suele terminar aproximadamente unos dos minutos después de que cese la formación de espuma (microburbujas). Curado Finalmente deberá ser curado para obtener el producto final. Para conseguir las propiedades óptimas deberá curarse en una placa calefactora o ‘hot plate’ a elevada temperatura o bien a temperatura ambiente durante unos 6 ó 7 días. Aunque el tiempo de curado depende del volumen total y de su disposición sobre el hot plate, así como del espesor de la capa y del tiempo que tarda el mismo en conseguir la temperatura deseada, el fabricante nos muestra unos tiempo aproximados que se muestran en la Tabla 4.2. Temperatura, °C (°F) Tiempo de curado 25 (77) 6-7 días 65 (149) 4 horas 100 (212) 1 hora 125 (257) 45 minutos 150 (302) 15 minutos Tabla 4.2: Tiempos de curado aproximados del RTV615 en función de la temperatura (Momentive Performance Materials) Las principales características y ventajas del RTV615 son: Puede mezclarse convenientemente con un ratio 10:1 tanto usando dispensadores automáticos como de forma manual. Posee una baja viscosidad lo cual permite un fácil flujo sobre piezas complejas permitiendo así un excelente aislamiento eléctrico y resistencia a los golpes. La velocidad de curado puede ser acelerada por temperatura. Se cura tanto en secciones profundas como en conjuntos ensamblados con una baja contracción. Su composición química no posee disolventes para facilitar su uso en líneas de producción. Su estabilidad hidrolítica permite su uso en ambientes de alta humedad y temperatura. Su transparencia permite la inspección visual. ____________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [62] Capítulo cuarto Materiales y proceso de fabricación _____________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________ Conserva sus propiedades elastómeras a temperaturas de hasta 200°C. Térmicas Eléctricas Mecánicas En al siguiente tabla se muestran las principales propiedades de los compuestos del PDMS antes y después de ser mezclados, y sus propiedades mecánicas, eléctricas y térmicas tras el proceso de curado. Principales propiedades físicas Antes de la mezcla RTV615a RTV615b Color Claro. Incoloro Claro. Incoloro Consistencia Fácilmente vertible Fácilmente vertible Viscosidad, mPa·s 4300 ̶ Densidad específica (23°C) 1,02 ̶ Entre la mezcla y el curado RTV615 Color Claro. Incoloro Consistencia Fácilmente vertible Viscosidad, mPa·s 4000 Vida útil a 23°C, horas 4 Tras el curado (1 hora a 100°C) RTV615 Dureza, durómetro Shore tipo A 44 Resistencia a la tracción, MPa (psi) 6,3 (920) Alargamiento, % 120 Shrinkage, % 0,2 Índice de refracción 1,406 Fuerza dieléctrica, KV/mm 19,7 Constante dieléctrica @1000Hz 2,7 Factor de disipación @1000Hz 0,0006 Resistividad volumétrica, MΩ·m 1,8 × 107 Rango de temperatura usual, °C (°F) -60 a 204 (-75 a 400) Conductividad térmica, W/m·K 0,19 Coef. de dilatación volumétrico 27 × 10−5 cm/cm °C Tabla 4.3: Tabla con las principales propiedades del PDMS empleado (Momentive Performance Materials) 4.3.- Técnicas a emplear En el capítulo segundo se expusieron las principales técnicas de fabricación existentes en microsistemas. Se habló entonces de los típicos materiales de partida y sustratos empleados, de las tecnologías de micromecanizado existentes y de las principales técnicas litográficas y de grabado que se emplean en el campo de los microsistemas. Dejando a un lado esta descripción de propósito general, vamos a centrarnos ahora en las que se llevarán a cabo en la realización de la válvula. La estructura del dispositivo MEMS se creará empleando tecnología PCBMEMS. Esta tecnología se basa en fabricar microsistemas mediante materiales empleados en la tecnología de circuitos impresos. Es decir, lo que se hace es añadir algunos pasos extra en el proceso de fabricación PCB para crear estas estructuras MEMS. Esto conlleva a una serie de importantes ventajas, ya que la fabricación de ____________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [63] Capítulo cuarto Materiales y proceso de fabricación _____________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________ placas de circuito impresos es un proceso bien conocido y de bajo coste en relación a la tecnología del silicio. Básicamente, lo único que se requiere como novedad respecto a los equipos para un PCB común es una técnica adhesiva especial para ensamblar las distintas capas que conformen el circuito fluídico final (etapa crítica en dicha tecnología), lo cual hace que gane a la tecnología del silicio en simplicidad y en el coste de materiales y equipamiento. El resultado es un complejo sistema de componentes fluídicos y electrónicos, tal y como se muestra en la Figura 4.3. Figura 4.3: Integración de componentes fluídicos y electrónicos en un mismo PCB Son dos las principales técnicas que se deben especificar para la construcción del dispositivo microfluídico que nos atañe. Por un lado está el proceso de fabricación típico de una estructura de SU-8, el cual formará el grueso del proceso de fabricación total de la válvula. Por otro lado también se describirá la técnica con la cual pegaremos la membrana circular de la válvula al resto de la estructura de SU8, mediante el uso del polímero PDMS ya descrito en el anterior apartado. 4.3.1.- Proceso típico del SU-8 Son ocho los pasos que hay que dar, en el proceso típico, para obtener la estructura deseada de SU-8 partiendo desde el sustrato inicial (PCB en nuestro caso). Deshidratación El objetivo de esta etapa es la de evitar que quede absolutamente cualquier resto de agua del proceso previo de limpieza que siempre se lleva a cabo antes de empezar a manipular el sustrato. En nuestro caso, la placa PCB se limpia en abundancia con acetona e isopropanol con el propósito de eliminar toda la suciedad acumulada, así como cualquier resto de materia orgánica. A este respecto, se debe someter la placa a una temperatura de 200°C durante una hora (en una placa calefactora de laboratorio) para asegurarnos la eliminación de ese agua. Adhesión Con el objetivo de obtener una buena adherencia entre el sustrato de partida y el SU-8, se suele hacer uso de ciertos aditivos con la propiedad de agarrarse de forma eficiente por un lado al sustrato y por el otro lado al SU-8. En el apartado 4.2.3 (SU-8) se especificó que el SU-8 a emplear ____________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [64] Capítulo cuarto Materiales y proceso de fabricación _____________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________ era el de la serie 2000 de MicroChem, donde el disolvente estándar GBL se sustituyó por la ciclopentanoma, mejorando en gran medida la adherencia del SU-8 al sustrato. En nuestro caso la adherencia de este tipo de SU-8 con el FR4 es bastante elevada y lo suficientemente buena con el cobre. Spin Coating Esta etapa consiste en el vertido del SU-8 sobre la placa una vez que sabemos el grosor que queremos obtener. Se realiza dentro de la máquina conocida como Spin Coater, la cual hace girar a la oblea (placa de PCB en nuestro caso) con el fin de extender todo el SU-8 vertido sobre la misma, y conseguir el mismo espesor en toda su superficie. Dicho espesor es controlado en función de la viscosidad del SU-8 a emplear y de la velocidad de giro a la que es sometida la oblea en el Spin Coater. Figura 4.4: Velocidad de giro frente al espesor de la serie SU-8 2000 (MicroChem) Como se ve en la curva de la Figura 4.4, proporcionada por el fabricante, podemos configurar el régimen de giro del Spin Coater en función del espesor que queremos conseguir y de la viscosidad del SU-8. El tiempo el cual se haga girar a la oblea será el suficiente para garantizar que la capa de SU-8 queda totalmente expandida por la superficie. Softbake Con el propósito de eliminar el disolvente presente en el SU-8, se debe someter a la placa a un tratamiento térmico, cuya duración y temperatura vendrá impuesta por el fabricante. Deberá llevarse a cabo en el hot plate, siendo muy importante la colocación de la oblea sobre la ____________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [65] Capítulo cuarto Materiales y proceso de fabricación _____________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________ superficie de la placa calefactora, ya que se corre el riesgo de perder la uniformidad que ha adquirido el SU-8 en el Spin Coater. A continuación se muestran los datos que facilita el fabricante MicroChem para su serie SU-8 2000: Espesor Tiempo de Softbake 65°C 95°C micrómetros minutos minutos 25-40 0-3 5-6 45-80 0-3 6-9 85-110 5 10-20 115-150 5 20-30 160-225 7 30-45 Tabla 4.4: Tiempos de Softbake en función del espesor (MicroChem) Exposición El objetivo de este paso es exponer a la luz ultravioleta a la superficie de SU-8 que se desea polimerizar. Para ello se introduce la placa, con su uniforme capa de SU-8, en una insoladora, y mediante el uso de una máscara se someterá a todo ello a la luz ultravioleta, la cual incidirá sobre la superficie de SU-8 que no esté protegida por la máscara. Figura 4.5: Exposición de la oblea a la luz ultravioleta Espesor Energía de exposición micrómetros mJ/cm2 25-40 150-160 45-80 150-215 85-110 215-240 115-150 240-260 160-225 260-350 Tabla 4.5: Tiempos de exposición UV para distintos espesores (MicroChem) Post Exposure Bake (PEB) El SU-8 que ha sido iluminado en el paso anterior debe ser ahora polimerizado. Para ello se somete a la placa a un nuevo tratamiento térmico en el hot plate. Como ocurre en el paso de Softbake, el fabricante es el que suele dar los valores de tiempo y temperatura. Típicamente se suele llevar a cabo un precalentamiento a 65°C para