Microsistem: sistem tehnic realizat cu ajutorul microtehnologiilor si care poate indeplini functii multiple intr -un spatiu redus. Structura unui… [622709]

MICROSISTEM E MEMS

Microsistem: sistem tehnic realizat cu ajutorul microtehnologiilor si care poate indeplini
functii multiple intr -un spatiu redus.
Structura unui microsistem este determinata de functiile sale si anume:
– detectarea, prelucrarea si evaluarea semnalelor externe;
– luarea unor decizii pe baza informatiilor receptate;
– transformarea deciziilor in comenzi corespunzatoare pentru actuatori.

Componentele unui microsistem

Senzorii se realize aza in prezent pe un substrat, integrati intr -o matrice senzoriala.In functie
de aplicatia acestora, pot utiliza principii mecanice, termice, magnetice, chimice sau biologice.
Actuatorii sunt elemente active ale unui microsistem care permit aces tuia sa reactioneze la un
stimul (de exemplu: micromotoare, micropompe, supape, intrerupatoare, relee).Spre deosebire de
miniaturizarea senzorilor care este posibila in prezent, miniaturizarea actuatorilor este o directie de
cercetare care trebuie sa rezol ve aspecte multiple privind atat materialele cat si tehnologiile de
realizare ale acestora.
Modulul de prelucrare a informatiilor si control al sistemelor are functii complexe si este
limitat din punct de vedere al dimensiunilor si al consumului de putere.Algoritmii de control trebuie
adaptati la necesitatile si specificul microsistemelor.
Interfata cu alte procese sau sisteme asigura schimbul de energie, informatie si substanta.Se
considera ca fezabilitatea si succesul pe piata a viit oarelor microsisteme depinde de dezvoltarea
interfetelor practice micro -macro.În prezent, se bucura de un mare interes interfata electrica (pentru
transmiterea informatiilor si energiei).Sunt studiate diverse posibilitati de realizare a interfetelor pe
cale optica, termica, acustica etc.Pana in prezent, singura metoda utilizata pentru transferul de
substanta este cea cu ajutorul unor elemente specifice micro -fluidicii.
Convertoarele A/D si D/A fac deseori parte integranta din interfata electrica. Ele permit
conversia semnalelor analogice date de senzori in semnale ce pot fi prelucrate digital precum si
controlul analog al actuatorilor utilizand comenzi digitale generate de microcontroler.În cazul
microsistemelor cu structura descentralizata, echipa te cu senzori si actuatori inteligenti (cu propriile
microcontrolere), convertoarele A/D si D/A pot fi integrate direct pe chip -urile microsenzorilor sau
microactuatorilor.
Componentele pentru electronica de putere sunt esentiale pentru orice mi crosistern, ele
ridicand deseori probleme electromagnetice sau termice de care trebuie sa se tina seama in faza de
proiectare.
Componentele de prelucrare a informatiei genereaza semnale electrice pentru controlul
actuatorilor utilizand datele de la senzori.Un ciclu de prelucrare a informatiilor cuprinde: captarea
lor, transformarea, stocarea, evaluarea si generarea de semnale.
Semnalele de la diferiti senzori sunt digitalizate cu un convertor A/D si amplificate; semnalele
prelucrate se rvesc ca si semnale de control pentru actuatori.
Microsistemele pot fi auto -monitorizate si testate de propriile unitati de control si pot
comunica cu alte sisteme si microsisteme, daca este necesar.
În tabelul 2.1 se prezinta spectru l microsistemelor si metodele corespunzatore de fabricatie.

Tabelul 2.1
10 mm Metode de
observare/masurare Elemente
compone nte Tehnologii de
realizare
Milimasini
1 mm Vizibile cu ochiul liber Componenete
miniaturizate Prelucrari de
precizie
Micromasini
1 μm Microscop optic Micro -componente Microtehnologii
specifice (ex.:
LIGA. etc.)
Nanomasini
1 nm Microscop electronic Comp onente
moleculare Ingineria
proteinelor.
biotehnologie

Aceasta clasificare acopera o scara dimensionala de la 10 mm la cativa nanometri incluzand
toate mecanismele relevante.
Tehnologia microsistemelor -TMS reprezinta solut ia actuala de rezolvare a multiplelor
probleme legate de performantele deosebite ce se impun componentelor unui sistem: senzori,
actuatori, module de prelucrare a informatiilor.
Microrobotii sunt reprezentanti importanti ai microsistemelor.Micro robotii sunt microsisteme
ce au volumul sub l cm3.Dimensiunile diferite ale robotilor miniaturizati, ale mini si microrobotilor
sunt determinate de aplicatiile lor diferite si implica tehnologii de realizare, metode de masurare,
control si de asamblare dif erite.Din punct de vedere tehnologic este dificil de delimitat o tipologie
specifica mini si microrobotilor, totusi se pot identifica doua clase distincte:
a)microrobotii de tip clasic la care arhitectura este cea a robotilor industriali si
manipulatoarelor, fiind obtinuta prin miniaturizarea sau integrarea elementelor
componente.Performantele lor functionale depind nemijlocit de progresele tehnologice in directia
miniaturizarii senzorilor si actuatorilor.
b)microrobotii neconventiona li ce se bazeza pe principii fizice particulare (piezoelectricitate,
magnetostrictiune, memoria formei, electroreologie).Acestia utilizeaza proprietatile mecanice,
electrice sau magnetice ale asa -numitelor materiale 'inteligente', ceea ce permite, in final , realizarea
unor functii specifice robotilor de tip clasic.Cel mai adesea se obtine o mobilitate ce determina
deplasarea intregului sistem sau a unei parti a acestuia pe suprafata unui solid, in mediu lichid sau in
aer.
Asamblarea microsistemel or, insotita de transportul nedistructiv, manipularea precisa si
pozitionarea precisa a microcomponentelor sunt aplicatii dintre cele mai importante ale
microsistemelor

Microsisteme electromecanice – MEMS
Sunt sisteme integrate de dimensiuni mici si foarte mici (de la cativa micrometri pana la
milimetri) care combina in structura lor elemente electrice si mecanice.
Acronim:
MEMS – in SUA
MST (Microsystems technology) – in Europa
Micromachines – in Japonia

Fig. 2.1.Domenii de interferenta
Sunt fabricate utilizand tehnica de realizare a circuitelor integrate combinata cu
microprelucrari ale suportului respectiv materialelor utilizate.În timp ce circuitele integrate sunt
proiectate exploa tand proprietatile electrice ale siliciului, MEMS utilizeaza atat proprietatile
electrice cat si proprietatile mecanice ale acestuia.Într -o forma generala, MEMS constau in
microstructuri mecanice, microsenzori, microactuatoare si microelectronica, toate i ntegrate pe acelasi
chip.
MEMS se constituie ca un mod de proiectare si creare a unor dispozitive mecanice si sisteme
complexe integrand electronica aferenta la nivel micro si nano.
2.2. Materiale pentru constructia MEMS – urilor
MEMS -urile sunt microsisteme obtinute prin integrarea de elemente mecanice, de senzori,
actuatori si componente electronice pe un substrat comun (de regula o placuta de siliciu), prin
tehnologii de microfabricatie specifice.
Componentele elect ronice se realizeaza prin tehnologiile specifice circuitelor integrate in timp
ce componentele micromecanice se realizeaza prin tehnologii de microfabricatie constand din
succesiuni de operatii de corodare, adaugare de straturi, inlaturare de straturi de s acrificiu etc.
Principalele materiale utilizate in realizarea MEMS -urilor si exemple de aplicatii sunt
prezentate in Tabelul 2.2.
Tabelul 2.2: Tipuri de materiale utilizate in realizarea MEMS
Material Caracteristici distincte Exemple de ap licatii
Siliciu monocristalin (Si) Material electronic de inalta
calitate cu anizotropie selectiva Senzori piezorezistivi
Siliciu policristalin
(polisilice) Filme de sacrificiu utilizate in
fabricarea MEMS Suprafata micromasinilor,
Actuatori electrostati ci
Dioxid siliciu (Si 0 2) Suprafete insulare compatibile
cu poisiliciu Straturi de sacrificiu utilizate la
realizarea micromasinilor,
staraturi de pasivare
Azotati de siliciu (Si 3N4,
SixNy) Suprafete insulare, rezistent
chimic,durabilitate mecanica Start uri de izolatie pentru
dispozitive electrostatice, straturi
de pasivare pentru dipozitive
Germaniu policristalin (poli
Ge),
Siliciu cu germaniu
policristalin (poli Si -Ge) Depozitat la temperaturi joase Suprafete integrate MEMS

