Elemento micromecánico magnetostrictivo resistente a la corrosión.

Se describe un elemento micromecánico magnetostrictivo (1) resistente a la corrosión para microactuadores y microscopía de fuerzas atómicas en modos dinámicos y funcionamiento compatible con medios corrosivos, comprendiendo dicho elemento micromecánico magnetostrictivo (1) una pieza (2) de un material no magnetostrictivo recubierta, al menos por una primera cara, por al menos (3) de material magnetostrictivo resistente a la corrosión en medios líquidos, de manera que un campo magnético paralelo al plano de la lámina (3) magnetostrictiva provoca la deformación del elemento micromecánico magnetostrictivo (1)

Elemento micromecánico magnetostrictivo resistente a la corrosión.

Objeto de la invención

El objeto principal de la presente invención es un elemento micromecánico magnetostrictivo resistente a la corrosión para microactuadores y microscopía de fuerzas atómicas en modo dinámico y funcionamiento compatible con medios corrosivos.

Antecedentes de la invención

El uso de materiales "inteligentes", como por ejemplo, materiales magnetostrictivos, piezoeléctricos, etc..., que convierten directamente una señal eléctrica en una deformación mecánica presenta un enorme interés para su uso en dispositivos micro-nano-electro-mecánicos (NEMS/MEMS). Estos dispositivos pueden ser micro-actuadores en forma de palanca, puente o membranas para micro-válvulas, deflectores de fluidos, micro-espejos, micro-motores, micro-bombas, micro-interruptores, etc... Las láminas delgadas magnetostrictivas tienen importantes ventajas ya que pueden actuar a altas frecuencias, se obtienen altas deformaciones con una bajo campo magnético aplicado, se pueden fabricar a bajas temperaturas en lámina delgada y se pueden accionar a distancia. El artículo (Sensors and Actuators, 81(2000)275-280) es una excelente revisión de los actuadores magnetoestrictivos aplicados a microsistemas.

Una de las aplicaciones principales de los elementos micromecánicos son los microscopios de fuerzas atómicas (AFM, de sus siglas en inglés Atomic Force Microscope) esenciales en el desarrollo de la nanotecnología para la caracterización y visualización de muestras a dimensiones nanométricas (1x10^-9 m = 1 nm). Un AFM es un instrumento mecánico-óptico capaz de detectar fuerzas del orden de los piconewtons. El elemento más importante de estos microscopios lo constituye una micro-palanca generalmente fabricada en silicio o nitruro de silicio en una de cuyas caras se fabrica una punta extraordinariamente afilada de forma normalmente piramidal o cónica. Al ser desplazada esta punta sobre una superficie, la flexión de la micro-palanca se detecta por medio de un sistema óptico generando una imagen topográfica de la misma.

Un microscopio de AFM tiene fundamentalmente dos modos de operación: estático y dinámico.

En el modo estático, la superficie de la muestra es barrida por la punta en el plano (X-Y). Durante el barrido, las distintas fuerzas que interactúan entre los átomos de la punta y los átomos en la superficie de la muestra provocan una flexión de la micro-palanca. Esta flexión se mantiene constante mediante un lazo de retroalimentación electrónica sobre un actuador piezoeléctrico. Representando la señal de retroalimentación frente a la posición sobre la muestra (X,Y) es posible trazar un mapa topográfico de la misma Z=Z(X,Y).

En el modo dinámico de funcionamiento, el más utilizado para microscopía de fuerzas en materiales blandos o fácilmente deformables como son en general los medios biológicos, la micro-palanca se hace oscilar a unos pocos nanómetros de distancia (Z) de la muestra. A lo largo de un barrido sobre la superficie, esta amplitud de oscilación u otro parámetro significativo como, por ejemplo, la frecuencia, se mantiene constante mediante un lazo de retroalimentación electrónica.

El AFM dinámico también puede ser utilizado para obtener mapas de fuerza. Estas medidas son útiles en estudios de fuerzas de adhesión y permiten estudiar a nivel de una sola molécula interacciones específicas entre moléculas (ej: interacción antígeno-anticuerpo, interacción entre hebras complementarias de ADN) o interacciones estructurales de las biomoléculas (plegado de proteínas) así como caracterizar la elasticidad de polímeros. También es útil en estudios de indentación de materiales blandos (polímeros) que permitan caracterizar propiedades elásticas o viscoelásticas de la muestra.

En la actualidad existen muchas variantes de estos métodos dinámicos. En todos ellos es fundamental el control de los modos de oscilación de la micro-palanca.

Generalmente, en el modo dinámico se emplea un actuador piezoeléctrico fijado a la base de la micro-palanca, si funciona en aire, o a una celda si funciona en medios líquidos. Un inconveniente presente en el segundo caso es que la oscilación del actuador piezoeléctrico provoca el acoplo de otras partes del microscopio con la micro-palanca. Ello es especialmente problemático cuando se trabaja con muestras biológicas porque el medio viscoso en que éstas se encuentran amortigua fuertemente la oscilación de la micro-palanca y al ser necesario aumentar la amplitud de vibración del actuador piezoeléctrico excitador se generan resonancias y modos de vibración espúreos que complican el espectro de frecuencias de resonancia de la micro-palanca.