evitar un importante choque térmico que conlleve a grandes tensiones residuales y por tanto al deterioro de la estructura. Seguidamente se eleva la temperatura hasta ____________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [66] Capítulo cuarto Materiales y proceso de fabricación _____________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________ los 95°C para garantizar la polimerización. Por la misma razón, al finalizar el calentamiento, debe enfriarse lentamente la placa hasta alcanzar la temperatura ambiente. Espesor micrómetros 25-40 45-80 85-110 115-150 160-225 Tiempo de PEB 65°C* 95°C minutos minutos 1 5-6 1-2 6-7 2-5 8-10 5 10-12 5 12-15 *paso opcional para reducir la tensión Tabla 4.6: Tiempos de Post Exposure Bake (MicroChem) Grabado Una vez alcanzada la temperatura ambiente se debe eliminar el SU-8 que no ha sido polimerizado en el paso anterior. Se pueden emplear dos métodos de revelado; por inmersión o por spray. Normalmente se suele emplear el método por inmersión, donde se hace uso de algún tipo de disolvente. En nuestro caso usamos PGMEA (Propyene Glycol Monomethyl Ether Acetate), donde nuevamente el fabricante nos proporciona el tiempo de grabado en función del espesor que tengamos. Espesor Tiempo de grabado micrómetros minutos 25-40 4-5 45-75 5-7 80-110 7-10 115-150 10-15 160-225 15-17 Tabla 4.7: Tiempos de grabado en función del espesor (MicroChem) El paso termina limpiando el dispositivo con isopropanol. Hardbake Por último, y como paso opcional, tenemos el harbake, donde se busca eliminar cualquier posible resto de disolvente suspendido en la estructura final obtenida. Consiste en someter al dispositivo a un calentamiento de 200°C durante un cierto tiempo en el hot plate. Tiene el posible inconveniente de que aparezcan grandes tensiones que lleguen a provocar grietas en la estructura. 4.3.2.- BETTS La técnica BETTS (bonding, exposing and transferring technique in SU-8 for microsystems fabrication) [29], nos permite cerrar estructuras abiertas de SU-8 consiguiendo así la creación de canales microfluídicos en SU-8 y de manera sencilla. El método consiste en hacer una deposición de PDMS pre-curado sobre un acetato previamente limpio y someterlo a una fase de Spin Coating con el fin de conseguir ____________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [67] Capítulo cuarto Materiales y proceso de fabricación _____________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________ que quede una fina y uniforme película de PDMS sobre dicho acetato. Tras el curado del PDMS se realiza una deposición de SU-8 sobre este, de manera que quede una capa muy fina en la cara superior. Dicha cara se pone en contacto con la estructura abierta de SU-8 que quiera ser cerrada, de manera que el SU-8 sin polimerizar se va difundiendo y uniendo al de la estructura que queremos que tape. Seguidamente se insola y se calienta durante un cierto tiempo. Una vez enfriado todo el conjunto y gracias a la débil unión que se produce entre el PDMS y el SU-8, se despega la capa de acetato con cuidado, de manera que por un lado nos queda el acetato unido al PDMS y por otro lado la estructura de SU-8 ya cerrada que queríamos lograr. Durante la realización de la válvula haremos uso de esta técnica para colocar la membrana circular de SU-8 sobre el resto de la estructura. Esto se explicará en detalle en el próximo capítulo donde se describe el proceso de fabricación completo. Figura 4.6: Flujo del proceso de fabricación de una estructura cerrada básica en SU-8 mediante la técnica BETTS ____________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [68] Capítulo cuarto Materiales y proceso de fabricación _____________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________ 4.4.- Descripción del proceso Una vez conocidos los materiales utilizados y las técnicas que se emplearán en la fabricación de la válvula, pasaremos a la describir paso a paso el flujo del proceso. Dicho proceso se ha dividido en siete fases las cuales se han llevado a cabo en la sala blanca del departamento, exceptuando las fases de taladrado y la del despegue de cobre/SU-8, que se han realizado en el taller instalado en el mismo laboratorio del departamento. En la Figura 4.7 se representa un esquema a modo de resumen de los pasos que seguiremos en la fabricación de la válvula. Figura 4.7: Pasos del proceso de fabricación. Sección AA’ referente a la Figura 3.1. Resulta evidente que aparte de los materiales descritos hasta ahora se han empleado una larga lista de útiles y componentes de laboratorio tales como tijeras, pinzas, cronómetros, papel adhesivo, recipientes específicos, etc. En la siguiente imagen de laboratorio se muestran los principales productos y útiles que se requieren para fabricar la válvula. Figura 4.8: Imagen de laboratorio con muchos de los productos y herramientas empleadas ____________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [69] Capítulo cuarto Materiales y proceso de fabricación _____________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________ 4.4.1.- Fabricación de las máscaras Se requieren de tres máscaras para fabricar la válvula. Una para la fabricación del circuito de cobre, otra para la estructura de SU-8, y una última para llevar a cabo el BETTS. El proceso para la fabricación de cada una de estas máscaras se comprende de varias etapas: diseño de las mismas mediante un software de dibujo específico, conversión de los archivos generados por el software de diseño al formato adecuado de manera que sea entendible por el equipo que transferirá el dibujo diseñado al fotolito, impresión del dibujo en el fotolito y, por último, revelado de las máscaras. Diseño de las máscaras Para realizar el dibujo de las tres máscaras se ha empleado el software de diseño L-Edit. Con motivo de una mayor comodidad en el manejo de la placa PCB a la hora de introducirla en las diferentes máquinas y recipientes, se ha optado por un diseño de las máscaras circular, simulando a una oblea convencional de 10 cm de diámetro. Además, debido al pequeño tamaño de la válvula, se han podido diseñar las máscaras de manera que podamos introducir cómodamente hasta 14 válvulas en la placa PCB. De esta manera, al disponer de más prototipos, se ha enriquecido la recogida de datos que se detallarán en el capítulo quinto del proyecto, Resultados y montaje experimental. Máscara para el cobre La primera máscara en diseñar es la que corresponde a la fabricación del circuito de cobre, es decir, con la que definiremos qué parte de la capa de cobre del PCB queremos quedarnos y cual deseamos eliminar. En la Figura 4.9 se muestra el diseño de dicha máscara. En la zona ampliada podemos observar el diseño para una sola válvula, formada por cuatro pistas cuadradas unidas a una arandela gruesa, en cuyo interior, y de forma concéntrica, hay otra arandela. El circuito está formado por las cuatro pistas cuadradas, que son en realidad los pads del circuito, más la arandela gruesa, en la cual reposará la estructura de SU-8. La arandela más pequeña sólo tiene como función la de orientarnos a la hora de taladrar el sustrato. Por último, se han añadido numerosas marcas en forma de cruz con el fin de ayudarnos a alinear correctamente y en su debido momento la placa con la máscara de SU-8. Como la resina que emplearemos en el cobre es positiva (se elimina aquella parte expuesta a la luz), la parte dibujada en el programa (color verde en la imagen) será el cobre que queremos que quede en la placa PCB. Es por ello que la máscara resultante será negra en dicha parte y transparente en el resto, con lo cual, más adelante en la fase de impresión, tendremos que darle la orden al equipo de imprimir el positivo del dibujo. En cuanto a las cotas de esta máscara tenemos por cada válvula: 4 pads cuadrados de 5x5 mm; 1 arandela de 4 mm de radio exterior y 1,2 mm de radio interior; 1 arandela concéntrica a la anterior de 500 µm de radio exterior y 200 µm de radio interior. ____________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [70] Capítulo cuarto Materiales y proceso de fabricación _____________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________ Figura 4.9: Diseño de la máscara para el cobre dibujada mediante el software L-Edit Máscara para el SU-8 En segundo lugar se diseña la máscara que conformará la estructura principal en SU-8 de la válvula. Como se muestra en la Figura 4.10, se han diseñado 2 tipos de válvulas: con 2 y con 4 suspensiones. Se han repartido de manera dispar, pero manteniendo la mitad de un tipo y la otra mitad del otro. También puede observarse que se han añadido las correspondientes marcas de alineación de forma que puedan solaparse con las de la máscara anterior. Se han añadido unos refuerzos en el inicio de casa suspensión con el propósito de eliminar futuros problemas de rotura. Figura 4.10: Diseño de la máscara para el SU-8 dibujada mediante el software L-Edit Al contrario de lo que sucedía en la máscara para el cobre, como el SU-8 es una resina negativa (se elimina toda aquella área donde no le incide la luz), la parte dibujada (color azul en la imagen) deseamos que sea en realidad la parte ____________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [71] Capítulo cuarto Materiales y proceso de fabricación _____________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________ transparente de la máscara que queremos crear, mientras que la parte no dibujada (color blanco en la imagen) deberá corresponder al área negra de la máscara. Por lo tanto, en la fase de impresión deberemos darle a la máquina la orden de transferir al fotolito