Materialele u tilizate in fabricatia MEMS -urilor sunt de doua feluri:
A. Materiale utilizate ca substrat
B. Materiale de depunere
A. Materiale utilizate ca substrat in fabricatia MEMS -urilor
Materialul de baza utilizat ca substrat este siliciu (silicon in limba englez a).Prezinta
urmatoarele avantaje:
-larg raspandit in fabricatia IC (circuitelor integrate);
-bine studiat si exista posibilitatea de a i se controla proprietatile electrice;
-este economic de produs in forma cristalina;
-are proprietati mecanice foarte bun e (sub forma de cristal este elastic ca otelul si mai usor decat
aluminiu).
Siliciul utilizat in constructia MEMS -urilor se prezinta sub 3 forme:
Siliciu cristalin
Siliciu amorf
Siliciu policristalin.
Siliciu sub forma cristalina de inalta puritate se fabrica sub forma de placute circulare cu
diametrul de 100, 150, 200 si 300 mm si cu grosimi diferite.
Siliciu sub forma amorfa nu are structura regulata cristalina si contine numeroase
defecte. Împreuna cu siliciul policristalin se poate depune in straturi subtiri de pana la 5 microni.
Siliciu sub forma cristalina are urmatoarele caracteristici fizice:
-limita de curgere = 7×109 N/m2;
-modulul de elasticitate E = 1.6 x 10 11 N/m2
-densitatea = 2,33 g/cm3
-temperatura de topire = 14100C.
Exista si alte materiale care se utilizeaza ca substrat in constructia MEMS -urilor: quartz,
sticla, materiale ceramice, materiale plastice, polimeri, metale.
Quartzul se utilizeaza in constructia MEMS -urilor, in primul rand datorita efectului
piezoelectric pe care -l poseda.Este un mineral natural dar, de regula, se utilizeaza quartzul produs
sintetic.Quartzul are urmatoarele caracteristici principale:
-modulul de elasticitate E = 1.07 x 10 11 N/m2
-densitatea = 2,65 g/cm3 Aur (Au), Aluminiu (Al) Filme fine conductive Straturi interconectante, straturi de
mascare, intrerupatoare mecanice
Nichel –fier (NiFe) Aliaj magnetic Actuatori magnetici
Titan -nichel (TiNi) Aliaj cu memoria formei Actuatori termici
Carbura de siliciu (SiC)
Diamant Stabilitate e lectrica si mecanica
la temperatura inalta, inertia
chimica MEMS de inalta frecventa
Galium arsenid (GaAs),
Indium fosfid (In P), Indium
arsenid (In As) Fante pentru trecerea luminii Dispozitive optoelectronice
Titanat zirconat (PTZ) Material piezoelectr ic Senzori mecanici si actuatori
Poliamide Rezistenta chimica, polimer cu
temperatura inalta MEMS flexibile, bioMEMS
Parilen Polimer biocompatibil, depozitat
la temperatura camerei Straturi de acoperire, structuri
polimerice moi

B. Materiale de depunere utilizate in constructia MEMS -urilor
Exista mai multe tipuri de materiale care se depun s ub forma de straturi pe placutele de siliciu:
siliciu policristalin, siliciu amorf, biooxid de siliciu (Si O 2), nitrura de siliciu (Si 3 N4), oxinitrura de
siliciu (SiON);
metale (Cu, W, Al, Ti, Au, Ni), compusi metalici ( TiN, ZnO) sau aliaje (TiNi);
mater iale ceramice ( alumina);
polimeri.
Se prezinta mai jos particularitatile principalelor materiale utilizate ca substrat si ca strat de
depunere.
1. Siliciul
Siliciul se utilizeaza la fabricarea microsensorilor inca din anul 1950.Atun ci s-a descoperit ca
Si are coeficienti piezorezistivi foarte inalti fata de cei ai traductoarelor tensometrice metalice ceea
ce-l face primul material din categoria celor utilizate la fabricarea MEMS -urilor.
1.1 Siliciul monocristalin
In const ructia MEMS -urilor siliciul monocristalin are functii cheie fiind unul dintre cele mai
versatile materiale combinind anizotropia cu bune caracteristici mecanice.Avind un modul al lui
Young de 190GPa siliciul monocristalin se compara din punct de vedere mec anic cu otelul care are
un modul al lui Young de 210GPa.Proprietatile mecanice favorabile au facut siliciul monocristalin
utilizabil ca material pentru membrane, lamele si alte structuri.Siliciul monocristalin este utilizat in
primul rind la fabricarea str ucturilor mecanice.
1.2 Siliciu policristalin
Pentru MEMS – uri si circuite integrate (IC) filmele din siliciu policristatlin sunt depuse
utilizind un proces cunoscut ca depunere chimica de vapori la presiune joasa (LPCVD = low -presur e
chemical vapor depositon).Procesul are loc intr -un interval de temperatura cuprins intre 580°C si
650° si o presiune de 100 pina la 400 mtorr.Atmosfera gazoasa cea mai utilizate este gazul silan (Si
H4).Filmele fine de siliciu polcristalin constau intr -o colectie de mici monocristale a caror
microstructura si orientare depind de conditiile modului de depunere.Pentru un proces tipic LPCVD
temperatura de tranzitie de la starea amorfa la cea cristalina este de 570°C, cu depunerea stratului
amorf in jurul tem peraturii de tranzitie.La 600°C, grauntii cristalini sunt mici si egali pe cind la
625°C grauntii sunt mari si alungiti.Rezistivitatea siliciului policristalin poate fi modificata prin
saturare si se practica in general la filmele subtiri folosind fosforul ca saturant la saturarea
componentelor MEMS din siliciu policristalin deoarece acesta are o mare viteza de
difuzie.Difuzibilitatea in filmele subtiri este de 1×1012 cm2/s.
Conductivitatea termica este o alta caracteristica importanta a siliciul ui policristalin si depinde
de conditiile de depunere.Pentru filmele cu granulatie fina conductivitatea termica este de 25% din
cea a siliciului monocristalin iar pentru filmele cu granulatie mare conductivitatea termica este de
50% sau 85% din valoarea ce lei specifica siliciului monocristalin.Ca si proprietatile termice si cele
electrice ale siliciului policristalin si tensiunile reziduale inmagazinate in filmele de siliciu
policristalin depind de conditiile de depunere ale filmelor.Pentru filmele depuse in conditii tipice
(200 mtorr, 625°) tensiunea reziduala este nesemnificativa, tensiuni reziduale mari intilnindu -se in
filmele amorfe si cele de siliciu cu structura alungita a grauntilor.
1.3 Siliciul poros
Siliciul poros este pro dus la temperatura camerei prin gravare electrochimica a Si in acid
hidrofluoric (HF).Daca este configurat sub forma unui electrod intr -un circuit electrochimic bazat pe
(HF), sarcinile pozitive de la suprafata Si faciliteaza schimbul atomilor de fluor cu atomii de
hidrogen de la marginile suprafetei de Si.Calitatea suprafetei este data de densitatea porozitatii de la