Para superar estos inconvenientes, se necesitan métodos alternativos para generar la oscilación de la micro-palanca sin provocar acoplos con el resto del microscopio. Por ejemplo, un campo magnético alterno generado externamente puede actuar sobre un elemento magnético adherido a la micro-palanca sin producir ninguna perturbación o acoplo mecánico sobre los materiales no magnéticos de la celda líquida. El campo actúa sobre el momento magnético del elemento adherido a la micro-palanca produciendo un par de torsión o una fuerza magnetostática. El elemento magnético puede ser una pequeña pieza de material imanado o una lámina delgada magnética depositada sobre la micro-palanca.

El depósito de láminas delgadas sobre un elemento micro-mecánico cualquiera implica en general la aparición de tensiones mecánicas que generan una curvatura no deseada del mismo. En el caso de una micro-palanca, esta curvatura interfiere negativamente con el sistema óptico de detección de su flexión. Estas tensiones pueden compensarse si el recubrimiento acumulara tensiones idénticas sobre ambos lados del elemento micro-mecánico o, en el caso del AFM, la micro-palanca.

La patente US 5,513,518 describe una micro-palanca recubierta de una lámina delgada de material magnético, bien sobre una cara o bien sobre las dos. La micro-palanca está sometida a un campo magnético alterno que genera un par de torsión o fuerzas magnetostáticas que provocan su oscilación.

La patente US 5,866,805 describe una micro-palanca para un microscopio de fuerzas atómicas recubierta con una lámina de material magnético por una cara y un material no magnético por la otra, seleccionándose los materiales y los espesores de las láminas de manera que se compensen las tensiones a ambos lados de la micro-palanca y se evite su deformación.

Ambos antecedentes presentan algunos importantes inconvenientes. En primer lugar, el recubrimiento de la lámina inferior conlleva una pérdida de resolución al aumentar el radio efectivo de la punta afilada. En segundo lugar, los materiales de los recubrimientos de las micro-palancas pueden contaminar el medio biológico en el que están inmersas, o bien sufrir procesos de corrosión. Así, la mayoría de los recubrimientos magnéticos empleados hasta el momento en micro-actuadores sufren una rápida degradación por corrosión en los medios líquidos biológicos habituales. Además, el elevado valor del campo magnético alterno necesario para generar fuerzas de deflexión perpendiculares a la micro-palanca requiere una alta intensidad de corriente en las bobinas generadoras del campo magnético aplicado, colocadas generalmente sobre el actuador piezoeléctrico de barrido situado bajo la muestra, lo que puede provocar calentamientos y derivas indeseadas en la muestra.

Descripción de la invención

La presente invención aprovecha el efecto de magnetostricción de algunos materiales magnéticos resistentes a la corrosión en el diseño de un nuevo elemento micro-mecánico magnetostrictivo adecuado para funcionar en medios corrosivos. Este elemento micromecánico puede ser una micropalanca para un microscopio de fuerzas atómicas o cualquier tipo de actuador en MEMS/NEMS.

La magnetostricción es la propiedad de determinados materiales magnéticos de deformarse en presencia de un campo magnético. Así, si se recubre una pieza de un material no magnetostrictivo con una lámina de material magnetostrictivo y se somete a un campo magnético alterno en el plano de la lámina delgada, el conjunto sufre una deformación. El funcionamiento es parecido al de un interruptor bimetálico. La lámina magnetostrictiva se dilata o contrae, mientras que la pieza no magnetostrictiva mantiene su longitud, provocándose la deformación del conjunto a la frecuencia, o a un múltiplo...

1. Elemento micromecánico magnetostrictivo (1), caracterizado porque comprende una pieza (2) de un material no magnetostrictivo recubierta, al menos por una cara, por al menos una lámina (3) de material magnetostrictivo, de manera que un campo magnético paralelo al plano de la lámina (3) de material magnetostrictivo provoca la deformación del elemento micromecánico magnetostrictivo (1).

2. Elemento micromecánico magnetostrictivo (1) de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la lámina (3) de material magnetostrictivo es una aleación amorfa de hierro, boro y nitrógeno resistente a la corrosión en medios líquidos.

3. Elemento micromecánico magnetostrictivo (1) de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque la aleación comprende un porcentaje de boro de entre el 10% y el 40%.

4. Elemento micromecánico magnetostrictivo (1) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 2 ó 3, caracterizado por que la aleación comprende un porcentaje de nitrógeno de entre el 5% y el 20%.

5. Elemento micromecánico magnetostrictivo (1) de acuerdo con la reivindicación 4, caracterizado porque la aleación comprende un porcentaje de nitrógeno de entre el 7% y el 9%.

6. Elemento micromecánico magnetostrictivo (1) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque una cara de la pieza (2) de material no magnetostrictivo comprende una punta afilada, de modo que es adecuado para su uso como micropalanca de un microscopio de fuerzas atómicas (100).

7. Elemento micromecánico magnetostrictivo (1) de acuerdo con la reivindicación 6, caracterizado porque tiene una curvatura inferior al 5%.

8. Elemento micromecánico magnetostrictivo (1) de acuerdo con la reivindicación 7, caracterizado porque tiene una curvatura inferior al 1%.