la imagen inversa al dibujo realizado en el L-Edit. Es decir, se imprimirá el negativo del dibujo. Cada suspensión tiene una longitud de 2500 µm y un ancho de 200 µm, mientras que la corona de unión tiene un radio exterior de 1500 µm y un radio interior de 1300 µm. Es decir, el ancho de la estructura de SU-8 por la cual se unen las suspensiones equivale a esa diferencia, y al igual que ocurre con las suspensiones, tiene un ancho de 200 µm. Máscara para el BETTS Por último se diseña la máscara que emplearemos en la última deposición de SU-8 empleando la técnica BETTS ya descrita. Esta es la máscara más sencilla de las tres, pues sólo se incluye en ella las membranas que cerrarán las válvulas de SU-8, haciendo las veces de tapaderas. Además se incluye la marca de alineación pertinente (cuadrado de la derecha). La máscara se muestra en la Figura 4.11. Figura 4.11: Diseño de la máscara para el BETTS dibujada mediante el software L-Edit Al igual que ocurría en la máscara para el SU-8, deberemos de imprimir en el fotolito el negativo del dibujo puesto que lo que queremos construir son las tapaderas de SU-8 (coloreadas de rojo en la imagen). Los círculos que harán de tapadera poseen un radio de 2300 µm, mucho mayor que el radio exterior de la arandela de SU-8 sobre el que irá apoyado, el cual mide 1500 µm. Se ha tomado un excesivo margen de error debido al delicadísimo y crítico paso de alineación de dichas membranas sobre el resto de la estructura de SU-8. ____________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [72] Capítulo cuarto Materiales y proceso de fabricación _____________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________ Conversión de archivos Una vez diseñadas las tres máscaras y correctamente guardadas mediante la extensión *.tdb, por defecto utilizada al dibujar con el software L-Edit, se deberán llevar a cabo una serie de conversiones de estos archivos de manera que el equipo encargado de transferir los dibujos al fotolito pueda entenderlos. Para ello, el mismo software L-Edit exporta los archivos con extensión *.tdb a *.gds. Estos archivos se pueden cargar ahora mediante el software Linkad, el cual los convierte a *.gerber. Por último, el programa Convert Gerber into FPF pasa de esta extensión al tipo de archivo FPF con una resolución de 4064 ppp. Este es el tipo de archivo reconocible por la máquina que imprimirá los dibujos en los fotolitos. Impresión de las máscaras Como queremos imprimir el positivo del dibujo correspondiente a la máscara para el cobre y los negativos de las otras dos máscaras, deberemos de realizar un mínimo de 2 impresiones. Es por ello que tendremos 2 archivos FPF; uno de ellos con la máscara para el cobre y otro con las máscaras para el SU-8 y para el BETTS, y colocadas de forma contigua, aunque con una separación prudencial, de modo que se impriman a la vez en un único fotolito. Figura 4.12: Photoplotter controlado por ordenador empleado para la fabricación de las máscaras La máquina empleada para la impresión en fotolito de los dibujos es un Photoplotter como el de la Figura 4.12. Su funcionamiento consiste en exponer al fotolito, correctamente pegado a un cilindro o rodillo interior del Photoplotter, a un láser mientras el rodillo va girando. ____________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [73] Capítulo cuarto Materiales y proceso de fabricación _____________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________ Deberemos seguir el siguiente orden de actuación. En primer lugar deberemos dejar preparado (listo para apretar solamente el botón de aceptar e iniciar el proceso de impresión) el primero de los dos archivos FPF que vamos a ejecutar mediante el propio software del Photoplotter, configurado a una resolución de 4064x8600 ppp. Una vez preparado deberemos apagar las luces de la habitación (incluido el monitor del ordenador) y encender la luz verde no dañina para los fotolitos. Sacamos una hoja de fotolito que haya estado guardada de forma correcta (sin exponerse a la luz) y recortamos un trozo de aproximadamente unos 12x12 cm (considerando que primero vamos a realizar el revelado de la máscara para el cobre). Guardamos correctamente el resto de fotolito que no vayamos a usar y colocamos el trozo a utilizar en el rodillo del Photoplotter con la cara oscura del fotolito mirando hacia arriba (hacia fuera del rodillo). Una vez nos aseguramos que está bien cogido al rodillo mediante cinta adhesiva, ya podemos cerrar la tapadera del Photoplotter y encender de nuevo las luces (apagando la luz verde no dañina para el fotolito). A continuación le damos la orden a través del ordenador de empezar la impresión. Revelado de las máscaras Unos minutos antes de que finalice el proceso de impresión en el Photoplotter (el software del Photoplotter nos muestra una cuenta atrás) deberemos de dejar preparado el proceso de revelado. Para ello necesitamos de tres recipientes donde colocar los líquidos necesarios para el revelado: revelador, agua y fijador. Colocaremos los recipientes tal y como se muestra en la Figura 4.13, donde se aprecia la separación prudencial entre los recipientes para que no haya peligro de que se mezclen entre sí dichos productos, evitando así que se mermen sus propiedades. Una vez finalizado en el Photoplotter el grabado de la máscara en el papel fotosensible, tendremos que volver a apagar las luces de la habitación (previo encendido de la luz verde admisible para el papel fotosensible). Sacamos el fotolito del Photoplotter y lo sumergimos en el primer recipiente que contiene el líquido revelador durante aproximadamente 1 minuto. Una vez concluido este tiempo pasará a sumergirse el fotolito en el segundo recipiente, el cual contiene agua, y lo enjuagamos de forma abundante durante aproximadamente 30-60 segundos. Finalmente, tas concluir ese periodo, sumergiremos el fotolito en la tercera bandeja que contiene el líquido fijador y lo removeremos bien dentro de ella durante unos 2-3 minutos. Una vez concluido estos pasos ya se puede reestablecer la luz de trabajo habitual en la habitación, guardar los líquidos reveladores y limpiar bien los recipientes usados. El proceso termina dejando reposar la máscara durante aproximadamente una hora para que quede perfectamente seca. Deberá de realizarse el mismo proceso con el otro archivo FPF que contiene las otras dos máscaras de forma simultánea. Tendremos que tener en consideración en este caso que el fotolito a recortar deberá ser mayor ya que contiene 2 máscaras. Se empleará un fotolito de aproximadamente 12x25 cm, contando con un pequeño margen entre las dos máscaras suficiente como para poder recortarlas con una tijera. Es preciso hacer este recorte antes de introducirlas en los recipientes de ____________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [74] Capítulo cuarto Materiales y proceso de fabricación _____________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________ revelado para que entren de forma correcta en ellos. También deberá tenerse en cuenta que el eje horizontal del software del Photplotter donde se muestra el archivo FPF se corresponde con el sentido de rotación del rodillo (no con su eje). Figura 4.13: Recipientes para el revelado de las máscaras. A la izquierda (recipiente rojo) está el recipiente para el revelador; en el centro (recipiente blanco) se encuentra el recipiente para el agura; a la derecha (recipiente gris) tenemos el recipiente para el fiajdor. El resultado final de las tres máscaras se muestra en las siguientes figuras: Figura 4.14: Máscara obtenida para el cobre ____________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [75] Capítulo cuarto Materiales y proceso de fabricación _____________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________ Figura 4.15: Máscara obtenida para el SU-8 Figura 4.16: Máscara obtenida para el BETTS ____________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [76] Capítulo cuarto Materiales y proceso de fabricación _____________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________ 4.4.2.- Fabricación del circuito de cobre sobre PCB Una vez que tenemos las máscaras ya estamos en disposición de empezar a formar la estructura de la válvula. Para ello comenzaremos recortando la placa PCB que ha sido elegida, dándole una forma circular de 10 cm de diámetro (no obstante esta forma circular también se le puede dar justo antes del paso de deposición del SU-8, recortando la placa en este punto como un cuadrado de 12 cm de lado). El propósito de dicha forma redondeada no es más que para que quepa correctamente en los equipos (Spin Coater, recipientes….) así como que las deposiciones sean lo más uniformes posibles. Dicha placa PCB tiene una capa de FR4 con un espesor de 1500 µm y una capa de cobre de 35 µm de espesor. Con estas especificaciones, el PCB viene en grandes láminas sin su capa de resina incorporada, por lo que debemos de añadírsela en el laboratorio. Para ello hacemos uso de una resina positiva tipo spray la cual suministramos a la placa a una distancia aproximada de unos 20 cm de distancia intentando que quede una fina y uniforme película sobre la cara de cobre. No obstante, antes de llevar a cabo la deposición deberemos limpiar la placa de cualquier posible huella o marca de suciedad con isopropanol y secarla bien. En la Figura 4.17 se muestra el resultado de la deposición de resina. Figura 4.17: PCB antes de la deposición de resina positiva tipo spray (izquierda) y después de dicha deposición (derecha). A continuación calentaremos la placa en el hotplate a 70°C durante 15 minutos y dejaremos