suprafata, care este controlata prin aplicarea unei densitati de curent.Pentru densitati de curent
innalte, densitatea porozitatii este inalt a iar suprafata gravata va fi neteda.Pentru densitati de curent
mai mici, densitatea porozitatii este scazuta si concentreaza numeroase defecte de suprafata in
anumite regiuni.Defectele de suprafata debuteaza prin marirea gravurii ce guverneaza procesul de
producere a porozitatii.Marimea porilor si densitatea sunt relative in functie de tipul de Si folosit si
de conditiile electrochimice. Ambele tipuri de siliciu atit cel monocristalin cit si cel policristalin pot
fi transformate in siliciu poros.
Cresterea suprafetei de schimb a siliciului poros il face un material atractiv pentru aplicatii de
tipul celor lichide sau gazoase, incluzind membranele de filtrare si straturile de absorbtie chimica,
cind este folosit siliciul monocristalin ca substrat.
1.4 Dioxidul de siliciu
Dioxidul de siliciu (SiO 2) este unul dintre cele mai utilizate materiale pentru realizarea
MEMS -urilor. In acoperirile de suprafata a micromasinilor, SiO 2 este utilizat ca material de
sacrificiu, deoarece es te usor de dizolvat pentru a fi inlaturat fara ca dizolvantul sa atace polisiliciul
din strat. Dioxidul de siliciu mai poate fi utilizat si ca strat masca pentru filmele subtiri din
polisiliciu, deoarece este rezistent chimic sau ca strat de pasivare pe su prafetele dispozitivelor de
mediu foarte sensibile.
Cel mai utilizat procedeu de obtinere a straturilor subtiri de dioxid de siliciu este oxidarea
termica si LPCVD. Oxidarea termica a Si este realizata la temperatura de 900°C -1,200°C in prezenta
oxigenului pur.Chiar daca oxidarea termica este un proces limitat termic, grosimea maxima a
filmului ce poate fi obtinuta este de 2μm, grosime ce este suficienta pentru numeroase
aplicatii.Oxidarea termica a siliciului poate fi realizata numai pe substrat de siliciu.Filmele din dioxid
de siliciu pot fi depozitate pe o mare varietate de materiale ca substrat prin procesul LPCVD.In
general, prin LPCVD se obtin straturi de o grosime > 2μm la temperatura mult mai scazuta decit cea
termica.Cunoscute ca si oxida ri la temperatura joasa, aceste filme sunt utilizate ca straturi de
sacrificiu.
1.5 Nitrura de Si ( Si3N4)
Nitrura de Si este utilizat in MEMS -uri ca material pentru izolatii electrice, pasivarea
suprafetelor, suprafete de mascare si ca material mecanic.Doua metode de depunere sunt cunoscute
pentru nitrura de Si la depunerea in straturi subtiri: LPCVD si respectiv PECVD. Utilizarea
procedeului PECVD in aplicatiile straturilor pe micromasini este limitat de continutul crescut in
fluoroh idrati dar este un procedeu in urma caruia se obtin filme de siliciu cu proprieteti atractive
pentru incapsulare.Materialul obtinut prin procedeul LPCVD este foarte rezistent la atacul chimic si
ca urmare este foarte utilizat la realizarea straturilor de s uprafata ale micromasinilor.Nitrura de siliciu
obtinut prin LPCVD este utilizat sub forma insulara deoarece are o rezistivitate de 106Ω×cm.
Depunerea se realizeaza in mod tipic la temperaturi si presiuni cuprinse intre 700°C -900°C si 200
mtorr -500 mtorr. S ursele de gaz sunt diclorosiliciul (SiH 2Cl2) si amoniacul (NH 3).Microstructura
filmului astfel produs este amorfa.Datorita acestor proprietati filmele de Si 3N4 au fost utilizate ca
structuri mecanice de suport sau ca straturi insulare pentru senzorii de p resiune piezoelectrici.
2. Materiale bazate pe germaniu
Ca si siliciu, germaniu este un material utilizat la realizarea materialelor semiconductoare iar
studii recente il considera materialul ideal pentru realizarea tranzistoarelor s i semiconductoarelor.
Exista un interes crescut pentru utilizarea Ge la realizarea dispozitivelor micromasinilor datorita
temperaturii scazute de depunere a materialului pe suprafetele realizate.
2.1 Germaniul policristalin

Filmele f ine de Ge policristalin pot fi depuse prin LPCVD la temperatura mai mica de 325°C
pe subtrat Si, Ge si pe SiO 2.Filmele de Ge pot fi folosite ca si straturi de sacrificiu.Tensiunea
reziduala acumulata in filmele formate poate fi redusa la aproape zero dupa o usoara calire la
temperaturi modeste de (30 -600°C).Ge policristalin este impermeabil la KHO si de aceea este utilizat
la realizarea membranelor de Ge pe substrat de Si.Proprietatile mecanice ale G policristalin sunt
comparabile cu cele ale polisiliciului avind un modul de elasticitate de 132 GPa iar rezistenta la
rupere este cuprinsa intre 1,5 GPa si 3 GPa.Ge policristalin poate fi utilizat ca strat de sacrificiu pe
suprafate de polisiliciu la realizarea straturilor de acoperire micromasini.Utilizind ace st procedeu,
dispozitive ca termistori bazati pe Ge policristalin si senzori cu membrane de presiune pe baza de
Si3N4 folosesc drept straturi de sacrificiu i timpul fabricarii Ge policristalin.
2.2 SiGe policristalin
La fel ca si Ge policristalin, SiGe policristalin este un material care poate fi depus la
temperaturi mai scazute ca cele ale siliciului.Procedeul de depunere se face prin metodele LPCVD,
APCVD si RTCVD (rapid thermal CVD) utilizind ca gaze precursoare Si H 4si GeH 4.Temper atura de
depunere este cuprinsa in intervalul 450°C pentru LPCVD si 625°C RTCVD.In general temperatura
de depunere depinde de concentratia Ge in filmul respectiv, cu cit concentratia Ge este mai crescuta
cu atit temperatura de depunere este mai scazuta.Ca si polisiliciul, poli -SiGe poate fi saturat cu bor si
fosfor pentru modificarea conductivitatii.In situ suprasaturarea cu bor poate fi realizata la temperaturi
mai mici de 450°C ceea ce demonstreaza ca temperatura de depunere a fimelor conductive saturate
cu bor poate fi redusa la 400°C daca continutul de Ge este mentinut la o concentratie de 70%.Pentru
filmele imbogatite cu Ge se foloseste un strat fin de polisiliciu sau uneori SiO 2.Ca si majoritatea
materialelor compuse, variatia compozitiei filmelor poa te schimba proprietatile fizice ale
materialului. De exemplu gravarea Poli -SiGe pe H 2O2 la concentratii ale Ge de peste 70% face ca
proprietati cum sunt microstructura, tensiunile remanente, conductivitatea filmului si gradientul
tensiunilor remanente sa d epinda in mod direct de concentratia Ge in materialul dat.In ce priveste
tensiunea remanenta in situ s -au produs filme saturate cu bor al caror tensiune remanenta este mai
mica de 10MPa.La realizarea MEMS -urilor Poli SiGe este utilizat la realizarea startu rilor de
acoperire ale componentelor MEMS avind ca start de sacrificiu Ge policristalin.Un avantaj al acestei
tehnici este acela ca stratul de acoperire este depus direct pe structura de interes ceea ce reduce
aparitia capacitatilor parazite si rezistentei de contact caracteristice.
3.Metale
Dintre toate materialele asociate cu realizarea MEMS metalele sunt cel mai utilizate.Filmele
fine metalice sunt utilizate in medii cu capacitati diferite pentru confectionarea mastilor
microsenzor ilor si microactuatorilor.Filmele metalice pot fi depuse utilizind o multime de tehnici
cum sunt: evaporarea, pulverizarea, CVD, si electroacoperiri.Metalele cel mai utilizate in
microfabricatele electronice sunt Au si Al si de regula sunt utilizate la rea lizarea conectorilor.Un
exemplu in acest sens il reprezinta utilizarea Au la realizarea intrerupatoarelor micromecanice.Aceste
intrerupatoare sunt construite folosind un strat de sacrificiu din dioxid de siliciu.Straturile din nitrura
de siliciu si dioxidu l de siliciu sunt depuse prin metoda PECVD iar Au este depus prin
electrodepunere dintr -o solutie de sulfit de sodiu. Un multistrat din Ti si Au este pulverizat inainte de
a fi electrodepus.Structurile tristrat sunt alese pentru a minimiza efectele daunato are ale gradientilor
de temperatura si tensiune din timpul proceselor de realizare ale componentelor microelectronice.
Un alt metal utilizat la realizarea MEMS este Al, de exemplu la fabricarea
microintrerupatoarelor pe baza de Al.Aceste intrer upatoare utilizeaza diferentele dintre tensiunile
remanente din filmele fine de Al si Cr pentru a crea o consola comutatoare ce capitalizeaza aceste
diferente de tensiune din materiale.Fiecare intrerupator este alcatuit din o serie de console bimorfe

astfe l incit structura rezultata sa se plieze mult peste planul real generind diferentele de tensiune in
structura bimorfa. Intrerupatoarele de acest gen sunt in general lente 10 ms, dar voltajul de activare
de numai 26V poate determina inchiderea acestora.
Alt material utilizat in realizarea MEMS este aliajul metalic cu memoria formei utilizat la
realizarea microactuatorilor.Aceasta proprietate de momorare a formei rezulta din transformarea
reversibila a martensitei ductile intr -o faza austenitica u tilizata in aplicatia data.Acest efect reversibil
este utilizat ca mecanism acuator, fara ca materialul sa sufere modificari in timpul tranzitiei.La
impulsuri rezonabile pot fi obtinute forte si tensiuni inalte in aceste metale cu memoria formei ceea
ce fa ce ca actuatorii cu memoria formei sa fie utilizati in MEMS -uri bazate pe microdispozitive
microfluidice ca microvalvele sau micropompele.Cel mai popular aliaj cu memoria formei este Ti Ni
sau nitinolul care lucreaza la o densitate de 50 MJ/m3 si o banda d e frecventa de 0,1 kHz.Si acest tip
de material este utilizat in realizarea microvalvelor.

. Tehnologii de fabricatie pentru MEMS -uri

În proiectarea si realizarea MEMS -urilor trebuie avute in vedere urmatoarele:
 Frecarile s unt mai mari decat fortele inertiale; fortele capilare, electrostatice si atomice la
nivel micro sunt semnificative.
 Caldura dezvoltata in astfel de sisteme are valori relativ ridicate, ceea ce poate pune probleme
in ceea ce priveste transportul si disipar ea caldurii.
 Pentru microsistemele hidraulice, spatiile mici de lucru si transport ale fluidului sunt
predispuse la blocaje, dar in acelasi timp pot regulariza curgerea fluidului.
 Proprietatile de material (modulul Young, coeficientul Poisson etc) si teori a mecanicii la
nivel micro.
 Utilizarea MEMS – urilor pe structura unui circuit integrat este complexa si specifica fiecarui
microsistem in parte.
 Realizarea si testarea MEMS -urilor nu este usoara; anumiti microsenzori necesita contactul
direct cu mediul, ce ea ce presupune asigurarea protectiei acestora la perturbatii exterioare, iar
testarea este mai costisitoare decat in cazul circuitelor integrate clasice.
Fabricatia structurilor de tip MEMS este similara cu fabricatia conventionala a
microcircu itelor integrate la care se adauga o serie de tehnologii specifice.Astfel, structurile MEMS
sunt, in general structuri multistrat realizate prin succesiuni de procedee de depunere pe o
structura de baza si de corodare cu diverse tehnologii, tehnologii numi te generic „ micromachining”.
Exista doua mari categorii de tehnologii de prelucrare: Surface micromachining si Bulk
micromachining.
A. Surface micromachining – presupune prelucrarea la nivelul straturilor depuse si se
bazeaza pe pro cese de corodare a acestor straturi numite straturi de sacrificiu, realizandu -se astfel
structuri mecanice suspendate (de tip lamele, bride – intalnite la microsenzori) sau mobile ( roti,
discuri, balamale etc) intalnite la micromotoare, microactuatori et c.
In Tabelul 2.3 sunt prezentate cateva tipuri de MEMS -uri realizate prin aceste tehnologii :
Tabelul 2.3

A vertical mirror erected on an rotary
indexing stage .
The vertical mirror is held in place via hinges
and snap springs
Torsional Rat cheting Actuator.
A high torque rotary electrostatic actuator
Indexing Motor – 2nd View
The indexing teeth on both sides of the gear
are clearly visible. These teeth are key to the
gear indexing forward one unit at a time.
Accelerometru capacitiv

Schema simplificata a fabricarii MEMS -urilor
tehnologia Surface micromachining
B. Bulk micromachining – Prelucrare in interiorul materialului – in volum.
Aceste tehnologii presupun prelucrarea prin corodare a structurii de baza real izandu -se
structuri mecanice suspendate peste structura de baza.
In tabelul 2.4 sunt prezentate unele tipuri de MEMS -uri fabricate prin aceste tehnologii.
Tabelul 2.4
Senzor capacitiv de presiune
Senzor de presiune piezorezistiv
Ambele tehnologii de prelucrare au la baza trei procedee distincte:
A. Depunerea de straturi,
B. Litografia
C. Corodarea.

DEPUNEREA DE STRATURI SUBTIRI
Exista doua grupe de tehnologii de depunere: depuneri care au la baza reactii chimice si
depuneri care se bazeaza pe procedee fizice.
A.1 Depuneri bazate pe reactii chimice
Se utilizeaza urmatoarele tipuri de depunere:
o Chemical Vapor Deposition (CVD)
o Epitaxy
o Electrodeposition
o Thermal oxidation
Aceste procedee se bazeaza pe formarea unor straturi solide direct prin reactii chimice intr -un
mediu gazos sau intr -un mediu lichid. Straturile astfel formate ( cu grosimi de cativa nanometri pana

la 0,1 mm) pot constitui elemente solide in structurile MEMS sau pot fi depozitate pe substrat de
siliciu.
A.2 Depuneri bazate pe procedee fizice :
o Physical Vapor Deposition (PVD)
o Casting
In aceste cazuri straturile depuse n u formeaza reactii chimice cu materialul de substrat.
A.1.1 Chemical Vapor Deposition (CVD)
Placutele care realizeaza substratul sunt introduse intr -un reactor care este alimentat cu mai
multe gaze.Principiul de baza consta in dezvoltarea de rea ctii chimice intre gazele introduse si
condensarea produselor de reactie pe suprafetele placutelor din reactor.
Se utilizeaza 3 tehnologii CVD pentru MEMS:
– Low Pressure CVD (LPCVD);
– Plasma Enhanced CVD (PECV D);
– Atmospheric Pressure CVD ( APCVD)
Metoda LPCVD produce straturi uniforme dar necesita temperaturi ridicate, de peste 600oC
iar viteza de depunere este relativ mica.
Metoda PECVD necesita temperaturi scazute (pana la 300oC ) ca urmare a aportului de energie dat
de plasma introdusa in reactor.

Fig. 2.1: Schema de principiu pentru procedeul PECVD
Tehnologiile CVD se utilizeaza pentru depunerea straturilor de siliciu amorf si siliciu
policristalin folosind silanul c a gaz de baza .Pentru obtinerea de impuritati in stratul depus se
adauga si alte gaze.Functie de gazele utilizate si de temperatura la care se face depunerea pot apare
tensiuni reziduale de intindere sau de compresiune in straturile depuse. Utilizand depuner i succesive
de siliciu amorf si siliciu cristalin in grosimi diferite se poate controla starea de tensiuni in
straturile depuse. Se depun prin tehnologiile CVD si straturile de nitrura de siliciu (Si 3 N4) sau
de bioxid de siliciu (Si O 2).La aceste depuner i pot aparea tensiuni in straturi de pana la 1GPa in
cazul Si 3 N4 si de pana la 0,3 GPa in cazul SiO 2.
A.1.2 Epitaxy
Tehnologia epitaxy presupune depunerea unui strat cu mentinerea orientarii
cristalografice a substratului pe care s -a facut depu nerea.Daca se utilizeaza ca substrat siliciu amorf

sau policristalin stratul depus prin tehnologia epitaxy va avea o structura amorfa sau, respectiv,
policristalina.
Cea mai raspandita este tehnologia Vapor Phase Epitaxy (VPE) care presupune int roducerea
unor gaze intr -un reactor cu incalzire prin inductie in care sunt incalzite numai placutele pe care
urmeaza sa se depuna.
Prin aceasta tehnologie se pot depune straturi ce pot depasi 100 μm.Tehnologia se utilizeaza
pentru realizarea s traturilor de siliciu cu grosimi cuprinse intre 1 micron si 100 microni.Schema de
principiu este data in fig. 2.2

Fig. 2.2: Schema de principiu pentru tehnologia VPE.