que se enfríe durante unos minutos sobre un paño de modo que no sufra choque térmico. Una vez se ha enfriado la placa, colocaremos la máscara para el cobre encima de ella poniendo en contacto la capa de resina con la cara negra de la máscara. Introducimos el conjunto en la insoladora y la programamos un tiempo de 2 minutos de exposición por Figura 4.18: Calentamiento a 70°C ____________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [77] Capítulo cuarto Materiales y proceso de fabricación _____________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________ una sola cara. De esta manera la luz penetrará por las zonas transparentes de la máscara hasta la placa, la cual al tener una resina positiva, hará que esta zona en contacto con la luz se debilite. Después de los 2 minutos de exposición se sumergirá la placa en un recipiente con revelador de PCB hasta que se vea sobre la placa el dibujo de la máscara aplicada (este tiempo es variable ya que depende de la cantidad de resina aplicada sobre la placa, pero suele ser del orden de 5-10 segundos). Una vez que se vea el dibujo, sacarla del recipiente y verterla en una disolución de ácido clorhídrico compuesta por agua fuerte, agua oxigenada y agua en una proporción del 25%, 25% y 50%, respectivamente. Esperamos hasta que el ácido haya eliminado todo el cobre no deseado y, entonces, sacamos la placa del recipiente y la enjuagamos bien de forma abundante con agua para eliminar todo resto de ácido. Figura 4.19: Preparación de componentes (izquierda) y placa sumergida en ácido (derecha) Después se vuelve a limpiar nuevamente con acetona para eliminar la resina sobrante del cobre. Por último secaremos la placa en el hotplate a 70°C durante 1 minuto. En la Figura 4.18 y en la Figura 4.19 se muestran los pasos intermedios anteriormente explicados, y en la Figura 4.20 puede verse la placa PCB con el circuito de cobre deseado. Figura 4.20: Circuito de cobre sobre FR4 ya finalizado ____________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [78] Capítulo cuarto Materiales y proceso de fabricación _____________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________ 4.4.3.- Deposición del SU-8 Para formar la estructura de la válvula tendremos que crear una capa de SU8 de 200 µm de espesor respecto la capa de FR4 (es decir, quedará una altura de 165 µm de SU-8 respecto la capa de cobre, al ser esta de 35 µm de espesor). Para obtener esos 200 µm de altura, deberemos de realizar dos deposiciones de 100 µm cada una. Como paso previo a las deposiciones, debemos asegurarnos nuevamente de que la placa está lo suficientemente limpia y que no contiene ningún resto sólido que perjudique a la formación de la estructura. Por ello, si fuera necesario, enjuagaremos nuevamente la placa con isopropanol. Una vez tenemos la placa limpia y seca ya estamos en condiciones de hacer la primera deposición. Colocamos la placa en el Spin Coater y la fijamos por vacío de manera que no se desplace cuando la máquina comience a girar (si el anclaje por vacío no fuera suficiente, se deberá usar cinta adhesiva de doble cara entre la placa y la bandeja del Spin Coater). Vertemos ahora el SU-8 tipo 2025 de MicroChem sobre la placa, y configuramos el Spin Coater de modo que quede la capa de 100 micras deseada. Para ello la hacemos girar 10 segundos a 500 rpm y 50 segundos a 702 rpm. A continuación se realiza un softbake en el hotplate de 5 minutos a 65°C y 20 minutos a 95°C de modo que se elimine el disolvente presente en el SU-8. Posteriormente lo dejamos enfriar 5 minutos sobre un paño de modo que no sufra un fuerte choque térmico. Volvemos a colocar la placa en el Spin Coater para llevar a cabo la segunda deposición de 100 µm empleando el mismo procedimiento que para la primera deposición, pero ahora se realizará un softbake en el hotplate de 10 minutos a 65°C y 50 minutos a 95°C. Tras comprobar que efectivamente la capa total de SU-8 de 200 µm está ahora dura, volvemos a dejar enfriar la placa unos 5 minutos. Es importante hacer un enfriamiento lo más suave posible de modo que la placa no se curve debido al choque térmico. Figura 4.21: Placa correctamente colocada sobre la bandeja del Spin Coater (izquierda) y la máquina ya cerrada y configurada girando a 702 rpm (derecha). ____________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [79] Capítulo cuarto Materiales y proceso de fabricación _____________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________ Se introduce ahora la placa en la insoladora y se alinea correctamente con la máscara para el SU-8 (solapando al microscopio las marcas de alineación de la máscara con las de la placa, que fueron colocadas para tal efecto). La exposición total será de 100 segundos en 5 intervalos de 20 segundos y con un tiempo de descanso de otros 20 segundos entre exposición y exposición, de modo que la placa no se caliente en exceso. Con objetivo de polimerizar el SU-8 iluminado, se somete ahora a la placa a un proceso de post-exposure bake en el hotplate un tiempo de 2 minutos a 65°C y 7 minutos a 95°C y se deja enfriar unos 2 minutos. Para concluir, se sumerge la placa en el líquido revelador Mr-600 Developer de MicroChem y se agita muy bien durante 7 minutos de modo que se elimine el SU8 no polimerizado. Se termina limpiando bien la placa con isopropanol y con un secado en el hotplate a 100°C. Figura 4.22: Estructura de SU-8 sobre la placa 4.4.4.- Taladrado Es en este momento, ya creada la estructura de SU-8 principal pero antes de colocar las tapaderas, en el que debemos realizar el canal por donde pasará el fluido cuya presión abrirá la válvula. Para ello tendremos que perforar el FR-4 utilizando un taladro especial de laboratorio con una broca de 400 µm de diámetro. En la Figura 4.23 se muestra el taladro de precisión empleado, el cual se hace rotar primeramente a bajas revoluciones hasta que estemos seguros que estamos perforando donde realmente queremos, y acto seguido se aumenta la velocidad de giro de modo que los agujeros queden bien limpios y sin rebaba. En total se han realizado 14 perforaciones (una por cada una de las válvulas que entran en la placa). Figura 4.23: Taladro de precisión ____________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [80] Capítulo cuarto Materiales y proceso de fabricación _____________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________ Cada una de las perforaciones se realizará en el interior la pequeña corona circular de cobre especialmente diseñada para este propósito, y cuyo diámetro interior coincide con los 400 µm de la broca. Esto puede observarse en la Figura 4.24. Figura 4.24: Detalle de la corona interior de cobre donde se lleva a cabo la perforación 4.4.5.- Reajuste de la pista de cobre Con motivo de minimizar la superficie de contacto entre la estructura de SU8 y el cobre, pero dejando una fina capa de este bajo la corona de SU-8 de modo que cumpla la importante tarea de cerrar la válvula haciendo las veces de tapón, someteremos a la placa a un baño en ácido para eliminar de esta manera todo el cobre que no necesitamos. Para ello la hemos vertido en una disolución de ácido compuesta por 42 ml de agua fuerte y 42 ml de agua oxigenada durante 30 segundos. Este paso es crucial, pues en caso de sobrepasarnos de tiempo o de no emplear las proporciones correctas se corre el riesgo de que se rompa la corona de cobre, inutilizando por completo a la válvula. Tras este reajuste, el cobre finalmente se queda con, aproximadamente, un ancho de unos 70 µm. Esta es una cantidad inferior al ancho de las suspensiones de SU-8, que son de 200 µm. Hay que señalar que los pads son una importante parte del circuito de cobre y que por tanto no queremos perder en este baño de ácido. Es por esto por lo que deben de ser protegidos mediante cinta adhesiva para que durante la inmersión de la placa en el ácido, este no logre destruir dichos pads. 4.4.6.- Realización del BETTS El siguiente paso del proceso de fabricación consiste en crear la cubierta de la válvula en SU-8 y colocarla correctamente sobre la estructura de SU-8 existente hasta ahora. Para llevar a cabo esta operación necesitaremos hacer uso de la técnica BETTS que ya ha sido descrita anteriormente con carácter general. Empezaremos procesando el PDMS mezclando el polímero pre-curado y el agente curador en una proporción 10:1, tal y como indica el fabricante. Para la capa que queremos ____________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [81] Capítulo cuarto Materiales y proceso de fabricación _____________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________ depositar sobre la placa será suficiente con 3 gramos de polímero y 0,3 gramos de agente curador, debidamente medidos empleando el peso de precisión de la sala blanca. Mezclamos de forma manual muy bien ambos componentes en el recipiente adecuado (Figura 4.25). Figura 4.25: Componentes para la preparación del PDMS junto al peso de precisión (izquierda) y la etapa de mezclado manual (derecha) Depositar el recipiente con el PDMS en la campana de vacío (Figura 4.26) de la sala blanca para quitarle todo el aire que pueda contener la mezcla en su interior en forma de burbujas, durante una hora. A continuación colocamos la máscara para el BETTS, previamente limpia, en la bandeja del Spin Coater y la fijamos por vacío. Vertimos la mezcla de PDMS sobre dicha máscara y configuramos el Spin Coater para hacerlo girar 10 segundos a 500 rpm y 50 segundos a 702 rpm. Posteriormente curamos el PDMS en el hotplate a 80°C un tiempo de 20 minutos. Nos aseguramos de que no quede nada en estado líquido