A. 1.3 Electrodeposition – electroplating
Procedeul se aplica doar la mater ialele bune conducatoare de electricitate.Procedeul se
bazeaza pe formarea si depunerea de straturi ca urmare a unor procese chimice ce au loc in solutia
lichida (electrolit) sub influenta potentialului electric dintre suprafata de depunere si electrod.
Procedeul se utilizeaza pentru depuneri de straturi de metal ( Cu, Au sau Ni) cu grosimi
cuprinse intre 1 si 100 microni. Schema de principiu este prezentata in fig. 2.3.

Fig. 2.3: Formarea de structuri metalice prin electrodeposition si schema de principiu pentru
procedeul Electrodeposition .
A. 1.4 Oxidarea termica
Este o tehnologie de baza care consta in simpla oxidare a substratului intr -un mediu bogat in
oxigen si la temperaturi de 800° C -1100° C.Procesul de oxidare si depunere a stratului de oxid se
face prin consumarea substratului (de exemplu, pentru 1 micron de strat de Si O 2 format si depus se
consuma 0,45 microni de siliciu din substrat).Pe masura ce stratul de oxid creste, procesul de oxidare
devine mai lent.Prin acest pr ocedeu se obtin straturile de Si O 2.Sxhema de principiu este prezentata
in fig.2.4.

Fig.2.4: Schema de principiu pentru oxidarea termica .
A. 2.1 Physical Vapor Deposition (PVD)
Tehnologiile de depuneri de straturi de tip PVD presupun transferu l de material dintr -o sursa
si depozitarea lui pe un substrat.Calitativ, straturile depuse prin tehnologia PVD sunt inferioare celor
depuse prin CVD (astfel pentru metale depuse rezistenta electrica creste iar la straturile depuse cu
rol de izolator elec tric creste numarul de defecte din strat). Sunt doua tehnologii mai
importante: evaporation si sputtering.
a) Evaporation
Substratul pe care se face depunerea precum si materialul din care se realizeaza stratul de
depunere sunt plasate in inte riorul unei incinte vidate.Materialul de depunere este incalzit pana la
temperatura de fierbere cand incepe sa se evaporeze si se depune prin condensare pe suprafetele
placutelor de substrat.In functie de metoda de incalzire exista e-beam evaporation si resistive
evaporation. Metoda e-beam evaporation consta in incalzirea materialului cu un fascicol de
electroni pana la evaporare, conform schemei din fig.2.5.Metoda evaporarii rezistive presupune
incalzirea pana la evaporare a materialului de depunere ca urma re a trecerii curentului electric.

Fig. 2.5: Schema de principiu pentru metoda E -beam evaporation
b) Sputtering
Tehnologia Sputtering presupune scoaterea materialului de depunere din sursa la o
temperatura mult mai scazuta decat evaporarea. Principial, metoda presupune introducerea placutei de
substrat si a materialului de depunere intr -o incinta vidata si in prezenta unui gaz inert.Cu ajutorul
unei surse de putere gazul este adus in stare de plasma.Ionii astfel formati sunt accelerati inspre
suprafata materialului de depunere cauzand eliberarea de atomi care vor condensa pe
suprafata placutei realizand stratul de depunere.In fig. 2.6 este prezentat schematic acest procedeu.

Fig. 2.6: Schema de principiu a tehnologiei de depunere prin sputte ring.
2.4.2. Casting
Prin acest procedeu stratul de depunere se obtine astfel: materialul de depus se dizolva intr -un
solvent si se toarna pe suprafata substratului.Dupa evaporarea solventului, materialul de adaos
ramane aderat la sup rafata sub forma de strat.Acest procedeu se utilizeaza de regula pentru
depunerea materialelor de tip polimer.
LITOGRAFIA
Litografia ca metoda de realizare a MEMS -urilor reprezinta, in esenta, transferul unui sablon
pe un strat de material foto sensibil depus pe un substrat. Materialul fotosensibil isi schimba
proprietatile in zona unde a fost afectat de fascicolul de radiatie.Schema de principiu este prezentata
in fig. 2.7.

Fig. 2.7: a) Straturi obtinute prin litografiere

Materialu l fotosensibil ( photoresist sau resist ), atunci cand este expus unei radiatii isi
modifica rezistenta chimica fata de solutia de developat.Functie de modul in care se face developarea
pot rezulta doua categorii de straturi litografiate: straturi pozitive c are pastreaza
configuratia sablonului si straturi negative cand zonele afectate de radiatie sunt mai rezistente la
substanta de developare ca in fig. 8.
Tehnica litografiei este principala tehnologie de realizare a formelor in microprelucrarea
sistemelo r.
Straturile fotosensibile sunt utilizate drept sablon pentru obtinerea diverselor configuratii fie
prin eroziune, fig. 2.8 -a, fie prin depunere, fig. 2.8 -b.
Dupa obtinerea configuratiei dorite, straturile de fotorezist se indeparteaza.
Litografierea imp une operatii importante de aliniere a sablonului peste placuta de siliciu,
conditii speciale de timp de expunere si tip de radiatie.

Fig. 2.8: a) Transfer de model prin corodare ( etching) , b) T ransfer de model prin depunere

CORODAREA (ETHCHING)
Atat st raturile depuse cat si materialul de substrat pot fi modelate prin procedeul de corodare
in vederea obtinerii unor configuratii dorite.
Se utilizeaza doua tipuri de corodare:
C. 1 .Corodare intr -un mediu umed (Wet Etching) , cand microstructura este introdu sa
intr-o solutie chimica.Uzual se utilizeaza acidul fluorhidric (pentru corodarea bioxidului de siliciu),
acid fosforic (pentru corodarea nitrurii de siliciu), amestecuri de acid azotic, acid fluorhidric sau acid
acetic (pentru corodarea siliciului monocr istalin).Forma obtinuta prin corodare depinde de viteza de
corodare pe diverse directii, existand astfel corodare anisotropica – cand se obtine o forma
de trunchi de piramida/dreptunghiulara, fig. 9.b, si corodare isotropica, cu aceeasi viteza pe toate
directiile si se obtine o forma sferica, fig. 2.9.a.

a) b)
Fig. 2.9 Corodare umeda isotropica si anisotropica

C. 2.Corodare uscata (Dr y Etching) , cand procesul de corodare se realizeaza la presiune
scazuta si prin bombardarea cu ioni sau cu electroni se produc reactii chimice locale cu degajare de
compusi volatili. In functie de tipul de reactor utilizat exista trei tipuri principale d e corodare uscata:
– Corodare cu ioni reactivi (RIE).
Placutele de corodat sunt introduse in reactor impreuna cu o serie de gaze.Cu ajutorul
unei surse de energie inalta (RF) se produc ioni care bombardeaza suprafetele
placutelor.O parte din ioni, avand s uficienta energie pot scoate atomii din materialul
corodat fara reactii chimice (similar ca la procesul de depunere de tip PVD).O alta parte
din ioni produc reactii chimice si se corodeaza zonele dorite.Procesul este complex si
presupune o combinatie de e fecte chimice si fizice.
– Corodare fara ioni reactivi – Sputter etching este apropiata de tehnologia de depunere PVD –
sputtering.Diferenta consta in aceea ca se urmareste corodare si nu depunere.
– Corodare cu vapori reactivi. Procedeul presupune corodare a zonelor intr -un mediu cu gaz sau cu
amestec de gaz coroziv.
Procedeele de corodare a straturilor stau si la baza tehnologiei “ straturilor de sacrificiu ”.In
esenta, procedeul presupune depunerea si configurarea unor straturi care reprezinta negativul unor
spatii sau cavitati.In final, aceste straturi se indeparteaza rezultand configuratia dorita.
In fig. 2.10 este prezentata o schema simplificata de obtinere a unui micro -arc lamelar din
siliciu policristalin, unde se pot vedea succesiuni de procedee de dep unere, de litografiere si
corodare.
–
Fig. 2.10 Reprezentarea shematica a corodarii uscate: a) corodare cu ioni reactivi; b) corodare
fara ioni reactici; c) corodare cu vapori reactivi.

Asamblare si integrare de sistem
De-a lungul anilor s -au dezvoltat diferite moduri de abordare in ceea ce priveste integrarea de
sistem a MEMS -urilor:
 Prima varianta consta in realizarea si integrarea elementelor de microelectronica, dupa care se
trece la realizarea element elor mecanice prin metodele prezentate anterior.Este o metoda
relativ simpla, dar in produsul final apar o serie de tensiuni interne reziduale.Pentru a evita
tratamentele termice de coacere pentru indepartarea tensiunilor interne se prefera folosirea
metal elor refractare in componentele circuitelor integrate.
 A doua varianta se refera la realizarea concomitenta a microelectronicii si a microelementelor
mecanice, varianta utilizata in cazul accelerometrelor pentru aibag -uri.Procesarea monolit, ca
si numarul redus de elemente permit obtinerea unei structuri compacte de fiabilitatea sporita
si pret redus.Problema consta in complexitatea dispozitivului ceea ce determina un flux
tehnologic rigid.Pentru o eficienta economica mare este deci necesar un volum mare de
produse.
 A treia varianta apeleaza la realizarea microelementelor mecanice inaintea
microelectronicii.În SUA a fost dezvoltata tehnologia iMEMS (Integrated
Microelectromechanical Systems), patentata de Sandia National Laboratories, care presupune
fabricar ea MEMS utilizand una din metodele prezentate anterior, urmand ca elementele de
microelectronica sa fie procesate pe aceeasi placheta de siliciu.

Exemplu numarul 1
Prezentarea schematica a fazelor de producere a unui micro ar c lamelar din siliciu policristalin

2.4. Microsenzori
2.4.1. Microsenzori de presiune
Pentru sesizarea presiunii, microsensorii au la baza urmatoarele procese:
– deformarea elastica a unei membrane sub actiunea presiunii si masurarea tensiunilor in
membrana prin efect de piesorezistivitate;
– modificarea capacitatii electrice prin deplasarea relativa a doua suprafete;
– efect piezoelectric.
Microsenzorul de presiune cu efect piezorezistiv este prezentat sche matic in fig. 2.11a.
Schematic, tehnologia de fabricatie este data in fig.2.11b.

a b
Fig. 2.11
Membrana elastica este realizata din placuta de siliciu ( cu dimensiunile 1x1x0,020 mm) in
care s -a corodat forma de trunchi de piramida.Placuta de siliciu este fixata pe un suport.Pe suprafata
placutei din siliciu sunt implantate 4 microrezistente (2 rezistente lat erale Rl si 2 rezistente
transversale Rt) ce joaca rol de traductori piezorezistivi ( fig.2.12).Traductorii piezorezistivi sunt
asezati la marginea zonei corodate, unde tensiunile create de presiune sunt maxime.

Fig. 2.12
Microsenzorul este in trodus intr-o carcasa metalica vidata, asa cum se poate vedea in fig. 2.13,
unde este prezentat schematic senzorul de presiune realizat pentru automobile de firma Bosch –
Germania.

Fig. 2.13

Microsenzorii de presiune capacitivi au la baza modif icarea distantei (si implicit a capacitatii
electrice) dintre 2 microelectrozi dintre care unul este fix iar celalalt este montat pe o
membrana flexibila ce se deformeaza atunci cand actioneaza presiunea, fig. 2.14.

Fig. 2.14
Un model performa nt de microsenzor capacitiv este prezentat in fig. 2.15 a, pentru presiuni de
0 –8 bar (realizat la University of Southampton Institute of Transducer Technology –
Anglia) . Microsenzorul cuprinde doua placute din siliciu, una plata si cea superioara ondul ata prin
procedeul de corodare anisotropica.Intre cele doua placute se pozitioneaza un strat de Si O 2, strat a
carui grosime dicteaza spatiul dintre cele duoa placute si, implicit, capacitatea electrica.Dimensiunile
acestui microsenzor sunt indicate in fig . 2.14 –

a)

b)
Fig.2.15
Cele doua placute au forma patrata iar cele doua canale sunt tot sub forma de patrate
concentrice, asa cum se poate vedea in fig.2.16

Fig. 2.16
2.4.2 Microsenzori inertiali
Sunt destinati sesizarii acceleratiei in miscare liniara dupa una sau mai multe
directii (accelerometru) precum si pentru sesizarea miscarii unghiulare dupa una sau mai multe
axe (giroscop).Au numeroase aplicatii in industria automobilului (airbeg, suspensii active, controlul
tractiunii), in industria militara si aerospatiala pentru ghidarea inertiala, in monitorizarea pacientilor
bolnavi de Parkinson, etc.
Microsenzor ul de acceleratie se bazeaza principial pe schema din fig. 2.17.O masa m este
legata de suport prin intermediul unui element elastic avand constanta de elasticitate k m si prin
intermediul unui sistem de amortizare avand constanta de amortizare b m.

Fig. 2 .17
Orice modificare a vitezei sistemului, pe directia de oscilatie a masei m va induce o forta de
inertie: F = m.a , forta care va scoate din echilibru masa m.
Sesizarea fortei de inertie poate fi facuta prin diverse procedee:
-Capaci tiv, prin modificarea unui interstitiu dintre masa si un reper fix.
-Piezoresistiv prin masurarea tensiunilor din elementul elastic;
-Piezoelectric pe baza comprimarii elementului elastic

In fig. 2.18 sunt prezentate schematic metoDa piezorezi stivitatii si metoda capacitiva

Fig. 2.18
Metoda piezorezistivitatii presupune utilizarea unor traductori piezorezistivi in zona
solicitata mecanic a elementului elastic.
Metoda capacitiva presupune utilizarea a doua capacitati (C1 si C2 in fig. 2.18) astfel incat
miscarea de vibratie a masei inertiale sa modifice diferential cele 2 capacitati, in timp ce distanta
d1 dintre placile condensatorului C1 se micsoreaza, distanta d 2dintre placile condensatorului C2 se
mareste ca in fig. 2.1 9.

Fig. 2.19
Un microsenzor de acceleratie realizat de firma Bosch – Germania si care utilizeaza metoda
capacitiva este prezentat in fig. 2.20.

Fig. 2.20
Masa seismica centrala este rezemata la capete pe lamele elastice iar in zon a centrala se
realizeaza cei doi condensatori C1 si C2.Intreaga structura este realizata prin tehnologia de prelucrare
a placutelor de siliciu, cu depuneri si corodari adecvate formei finale impuse.
Pentru cresterea sensibilitatii se poate utili za un numar sporit de condensatoare, realizate pe
acelasi principiu.De asemenea, asezarea condensatoarelor pe doua directii permite detectarea
acceleratiei pe doua directii, asa cum este prezentat microsenzorul de acceleratie bidirectional din fig.
2.21.