al terminar, y lo dejamos reposar sobre un paño de modo que no sufra un enfriamiento brusco. Volvemos a colocar la máscara, ahora con la capa de PDMS encima, sobre la bandeja del Spin Coater y realizamos una deposición de SU-8 2025 (MicroChem), con el Spin Coater configurado para que gire primeramente a 500 rpm durante 10 segundos para luego pasar a girar a 2400 rpm durante 50 segundos, consiguiendo de esta manera que quede una fina capa de tan solo 50 micras de espesor de SU-8 sobre la capa de PDMS. Figura 4.26: Campana de vacío en funcionamiento ____________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [82] Capítulo cuarto Materiales y proceso de fabricación _____________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________ Entramos ahora en una delicadísima etapa en la construcción de la válvula, pues tenemos que colocar esta máscara con las capas de PDMS y SU-8 sobre el resto de la estructura, y por el lado del SU-8 de 50 micras. El objetivo es alinear muy bien ambas partes de modo que queden los círculos transparentes de la máscara en la posición correcta, ya que conformarán las cubiertas sobre la estructura de la placa. Es muy importante no ejercer presión a la hora de colocar la máscara sobre la placa, para que el SU-8 aún sin polimerizar se vaya diluyendo de forma uniforme sobre el SU-8 de la estructura y sin invadir el interior de la válvula. Metemos ahora todo el conjunto en la insoladora, la cual programaremos un tiempo de 2 minutos a una sola cara. De este modo, al ser el PDMS transparente, la luz pasa hasta el SU-8 incidiendo sobre este con la forma circular de las cubiertas. Posteriormente se calienta en el hotplate por el lado de la máscara un tiempo de 4 minutos a 75°C con objeto de polimerizar el SU-8 iluminado. Se deja ahora enfriar la placa unos minutos sobre un paño y posteriormente retiramos la máscara de PDMS con mucho cuidado de modo que se despegue todo el PDMS y nos quedemos con el SU-8 en la placa. Finalmente introducimos la placa en el revelador Mr-600 Developer, y la agitamos con cuidado durante aproximadamente 1 minuto para eliminar el SU-8 no polimerizado. Se concluye limpiando la placa con isopropanol y secándola en el hotplate durante 1 minuto a unos 100°C, obteniendo así la estructura final de la válvula. 4.4.7.- Despegado capa cobre/SU-8 Para que la válvula sea útil aún tenemos que despegar la capa de cobre de la capa de SU-8 en la zona de apertura/cierre, de modo que pueda abrirse y cerrarse con naturalidad al ser sometida a una presión mediante el paso de un fluido. Para ello se darán dos pasos. En un primer lugar someteremos las válvulas a un baño de ultrasonidos durante 2 minutos para luego ser expuesto 5 minutos a la luz ultravioleta, de modo que se facilite el despegue de dichas capas en contacto. En segundo lugar instalaremos unos tubos en la cara inferior de la placa, por los cuales someteremos a las válvulas a una presión de aire de 500 mbar. De forma conjunta a esto, se aplicará el paso de una corriente eléctrica entre los pads del circuito de cobre. Dicha corriente se irá incrementando de forma gradual hasta aproximadamente unos 2,5 A de modo que, debido al incremento de temperatura que se produce, se terminen despegando las capas de cobre y SU-8 permitiendo el paso de aire por la válvula en su sentido de flujo positivo. En la Figura 4.27 se muestran dos imágenes de la instalación llevada a cabo para tal fin. En la imagen de la izquierda se aprecian perfectamente los tubos que se han pegado a la placa y su conexión con el circuito de aire, así como la válvula de regulación de la presión de aire a suministrar. En la imagen de la derecha se puede apreciar la fuente de corriente empleada y su conexión a la placa por medio de cables soldados a los pads. ____________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [83] Capítulo cuarto Materiales y proceso de fabricación _____________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________ Figura 4.27: Equipamiento empleado para el despegue final de la capa cobre/SU-8 4.5.- Estructura fabricada Los resultados del proceso de fabricación pueden verse en la Figura 4.28 y en la Figura 4.29. En ambas figuras pueden verse tanto las suspensiones como la cubierta o membrana de la válvula. Además, el orificio de paso por el cual puede fluir el líquido de trabajo se muestra en la Figura 4.29. Figura 4.28: Estructura final de la válvula antirretorno fabricada ____________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [84] Capítulo cuarto Materiales y proceso de fabricación _____________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________ Figura 4.29: Estructura final de la válvula antirretorno donde se muestran las suspensiones, la membrana y el orificio de paso (válvula de 4 suspensiones). ____________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [85] Capítulo cuarto Materiales y proceso de fabricación _____________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________ ____________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [86] 5 Resultados experimentales __________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [87] __________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [88] Capítulo quinto Resultados experimentales _____________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________ 5.- Resultados experimentales 5.1.- Introducción En este quinto capítulo se presenta el montaje experimental al que ha sido sometida la placa, con el fin de recoger los diferentes datos de los dispositivos creados mediante el proceso de fabricación propuesto, de modo que podamos obtener los resultados finales con los cuales poder predecir el comportamiento en servicio de las válvulas. Como ocurre en cualquier válvula antirretorno, la característica más importante es la que relaciona la presión con la que viene el fluido desde la línea de suministro con el caudal que pasa por la válvula, con lo que el montaje experimental que se llevará a cabo estará enfocado a la obtención de dicha relación. El montaje del experimento llevado a cabo se describe en la sección 5.2, mientras que en la sección 5.3 se interpretarán los resultados con el propósito de caracterizar la válvula tanto en su versión de 4 suspensiones como en la de 2 suspensiones. 5.2.- Montaje experimental Para caracterizar la válvula se ha realizado un sencillo montaje experimental en el que se ha empleado un depósito para el fluido de trabajo, un indicador de presión (manómetro), una válvula de regulación y una válvula de paso. El depósito, debidamente cerrado, se conecta a una fuente de aire a presión que se regula mediante la válvula de control y cuya presión se mide en el manómetro. Por otro lado, el depósito se conecta a la válvula antirretorno mediante un tubo con una válvula que permitirá o no el paso del fluido debidamente presurizado. En la Figura 5.1 se muestra la configuración llevada a cabo para obtener la medición del fluido de trabajo a su paso por la válvula antirretorno en sentido directo. La configuración en sentido inverso tiene un montaje de similares características pero invirtiendo el flujo del proceso. Para preparar cada uno de los prototipos de la placa, y poder conectarlos al circuito confeccionado, se les ha conectado a cada uno de ellos unos tubos rígidos de 6 mm de diámetro por la parte de debajo de la placa, donde se sitúan los orificios de entrada a cada una de las válvulas antirretorno. Por la cara superior de la placa, donde se encuentran cada una de las estructuras de las válvulas antirretorno, se han ido colocando tubos de 12 mm de diámetro donde recoger el fluido saliente. Los tubos se han pegado a la placa con un adhesivo epoxi de 2 componentes. La característica a obtener es la función que relaciona la presión con el caudal que circula por la válvula, por lo que el proceso consistirá en fijar distintas presiones de trabajo mediante la válvula de control y medir el caudal que pasa por la válvula antirretorno. Una vez se ha obtenido una tabla de datos, se generará la curva presión-caudal que caracterizará a cada dispositivo. __________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [89] Capítulo quinto Resultados experimentales _____________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________ Figura 5.1: Esquema del montaje experimental configurado para el paso de agua en sentido directo (apertura de válvula). 5.3.- Caracterización de la válvula Los resultados obtenidos del montaje experimental permiten generar la curva p-Q con la cual caracterizar la válvula. Se han recogido los datos tanto en el caso de 4 suspensiones como para el caso de 2 suspensiones. Ha de tenerse en cuenta que se existen unas pequeñas pérdidas en la presión medida, pues la presión real deberá ser un poco menor debido a que el suministro de agua en el depósito presurizado no se repone constantemente, además de existir siempre pequeñas pérdidas de carga en las tuberías. Además, se ha utilizado agua destilada como fluido de trabajo y para obtener los datos del caudal de paso, se ha tenido que proceder pesando el agua total que ha logrado pasar en un tiempo debidamente cronometrado y, en función de la densidad, obtener así el caudal correspondiente. Asumimos que estas pérdidas, debido a lo miniaturizado que resulta el circuito de prueba, son lo suficientemente pequeñas para dar por buenos a dichos valores. En el caso de la configuración para el paso de fluido en sentido directo, se han tomado las anotaciones del caudal de paso fijando valores de presión comprendidos entre 50 y 400 mbar, mientras que en la configuración del paso del fluido en sentido inverso por la válvula, se han tomado los datos de caudal fijando valores de presión entre 50 y 1500 mbar. Este valor tan elevado es para que se visualice, una vez generada la curva p-Q, que efectivamente el paso del fluido en sentido inverso disminuye muy significativamente a medida que aumentamos un poco la presión, llegando incluso a cerrar por completo el paso del fluido. Bajo todas estas consideraciones, se muestran los datos recogidos en la Tabla 5.1 y 5.2, para el caso de flujo directo e inverso, respectivamente. A continuación en la Figura 5.3 se muestra la función p-Q resultante. __________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [90] Capítulo quinto Resultados experimentales _____________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________ Caudal (mL/min) Presión directa (mbar) 4 suspensiones 2 suspensiones 50 13,78 16,44 100 21,7 26,08 200 32,08 37,88 400 51,12 56,9 Tabla 5.1: Caudal a través de la válvula obtenido experimentalmente, en función de la presión y recorriendo el circuito en sentido directo. Caudal (mL/min) Presión inversa (mbar) 4 suspensiones 2 suspensiones 50 10,16 17,44 200 2,82 35,2 400 0,36 1,64 1000 0,3 0,31 1500 0,155 0 Tabla 5.2: Caudal a través de la válvula obtenido experimentalmente, en función de la presión y recorriendo el circuito en sentido inverso. Figura 5.3: Curva característica de la válvula obtenida experimentalmente Como puede verse en la gráfica, el comportamiento de la válvula antirretorno es casi lineal para presiones positivas (cuando el líquido fluye en sentido directo; en sentido de apertura de la válvula), con una pendiente de 0,1278 mL/(min·mbar). Cuando se le aplica una presión inversa, el líquido intenta fluir en sentido contrario cerrando la válvula. __________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [91] Capítulo quinto Resultados experimentales _____________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________ Existe una pequeña fuga en este comportamiento inverso, cuyo máximo ronda los 10 mL/min a presiones muy bajas, de entorno 50 mbar. A partir de entonces, a medida que aumentamos dicha presión inversa, el paso de líquido disminuye considerablemente, pudiéndose considerar ya la válvula como cerrada. Por lo tanto, el dispositivo tiene un buen comportamiento para una presión directa, resultando de forma casi lineal la relación presión-caudal en este tramo. Para presión inversa, el dispositivo se comporta muy bien a partir de los 50 mbar, pero con una fuga máxima en ese punto de aproximadamente 10 mL/min. El comportamiento de la válvula antirretorno de 2 suspensiones es similar, con una pendiente de 0,1422 mL/(min·mbar) en el sentido de avance directo. Este valor resulta razonable, pues la rigidez de la estructura de 2 suspensiones es menor que en el caso de 4 suspensiones. En este caso se contempla una fuga de hasta 35 mL/min cuando se le aplica una presión inversa de 200 mbar, y a partir de entonces disminuye el paso de líquido de forma significativa, llegando a cerrar prácticamente por completo a una presión de 500 mbar. Claramente se puede concluir que el comportamiento de la válvula de 2 suspensiones es peor que en el caso anteriormente comentado de 4 suspensiones. La causa de que exista una fuga inversa se debe a la tensión térmica que aparece en la última etapa del proceso de fabricación donde se busca separar las capas de cobre y SU-8 mediante el paso una corriente eléctrica, la cual deforma a la estructura. Esta deformación depende de la geometría de la válvula antirretorno, y que presenta un mejor comportamiento en la estructura de 4 suspensiones como ha podido deducirse de la gráfica anterior. En el caso de la válvula de 4 suspensiones, la estructura se deforma ligeramente, permitiendo un pequeño paso de fluido inverso a presiones muy bajas. Sin embargo, la válvula antirretorno de 2 suspensiones logra cerrarse a una presión inversa de aproximadamente 500 mbar, y con una fuga de unos 35 mL/min a 200 mbar. Además esta estructura es menos estable que la de 4 suspensiones, por lo que el proceso de fabricación propuesto debe ser considerado válido para la estructura de 4 suspensiones. Para demostrar la aparición de una tensión térmica al aplicar el paso de una corriente eléctrica por la estructura de SU-8, y capaz de modificar dicha estructura, se ha sometido a la válvula a una prueba de resistencia donde se puede ver el resultado de la misma en la Figura 5.4. En ella se muestran dos fotografías de la válvula tomadas al microscopio. En la imagen superior se muestra la válvula una vez ha sido sometida, por medio de los pads instalados en la placa, a una corriente suficiente para que las capas se separen con normalidad. Sin embargo, a medida que se aumenta esta corriente entre los pads y/o el tiempo de exposición, la estructura comienza a deformarse de forma significativa, tal y como se aprecia en la imagen inferior de dicha figura. Esta deformación termina por inutilizar a la válvula, haciendo que nunca se consiga el estado de cierre de la misma. Esta es la razón por la que en el último paso del proceso de fabricación es preciso someter a la válvula de forma conjunta al paso de la corriente y a una presión de aire que minimice este fenómeno adverso, ya que de esta manera se le puede aplicar menos intensidad de corriente eléctrica para una misma separación de las capas. __________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [92] Capítulo quinto Resultados experimentales _____________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________ Figura 5.4: Etapa de despegue del SU-8, donde se aprecia una separación normal (arriba), y una enorme deformación de la estructura (abajo) debido al paso de una corriente excesiva. __________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [93] Capítulo quinto Resultados experimentales _____________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________ __________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [94] 6 Conclusiones __________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [95] __________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [96] Capítulo sexto Conclusiones _____________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________ 6.- Conclusiones 6.1.- Introducción Mediante el presente proyecto se ha conseguido describir un proceso de fabricación válido que permite la construcción de válvulas antirretorno de membrana de reducido tamaño, con el propósito de poder incluirla en un circuito de mayor complejidad, dentro del ámbito de la tecnología de microsistemas. En base a los resultados obtenidos, se puede decir que los objetivos que se buscaban conseguir, y que fueron planteados en el capítulo primero, han sido alcanzados con éxito. Estos objetivos eran: Proceso de fabricación sencillo Bajo coste de fabricación del dispositivo Fiabilidad en el funcionamiento Total integración en sistemas más complejos En base a estos objetivos iniciales se van a exponer a continuación los principales aspectos que se han logrado con la realización de este proyecto. Estos aportes conseguidos se estructuran en tres secciones: fabricación, caracterización e integración. 6.2.- Fabricación La principal aportación del trabajo realizado ha sido la obtención del proceso de fabricación, ampliamente detallado, con el cual fabricar el dispositivo buscado de forma sencilla y barata. Sencilla porque se emplean técnicas de fabricación empleadas en circuitos impresos, muy conocidas en la actualidad, junto con los procesos típicos de fabricación de estructuras en SU-8, muy trabajadas en el laboratorio de microsistemas del departamento. Barata porque los materiales empleados en la fabricación (SU-8, PDMS y PCB) son pocos y baratos en comparación con otras alternativas, así como su fácil integración en una única plataforma, evitando complejos sistemas de ensamblajes que encarecen el producto. Las partes más críticas y delicadas del proceso son las etapas de inmersión en ácido para eliminar el cobre no deseado, la alineación a la hora de colocar la máscara para el BETTS, y la etapa final en la que se hace pasar una corriente eléctrica por toda la estructura para separar las capas de cobre/SU-8. Es importante señalar que el dispositivo creado es de propósito general de modo que valide el proceso de fabricación. Por lo tanto, estas etapas deberán de ser retocadas de forma muy delicada para poder emplear el proceso descrito en estructuras cuya forma geométrica o dimensiones cambien a las descritas en el presente proyecto. De este modo, si por ejemplo se demanda la construcción de válvulas antirretorno en circuitos de PCB con pistas de cobre de 18 µm en vez de los 35 µm aquí empleados, el tiempo de inmersión en ácido cambiará. ____________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [97] Capítulo sexto Conclusiones _____________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________ 6.3.