Fig. 2.21

2.5. MICROACTUATORI

Functia de executie intr -un sistem (microsistem) mecatronic consta din initierea, controlul si
realizarea interactiunii masinii cu mediul, pe baza intructiunilor primite de la functia de
cunoastere .Functia de executie se realizeaza prin intermediul
actuatorilor (microactuatorilor).Actionarea are la baza, in general, trei tipuri de interactiuni:
interactiunea campurilor, interactiunea mecanica si deformatii limitate ale unor materiale.
1. Microactuatori functionand pe baza interactiunii campurilor se bazeaza pe interactiuni ale
campurilor magnetice, ale campurilor electrice cu campuri magnetice, ale sarcinilor electrice:
micromotoare rotative de curent continuu, de curent alternativ asinc rone si sincrone, micromotoare
electrostatice, micromotoare liniare de curent continuu, microelectromagneti, microintrerupatoare
etc.
2. Microactuatorii care se bazeaza pe deformatii limitate ale unor materiale au in componenta
lor, ca element a ctiv un material “inteligent” – material care are capacitatea de a se deforma controlat
(lamele, discuri, membrane, arcuri elicoidale si spirale etc.).Deformatiile limitate ale acestor
materiale inteligente pot fi transformate in miscari continue cu ajutoru l unor mecanisme (mecanisme
cu clichet, cu roti dintate, surub – piulita etc.).
În fuctie de semnalul de intrare, deformatiile limitate pot fi realizate prin mai multe procedee:
– prin flux termic, in cazul bimetalelor si a aliajelor cu memoria for mei;
– prin comanda electrica, in cazul microactuatorilor piezoelectrici si a microactuatorilor
electroreologici;
– prin comanda magnetica, in cazul microactuatorilor magnetorestrictivi si a
microactuatorilor pe baza de ferofluide;
– prin comanda optica,in cazul microactuatorilor termo -electro -fotorezistivi si a
microactuatorilor piro -piezoelectrici;
– prin comanda chimica.
3. Microactuatorii functionand pe baza interactiunilor mecanice au la baza transmiterea
energiei pe baza unui fluid sau gaz care actioneaza asupra unor elemente mecanice (pistonase,
membrane, tuburi flexibile etc.) asigurand realizarea unui lucru mecanic: micropompe, micromotoare
cu palete, microcilindri etc.

1.1. Micromotoare electrice
Principiul de fuctionare este cel intalnit la motoarele electrice clasice cu circuit de curent
electric in camp magnetic.
Elementele componente (rotor, stator, lagare pentru rezemare) sunt realizate din structuri pe
baza de siliciu, fabri cate cu tehnologiile specifice.In fig. 2.23 se prezinta schema de fabricatie a unui
micromotor electric iar in fig. 2.24 si 2.25 se prezinta doua scheme de micromotoare.

Fig. 2.23 Schema de fabricatie pentru un micromotor electric cu elemente pe baza de siliciu

Fig. 2.24 Sectiune printr -un micromotor

Fig. 2.25 Micromotor cu capacitate variabila cu elemente pe baza de siliciu
Pe langa micromotoarele rotative exista o diversitate de microactuatori actionati prin camp
magnetic , care realizeaz a miscari limitate.Un microactuator magnetostatic este prezentat in fig.2.26

Fig. 2.26 Microactuator magnetostatic

O alta solutie constructiva de microactuator magnetostatic este prezentata in fig. 2.27, cu
deformarea elastica a unei membrane.

Fig. 2.27 Microactuator magnetostatic cu membrana
Un alt exemplu de microactuator magnetic este motorul liniar din figura 2.28.Magnetul
ramane in canal, el fiind ridicat si miscat in fata si in spate schimbind directia curentului prin
infasurarile rotorului de aceeasi parte in timp util.

Fig. 2.28 Actuator liniar cu camp electromagnetic
La dispozitivul din figura 6 o problema comuna care poate sa apara in cazul actuatorilor
magnetici este faptul ca infasurarile sunt s upradimensionate (este foarte greu de miniaturizat trei
infasurari considerabile ca dimensiuni).Dezavantajul actuatorilor magnetici este acela ca au
dimensiuni mari si sunt mari consumatori de energie.
1.2. Microactuatori electrostatici .
Au la b aza fortele electrostatice ce se dezvolta intre doua suprafete aflate la distanta foarte
apropiate una de alta, fig. 2.29

Fig. 2.29
Astfel, intre 2 placi cu dimensiunile axb, aflate la distanta d una fata de cealalta si supuse unei
tensi uni electrice U se dezvolta o energie potentiala W data de relatia:

i
n care termenul reprezinta capacitatea electrica C dintre cele doua placi, εr este
permitivitatea relativa a materialului dintre placi iar ε0 este permitivitatea electrica a vidului
( = 8,854 10-12 F/m).
Pe directia normala la cele doua suprafete actioneaza o forta de atragere F data de relatia:

Exemplul 1 :
a = b = 2 mm
d = 5 µm
U = 12 V
er = 1
Rezulta o forta de atractie F = 0.1 mN.

Pe directia laterala, conform fig. 2.30, actioneaza o forta F* data de relatia:

Fig. 2.30
Exemplul 2:
a = 1 mm
b = 2 mm
d = 5 µm
U = 12 V
er = 1
Rezulta o forta laterala F* = 0. 3 µN

1.2.1. Microactuatori electrostatici interdigitali
Pe principiul fortei electrostatice laterale functioneaza microactuatorii electrostatici
tip pieptene sau microactuatori interdigitali ( Comb micro actuators). Acesti microactua tori cuprind
doua structuri de tip pieptene, una stationara si una mobila cu electrozi ce se intrepatrund ca in fig.
2.31-a. Structura mobila este ancorata printr -un sistem de lamele elastice care permit deplasarea
laterala ( fig. 2.31 -b).

a) b)
Fig. 2.31

În cazul microactuatorilor tip pieptene cu N electrozi, forta laterala generata de campul
electr ostatic (F E) este data de relatia:

in care b reprezinta latimea electrozilor iar d reprezinta distanta dintre electrozi.

Fig. 2.32
Asa cum este prezentata in fig. 2.32, forta electrostatica tinde sa atraga electrozii mobili iar
acestei forte i se opune forta elastica FM data de relatia:

unde k este constanta de elasticitate a elementului elastic iar X reprezinta apropierea electrozilor.
La echilibru cele doua forte devin egale si din aceasta egalitate se poate determina deplasarea
relativa a electrozilor pentru o geometrie data si pentru o tensiune electrica impusa:

Fig. 2.33
In cazul unei structuri elastice realizata din doua lamele incastrate, ca in fig. 2.33, constanta de
elasticitate k este data de relatia:

unde E este modulul de elasticitate al lamelelor elastice, b este latimea lamelelor, h este grosimea
lamelelor iar L este lungimea lamelelor.

a)

b)
c)
Fig. 2.34
Microactuatorii electrostatici de tip pieptene pot functiona uni- sau bidirectional , ultimul caz
fiind prezentat shematic in fig. 2.34.Astfel, in functie de polaritatea aplicata la electrozii ficsi (
pozitiva in stanga si negativa in dreapta) si de polaritatea la electrozii mobili se poate
obtine stationare (polaritate zero pe electrozii mobili, fig. 2.32 -a, deplasare la stanga , fig. 2.34 -b
(polaritate negativa la electrozii mobili) sau deplasare la dreapta , fig. 2.34 -c (polaritate pozitiva pe
electrozii mobili).

Fig. 2.35
In fig. 2.35 este prezentat un microactuator electrostatic tip pieptene, bidirectional realizat de
firma Cronos Integrated Mikrosystems In c. cu urmatoarele caracteristici tehnice:
Deplasarea maxima [µm];
Forta dezvoltata [pN], unde tensiunea U este data in volti.
1.2.2.Micromotoare rotative electrostatice
Micromotorul rotativ electrostatic prezentat in fig. 2.36 are rotorul cu diametrul de 0,13 mm si
este pus in miscare de rotatie de fortele de atractie electrostatice dezvoltate intre rotor si stator.

Fig. 2.36 Micromotor rotativ electrostatic

1.2.3. Microintrerupatoare electrostatic
In fig.2.37 se prezinta schema de principiu si o imagine a a unui microintrerupator
electrostatic iar in fig. 2.38 este prezentatatehnologia de fabricatie.

Fig. 2.37

Fig. 2.38

1.2.4. Microactuator electrostatic cu frecare

Fig2.38
Conform schemei din fig. 17 sub actiunea campului electrostatic electrodul mobil este atras spre
electrodul fix si, ca urmare a deformatiilor elastice si a frecarii, apare o microdeplasare x a
electrodului mobil.Operatia se repeta rezultand in final o deplasare sacadata cu pasul x a electrodului
mobil Fig. 17

1.2.5. Valve micro -pneumatice (FhG -IFT).
Sunt valve miniaturizate din polisiliciu ce au actionare electrostatica, utilizate in ventilatia
aerului. În fig. 2.39 este prezentata o solutie constructiva realizata de Fraunhofer IFT – Germania.
Functionarea se bazeaza pe deformatia elastica a diafragmei sub actiunea fortei electrostatice si
deschiderea ventilului de intrare a fluidului in microcamera.Schimbarea polaritatii la electrozi
conduce la indeparta rea membranei si crearea unei presiuni in microcamera, cu
deschiderea ventilului de iesire.

Fig. 2.39

In fig. 2.40 se prezinta un microventil de gaz actionat electrostatic si realizat de
firma Honeywell Inc.

Fig.2.40

1.2.6 Microsisteme cu oglinzi mobile (Spatial Light Modul ator – SLM)

Fig. 2.41
In fig. 2.41 este prezentat un sistem Spatial Light Modulator, in care microplacutele cu rol de
oglinzi sunt articulate elastic astfel incat se pot inclina cu un anumit unghi, functie de fortele
electrostatice care se de zvolta.In functie de polaritatea realizata placutele sunt pot fi orientate
diferentiat, reflectand razele luminoase (laser) in directii prestabilite, ca in fig. 2.42.

Fig. 2.42
2. Microactuatori termici.
Se bazeaza pe expansiunea termica liniara / expansiunea volumului sau schimbarea de faza.
Actuatorii termici bimorfi utilizeaza diferentele dintre coeficientii de dilatare termica a materialelor
din care sunt realizati.
2.1. Microactuatori tip Cilia
Sunt de tip bimorf, realizati in sisteme de cate 4 lamele de forma celei prezentate in fig.2.43 -a.
Fiecare lamela este compusadin doua straturi de poliamida cu coeficienti diferiti de dilatare termica (

Low – CTE polymide si High – CTE Polymide).Cele do uastraturi sunt depuse pe o
placuta electrostatica din aluminiu si o microrezistenta electrica TiW, fig. 2.43 -b.

a) b)
Fig. 2.43
Actionarea celor 4 lamele asezate ortogonal se face atat prin efect electrostatic cat si prin efect
termic – prin incalzirea microrezistentei electrice cele doua straturi de poliamida se dilata diferentiat,
rezultand modificarea pozitiei lamelelor.
Constructiv exista mai multe structuri cu cate 4 lamele ca in fig. 2.44 si 2.45.Modificarea
controlata a pachetelor de 4 placute ( notate simbolic N,E,W,S sau n, e, w,s dupa cum sunt ridicate
sau culcate) permite deplasarea unei micropiese in divers e directii.Astfel, in fig.23 este prezentata
schema de miscare a lamelelor pentru o deplasare de la stanga la dreapta.Initial placutele sunt de
tip news ( adica, toate sunt culcate).In faza a II -a se ridica doar placutele din directia vest si se
obtine co nfiguratia neWs cu deplasarea spre dreapta.Urmeaza ridicarea lamelelor din
dreapta: nEWs, coborarea lamelelor din stanga :nEws si in final, coborarea lamelelor din
dreapta news, cu o noua deplasare spre dreapta.

Fig. 2.44

Fig. 2.45
In fig. 2.45 sunt prezentate cele 4 faze pentru o deplasare in diagonala : news, neWS, NEWS,
News.
2.2 Microactuatori care se bazeaza pe schimbarea de faza
Sunt cei mai raspanditi si sunt actuatorii bazati pe aliaje cu memora formei ce utilizeaza aliaje
care-si pot modifica dimensiunile prin tranzitia materialului de la o forma a unei faze cristaline la
alta. Aliaje cu aceste proprietati sunt : Ni/Ti, Au/Cu, In/Ti.
In fig. 2.46 este prezentat un microactuator cu memoria formei.La tr ecerea curentului prin
lamelele realizate din aliaje cu memoria formei, ca urmare a cresterii temperaturii in lamele apar
tensiuni care le deformeaza intr -opozitie prestabilita initial.

Fig. 2.46
Solutia constructiva a acestor m icroactuatori cu memoria formei este prezentata in fig. 2.47, aliajul
utilizat fiind NiTi, depus pe strat de siliciu policristalin.

Fig. 2.4
3. Microactuatori piezoelectrici
Efectul piezoelectric este folosit in dispozitivele pentru generarea semnalelor de forta.Daca o
tensiune este aplicata asupra unui film de material piezoelectric se genereaza o forta .In fig. 2.48 se
prezinta schematic principiul de functionare a unui microactuator piezoelectric.În figura 2.48a, un
strat al materialului piezoelectric se depune pe o membrana elastica.Aplicand tensiune electrica pe
stratul piezoelectric, se dezvolta o forta care deformeaza membrana elastica.

Fig. 2.48 Actuator piezoelectric.
a) material piezoelectric depus pe o lamela elast ica ;
b) indoirea filmului pizoelectric ca urmare a tensiunii aplicate ;
c) membrana de siliciu ;
d) deformarea membranei de siliciu
Membrane cu strat de material piezoelectric stau la baza realizarii unor microvalve ce
sunt folosite pentru a pompa fluide in sisteme microfluidice:
Micro -Pompa piezoelectrica (FhG -IFT) realizata la Institutul Festkoerpertechnik (IFT) din Munich,
fig.28. O piesa din material piezoelectric este atasata membranei fine de siliciu ce constituie
mecanismul de actionare a pompei.Debitul micropompei poate fi ajustat de frecventa is amplitudinea
tensiunii aplicate stratului de material piezoelectric.

a) b)
Fig.2.49 (a) Micropompa piezoelectrica (Sursa: FhG -IFT). (b) Principiu de functionare: o piesa d in
material piezoelectric ce actioneaza asupra diafragmei pompei de silicon
Micropompa este folosita pentru diferite lichide (pe baza de apa, organice) si gaze.Are o mare
aplicabilitate in domeniul medical in special la dozarea medicamentelor din singe.Pro totipul are o
dimensiune de 7 mm x 7 mm x 1 mm is poate pompa mai bine de 1 ml/min de lichid sau 3 ml/min de
gaz.
4. Microactuatori hidraulici
Microactuatorii hidraulici sunt micromotoare actionate hidraulic au capacitatea de a genera o putere
destul de mare din exterior in interiorul tuburilor cu dimetre mici.Acesti actuatori hidraulici sunt
folositi in cazul cateterelor microchirurgicale, fig. 2.50

Fig 2.50.Microactuator hydraulic

FORTE DE SUPRAFATA ÎN MICROSISTEME MECATRONICE
In microsisteme, dimensiunile sunt de ordinul de marime 10-9 – 10-3 m, masele elementelor
sunt de ordinul 10-6 – 10-3grame iar fortele sunt de ordinul a 10-6 – 10-3 N.Uzura este practic nula in
aceste microsisteme iar procesele de frecare si de ung ere prezinta legi cu totul diferite ca cele din
domeniul macrosistemelor.
Daca in macrosisteme fortele de suprafata dominante sunt cele date de frecarea (uscata, limita
sau mixta) sau de frecarea fluida din straturile de lubrifiant, in cazul mi crostemelor, prezinta
importanta numeroase forte de interactiune la scara atomica, neglijate in macrosisteme: forte de
adeziune ; forte capilare; forte electrostatice, forte de dispersie ca urmare a electronilor
fluctuanti ; forte Van der Waals ; forte elec tromagnetice.

Forte de adeziune
Doua elemente aflate in contact direct se atrag reciproc, contactul fiind o stare de energie
minima.Pentru desfacerea contactului este necesara o forta numita forta de adeziune.
Se poate demonstra ca raportul dintre forta de adeziune si forta de greutate a unei sfere de raza R pe
o suprafata plana este proportionala cu 1/R2. Prin urmare, intre o sfera de 100 microni si una de 1
micron, raportul fortelor de adeziune creste de 10 000 de ori.
Fortele de adeziune pot fi pe directie normala la suprafetele aflate in contact atunci cand cand
suprafetele se indeparteaza sau pot fi pe directie tangentiala atunci cand suprafetele sunt in miscare
de alunecare.