- Caracterización El comportamiento de los prototipos de las válvulas antirretorno creadas, con 2 y 4 suspensiones, ha sido probado experimentalmente tanto para presiones de trabajo en el sentido de avance de flujo directo como inverso, y en un rango comprendido entre los -1500 y los 400 mbar, donde el signo menos hace referencia a la presión inversa y el positivo a la presión directa. Los experimentos muestran que las válvulas antirretorno permiten el flujo del líquido desde abajo y hacia arriba (en sentido directo), siguiendo un comportamiento lineal cuando está abierta, con una pendiente de 0,1278 mL/(min·mbar) en el caso de la estructura con 4 suspensiones. Para presiones inversas esta válvula no permite el paso de fluido, presentando una fuga de unos 10 mL/min a muy bajas presiones (~50 mbar). Los valores de funcionamiento de la válvula antirretorno de 4 suspensiones pueden considerarse aceptables, aunque siempre dependiendo de la aplicación y del rango presión-caudal del sistema completo donde se integrará el dispositivo. Por lo tanto, estos resultados demuestran que el proceso de fabricación propuesto en este proyecto es útil y satisfactorio para fabricar válvulas antirretorno de SU-8 integradas en PCB para aplicaciones microfluídicas. Además, las dimensiones de la estructura pueden variar si así fuera necesario, como se ha comentado anteriormente, aunque siempre teniendo en cuenta que el proceso deberá de ser correctamente ajustado. Aquí se ha empleado una simple disposición de 2 y 4 suspensiones con las que realizar el estudio, sin embargo existe un elevado número de posibles combinaciones a tener en cuenta en la fase de diseño (número de suspensiones utilizadas, cambios en la forma geométrica…). Por lo tanto el diseñador deberá de evaluar los efectos que tienen esos cambios de la estructura de la válvula en el proceso de fabricación propuesto. 6.4.- Integración El proceso propuesto permite la fabricación y la integración de este tipo de dispositivos en plataformas microfluídicas PCB al mismo tiempo y sin necesidad de ningún ensamblaje. La adición de más componentes microfluídicos en SU-8 compartiendo el mismo sustrato, permite la obtención de un sistema híbrido PCB/SU-8. ____________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [98] 7 Trabajos futuros __________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [99] __________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [100] Capítulo séptimo Trabajos futuros _____________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________ 7.- Trabajos futuros 7.1.- Introducción Con el propósito de mejorar el trabajo que se ha realizado, se van a presentar en este séptimo capítulo una serie de consideraciones, referentes tanto al proceso de fabricación como a las pruebas realizadas para la caracterización de los dispositivos creados, en aquellos puntos más delicados y que se consideran más interesantes. Estas consideraciones son fruto de la experiencia adquirida en el laboratorio durante la búsqueda iterativa de un proceso de fabricación válido que permita la creación del dispositivo final deseado. En las siguientes secciones se pasa a exponer estos aspectos, los cuales hacen referencia a posibles variaciones en el proceso de fabricación, propuestas para mejorar la caracterización del dispositivo, y la integración de este en un sistema fluidio compacto. 7.2.- Mejoras en el proceso de fabricación Como se ha mencionado en anteriores ocasiones, al estar el presente proyecto enfocado en la búsqueda de un dispositivo de propósito general que valide el proceso de fabricación propuesto, la forma y el número de suspensiones del dispositivo final va a depender siempre del diseñador que emplee dicho proceso para la construcción de un circuito microfluídico que demande válvulas antirretorno de este tipo. En este sentido el propio proceso es perfectamente adaptable a estas distintas configuraciones, aunque existen pasos críticos en el proceso que son comunes a todas ellas. Uno de estos pasos críticos es la alineación de la máscara para el BETTS con la estructura de SU-8 a la cual queremos colocarle las tapaderas a la válvula. Encontrar un método más elaborado y sistematizado con el cual conseguir una perfecta alineación de las membranas con el resto de la estructura, haría que se pudiera miniaturizar más la válvula final, pues en el proceso actual se opta por sobredimensionar el diámetro de esta membrana en la fase de diseño de la máscara para el BETTS, para que de esta manera nos aseguremos de que la válvula vaya a quedar correctamente cerrada. Otro aspecto del proceso de fabricación que se puede mejorar es el paso de eliminación del cobre no deseado mediante un ataque en ácido. Un ataque más selectivo de modo que se elimine por completo el cobre no deseado, pero que no deteriore la corona de cobre que necesitamos para cerrar por completo la válvula, sería una importante mejora para minimizar las fugas cuando el líquido intente retornar. Como ya se ha visto con anterioridad, cada una de las suspensiones lleva en su extremo un refuerzo de forma triangular para minimizar la rotura de las mismas debido a las tensiones que allí se producen cuando la válvula es sometida a presiones moderadas. De los prototipos construidos en la placa, se han roto algunas de estas suspensiones justo en esa delicada zona. Buscar un diseño alternativo óptimo con el ___________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [101] Capítulo séptimo Trabajos futuros _____________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________ cual minimizar o incluso descartar estas roturas es un paso que queda pendiente para mejorar el proceso de fabricación y hacerlo más robusto. No obstante, el diseño empleado consigue minimizar de forma relevante el número de suspensiones desquebrajadas respecto al primer intento, el cual tenía una unión en forma de esquina, totalmente cuadradas. 7.3.- Simulación mediante software Mediante la simulación por ordenador empleando un programa de elementos finitos se podría perfeccionar tanto la fabricación como la caracterización del dispositivo. El software CoventorWare permite diseñar todo el dispositivo y crear una imagen 3D de la estructura final, así como caracterizar el dispositivo deseado mediante la realización de innumerables pruebas mecánicas, térmicas o eléctricas. Con una simulación de estas características se podrían comparar los resultados con los obtenidos en el montaje experimental y enriquecer los resultados que se muestran en este proyecto. También podría caracterizarse la válvula usando otros fluidos de trabajo distintos, ya que este tipo de software contiene librerías con todas las propiedades tanto de los diferentes materiales usados en la fabricación de microsistemas como de los distintos fluidos que se suelen emplear en los circuitos microfluídicos en combinación con la tecnología MEMS. 7.4.- Inclusión en un circuito fluídico Se ha mencionado en repetidas ocasiones a lo largo de la memoria, que el fin último de una válvula antirretorno de este tipo es incluirla en un sistema microfluídico totalmente integrado. La gran ventaja que tiene el proceso de fabricación propuesto es el haber podido conformar la estructura de SU-8 en una placa PCB, consiguiendo de esta manera una total compatibilidad en un circuito fluídico mayor. Las válvulas antirretorno son muy demandadas en los sistemas microfluídicos completamente integrados como los µTAS o los dispositivos LOC, por ejemplo para su uso en la creciente fabricación de circuitos basados en microsistemas para el ámbito biomédico. Por ello es muy importante el hecho de que la válvula sea totalmente integrable en estos sistemas. Estudiar el comportamiento final que tendría la válvula al incluirla en un sistema fluídico de prueba, y comparar estos resultados con la caracterización individual que se ha obtenido en este proyecto es una importante línea de trabajo que queda abierta para futuros proyectos. ___________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [102] Anexo Procesos fallidos __________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [103] __________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [104] Anexo Procesos fallidos _____________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________ Anexo: Procesos fallidos 1.- Introducción El proceso de fabricación que se ha descrito de forma ampliamente detallada en este proyecto, y con el que se ha llevado a cabo la construcción de la válvula antirretorno, ha sido el producto de un laborioso trabajo de investigación en el que múltiples intentos fallidos lo han precedido. Sólo el proceso expuesto hasta ahora, en el capítulo cuarto de esta memoria, ha sido validado por las pruebas experimentales a las que se han sometido a los diversos prototipos creados. Además, de estos prototipos sólo el de cuatro suspensiones, con las cotas especificadas, ha dado resultados satisfactorios. En el camino se han quedado muchas ideas, de las cuales algunas resultan interesantes de ser comentadas. En los siguientes apartados se van a exponer esas ideas. 2.- Fabricación del canal de paso perforando sólo FR4 A la hora de realizar el canal por donde pasará el fluido a través de la placa PCB, se presenta una importante problemática. Y es que, a priori, no se veían alternativas fiables que apoyasen realizar dicha perforación después de la deposición de SU-8 sobre la placa, ya que dicha perforación terminaría casi seguro por resquebrajar al SU-8. Por lo tanto se partió de la hipótesis de taladrar previamente a dicha deposición, pero esto desemboca inevitablemente en otro problema: cuando se vaya a depositar el SU-8, el canal de paso del fluido creado quedará tapado por este, inutilizando entonces el proceso por completo. Figura A.1: Estructura de la válvula antirretorno buscada. __________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [105] Anexo Procesos fallidos _____________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________ Ante estos inconvenientes, se optó por realizar un taladrado a la placa, pero sólo comiéndonos el FR4, dejando la fina capa de cobre sin taladrar. Esto se consiguió con el taladro de precisión del laboratorio, el cual tiene la opción de avisar mediante un pitido cuándo se produce una continuidad entre la broca y el cobre. En la Figura A.1 se muestra la estructura final de la válvula que se pretendía conseguir, y en la Figura A.2 el proceso de fabricación que se propuso. De esta manera, en primer lugar (1) se le aplicó al PCB la máscara para realizar el circuito de cobre deseado (2), entonces sin los pads; sólo las coronas circulares de cobre, para luego pasar a taladrar de la forma anteriormente indicada (3). Esto ya conllevaba algunos problemas, pues a veces también se taladraba la capa de cobre sin querer debido al poco espesor que esta tiene respecto al FR4. Además, el taladro, aun siendo bastante preciso, acarreaba también el inconveniente del tiempo de respuesta obtenido desde que se emitía el sonido hasta que se dejaba de taladrar (inevitablemente también se comía el cobre). Después de esto ya se estaba en disposición de verter el SU-8 sobre la placa (4) e insolarla (5). Por último se eliminaba el cobre y ya obteníamos la válvula final deseada. Pero, además del anterior problema comentado, el cual inutilizaba un alto porcentaje de futuras válvulas, estaba el enorme problema de eliminar dicho cobre no deseado, ya que se debía dejar reaccionar la placa mucho tiempo en ácido (sólo por la parte del FR4), debido al pequeño diámetro del agujero de paso. También estaba el gran problema de separar el SU-8 del FR4, pero como eran pocos los dispositivos que consiguieron llegar hasta esta fase, aún no se era realmente consciente de este problema en la separación de las capas. Figura A.2: Proceso de fabricación fallido taladrando sólo el FR4 (Se muestra la sección AA’ referente a la Figura A.1). 3.- Fabricación del canal de paso usando cera Debido al inconveniente de taladrar solamente el FR4 y a que aún se mantenía la hipótesis de que la fase de taladrado debía de realizarse previamente a la deposición de SU-8, se decidió que taladrar la placa totalmente y a partir de ahí __________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [106] Anexo Procesos fallidos _____________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________ buscar soluciones era el camino acertado. El proceso se describe gráficamente en la Figura A.3, donde se muestran las secciones AA’ de la válvula deseada, y que se muestra en la Figura A.1, debido a que la estructura final a buscar era la misma que en el proceso anteriormente descrito. El primer paso (1) consistía en aplicar, como de costumbre, la máscara del circuito de cobre deseado (2) sobre el PCB. Después de esto se taladró por completo el canal de paso del fluido (3), encontrándonos ahora con la problemática de tener que taparlo de forma temporal para poder depositar la capa de SU-8 de forma adecuada, y sin que pase nada de resina por el canal de paso. La solución que se encontró fue la de rellenar el agujero de paso con cera. De este modo, se fundió cera sobre la placa de modo que el canal quedase completamente lleno (4). Tras dejar secar la cera y lijar bien la superficie para que la capa de cobre quede a ras con la de cera, ya se podía verter el SU-8, (5). En la Figura A.4 se muestran imágenes de laboratorio llevando a cabo estas tareas descritas. Figura A.3: Proceso de fabricación fallido empleando cera (Se muestra la sección AA’ referente a la Figura A.1). __________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [107] Anexo Procesos fallidos _____________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________ Figura A.4: Paso del proceso fallido descrito en el que se rellena con cera fundida los canales de paso (izquierda), y una vez seca lijar bien la superficie de modo que la cera quede a ras con el cobre. Una vez depositada la capa de SU-8, ya se estaba en condiciones de eliminar la cera (6), pues esta ya había cumplido su función. Por lo que se colocaba la placa en el hotplate a una temperatura de 120°C y sobre un paño que pudiera absorber la cera fundida. Este paso era complejo y bastante poco limpio, ya que la cera debía de salir completamente del canal de paso del fluido de trabajo de la válvula. Para asegurar que así fuera, se ejercía una presión sobre la válvula en el hotplate con una placa de vidrio. Esto se muestra Figura A.5: Extracción de la cera en la Figura A.5. Después de esto se insolaba la placa (7) y se eliminaba el cobre (8), para obtener el dispositivo final. El proceso fue desechado por diversos problemas. En primer lugar, el uso de cera implica que el nivel de suciedad sea alto, y por lo tanto la limpieza debe de ser constante. Esto hace que el proceso sea bastante rudimentario. Por otro lado, era complicado eliminar por completo la cera del canal de paso. Pero sin duda, lo que hacía definitivamente inviable el proceso de fabricación era conseguir separar el FR4 del SU-8 sin conseguir que alguna suspensión se rompiera. Todos estos problemas lograron solucionarse realizando la fase de taladrado después de la deposición de SU-8, pero antes de colocar las tapaderas que cierran la válvula. El empleo de la técnica BETTS fue clave para el éxito del proceso de fabricación final. __________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [108] Anexo Procesos fallidos _____________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________ 4.- Canal fluídico acoplado a la válvula Con el propósito de caracterizar la válvula bajo un comportamiento más real, se procedió a contruir el inicio de lo que hubiese sido un circuito fluídico de prueba con el que testear la válvula. El diseño inicial elegido es el que se muestra en la Figura A.6 donde se ven de forma superpuesta todas las máscaras que se emplearon en dicho proceso. Entonces se estaba utilizando para fabricar la válvula, una placa PCB de 700 µm de espesor de FR4 con una muy fina capa de cobre de 18 µm de espesor. Además, las capas de deposición de SU-8 eran de 150 µm (2 capas), más todo el espesor de los canales construidos, hacían un grosor total de SU-8 de 750 µm (3 deposiciones de 150 µm para los canales más las 2 deposiciones anteriores). Todo este grosor de SU-8, respecto a los 700 µm de FR4, hacía que todas estas capas de SU-8 se estresase sobremanera en la etapa de softbake, como se muestra en la Figura A.7. Figura A.6: Máscaras empleadas para la fabricación de los canales fluídicos. Figura A.7: Placa con los canales fluídicos construidos y con el SU-8 totalmente estresado. __________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [109] Anexo Procesos fallidos _____________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________ Una vez que se empezó a utilizar la placa de 1500 µm de FR4 con la capa de cobre de 35 µm, este problema disminuyó en la fabricación de las válvulas, pero construidas sin los canales, y se solventó por completo al emplear 2 capas de deposición de SU-8 de 100 µm cada una, en vez de las de 150 µm iniciales. Como se mencionó en el capítulo de trabajos futuros, se deja abierta esta fase para la construcción de un prototipo microfluídico con el cual realizar mejores pruebas a la válvula final. Un factor que será clave para eliminar el estrés, además de haber elegido un sustrato más grueso, será el de realizar la fase de enfriamiento tras el softbake lo más lentamente posible. 5.- Válvula con una suspensión Resulta interesante mostrar los resultados que se obtuvieron en el caso de la válvula de una sola suspensión, para enriquecer la comparación con las de dos y cuatro suspensiones que se expusieron en el capítulo quinto. En la Tabla A.1 se muestran los datos experimentales recogidos para caracterizarla mediante la curva p-Q, mostrada en la Figura A.8. Puede apreciarse cómo la válvula en la versión de una sola suspensión se comporta de forma similar a las otras dos para presiones directas, con una pendiente de 0,1502 mL/(min·mbar) debido a la menor resistencia que ofrece tener una suspensión. Sin embargo, cuando se le aplica una presión en sentido contrario, el funcionamiento de dicha válvula es bastante mediocre, pues no se le puede considerar como cerrada hasta unos 800 mbar. Esto es debido principalmente a que la válvula cede mucho cuando el fluido va en sentido directo, no llegando nunca a restaurar su posición adecuadamente, permitiendo así el paso de una importante fuga inversa. Presión inversa Caudal (mbar) (mL/min) 50 7,8 200 12,74 400 18,5 1000 0 1500 0 Tabla A.1: Caudal a través de la válvula obtenido experimentalmente, en función de la presión y recorriendo el circuito en sentido directo e inverso.. Presión directa (mbar) 50 100 200 400 Caudal (mL/min) 17,54 27,94 41,82 61,08 __________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [110] Anexo Procesos fallidos _____________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________ Figura A.8: Curva característica de la válvula obtenida experimentalmente, añadiendo la versión con una sola suspensión __________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [111] Anexo Procesos fallidos _____________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________ __________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [112] Referencias __________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [113] __________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________ José Mª García ∷ Escuela Técnica Superior de Ingeniería ∷ Universidad de Sevilla [114] Referencias _____________________________________________________________________________________________________________________ ________________________________ Referencias [1] Stemme G.: ‘Micro fluid sensors and actuators’. 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