Sensor de fuerza de MEMS capacitivo de orden inferior a milinewton para someter a ensayo mecánico en un microscopio.

Sensor de fuerza de MEMS capacitivo de un solo eje para detección de fuerza de orden inferior a Milinewton que comprende:

- una sonda (2) de sensor con una punta (1) de sonda sobre la que se aplica la fuerza,

- al menos un accionamiento de peine para la medición (6) capacitiva y

- un sustrato (7)

caracterizado porque

la sonda (2) de sensor con la punta (1) de sonda está sobresaliendo (px, py) por encima del sustrato (7) de sensor en dos lados adyacentes de los bordes (8, 9) de sustrato.

Sensor de fuerza de MEMS capacitivo de orden inferior a milinewton para someter a ensayo mecánico en un microscopio.

La presente invención se refiere a un sensor de fuerza micrométrica capacitivo según la reivindicación 1.

Antecedentes Existen múltiples métodos para medir la fuerza desde el orden de nanonewton (10-9 N) hasta milinewton (10-3 N) tal como microscopios de fuerza atómica, microbalanzas, voladizos piezorresistivos y sensores de fuerza capacitivos. Estos sistemas se han usado satisfactoriamente en diferentes campos de aplicación incluyendo ciencia de materiales, desarrollo de micro-sistemas, nanotecnología, investigación biológica, investigación médica, caracterización de película fina y control de calidad de sistemas miniaturizados. El uso de estos sensores en combinación con un dispositivo de colocación preciso tal como un micromanipulador, permite construir sistemas de ensayos de compresión y tracción para someter a ensayo mecánico en la microbalanza.

La capacitancia es una medida de la carga eléctrica entre dos conductores separados por un espacio de aire. Una carga aplicada al sensor produce una desviación. Puesto que los conductores se mueven acercándose o alejándose entre sí, el espacio de aire cambia, y por tanto también la capacitancia. El principio de detección de fuerza micrométrica capacitiva es sencillo y efectivo y presenta una sensibilidad excelente. La tecnología de fabricación de MEMS permite la fabricación eficaz de tales sensores [1]. Debido a la estructura de silicio monocristalina del sensor, los resultados son altamente repetibles y es menos probable que los sensores se degraden a lo largo del tiempo. Los diseños del sensor de fuerza de MEMS capacitivo se detallan en [1-3] y se proporcionan como un producto comercial [4].

Problemas que han de resolverse La mayoría de los ensayos mecánicos (ensayos de compresión, ensayos de tracción, ensayos de flexión, ensayos de corte transversal) de muestras en la escala de tamaño de orden inferior a mm se realizan bajo observación con un microscopio óptico o un microscopio electrónico de barrido tal como se muestra en la figura 4a. Los sensores de MEMS capacitivos han demostrado su idoneidad para metrología a pequeña escala y su diseño se describe en [1, 2]. Sin embargo, existen los problemas siguientes con los sensores 18 de fuerza de la técnica anterior:

a) Los sensores 18 de la técnica anterior no pueden usarse para ensayos mecánicos en el plano (dirección a y b) de la muestra 14. El motivo es que cuando se alinea la dirección 22 de detección horizontalmente (plano a-b) , los sensores 18 de la técnica anterior tocarán el portamuestras 13, haciendo que la medición sea imposible. El punto 16 de contacto se muestra en la figura 4a.

b) Los sensores 18 de la técnica anterior no pueden usarse para ensayos verticales (dirección c) de la muestra 14. El motivo es que cuando se alinea la dirección 22 de detección verticalmente (dirección c) , los sensores 18 de la técnica anterior tocarán la lente 12 del microscopio, haciendo que la medición sea imposible. El punto 16 de contacto se muestra en la figura 4a.

c) Los sensores de la técnica anterior pueden usarse en combinación con un estereomicroscopio de largo alcance. Sin embargo, la alineación del sensor 18 de la técnica anterior en relación con la muestra 14 es difícil, puesto que el sensor cubrirá gran parte del campo de visión del microscopio. No es posible una observación de la muestra 14 durante la medición. Al cubrirse la línea 15 de visión se impide la observación de la muestra 14 durante los ensayos. Sin embargo, la información visual durante el ensayo es de gran importancia para observar procesos físicos tales como propagación de grietas, viscoelasticidad, fallo en la estructura o deformación plástica.

d) Es posible realizar mediciones usando sensores 18 de fuerza existentes con un ángulo ß sin tocar la lente 12 del microscopio ni el portamuestras 13 tal como se muestra en la figura 4a) . Sin embargo, los datos de medición son difíciles de interpretar puesto que no pueden medirse las componentes de fuerza en la dirección a, b y c de manera directa e independiente.

Técnica anterior Los documentos [1, 2] describen un diseño de sensor capacitivo basado en accionamiento de peine que presenta una sonda de sensor que está sobresaliendo por encima del sustrato en un lado. La dirección en la que el sensor 18 de la técnica anterior es sensible es paralela a la sonda de sensor tal como se muestra en la figura 4a) . Este diseño es adecuado para los ensayos mecánicos de una muestra 14 bajo la lente 12 del microscopio con un ángulo ß. Sin embargo, las mediciones en la dirección horizontal (plano a-b) o vertical (eje c) a menudo no son posibles debido a la forma del sustrato y a la geometría del chip de sensor. Para algunas aplicaciones se usan sensores de fuerza de

múltiples ejes capacitivos según [3, 7] para tener una flexibilidad superior y descomponer los vectores de fuerza en las componentes de eje a, b y c. Sin embargo, los sensores de fuerza de múltiples ejes son difíciles de calibrar en el orden inferior a Milinewton y por tanto son muy caros.

Los diseños de sensores de la técnica anterior descritos en [1]-[9] no presentan una sonda (2) que está sobresaliendo por encima del sustrato (7) en dos lados (8, 9) , limitando el número de aplicaciones para las que puede usarse el sensor debido a las limitaciones geométricas.

Montar simplemente los chip de sensor de MEMS de la técnica anterior girados de manera que la sonda 2 de sensor esté sobresaliendo por encima del sustrato 7 en un lado no resuelve el problema puesto que el sustrato 7 y todo el chip de sensor de MEMS están dentro de la línea 15 de visión y por tanto están bloqueando una gran parte de la visión al microscopio. Además, esta configuración no es adecuada puesto que el sustrato toca la lente 12 del microscopio haciendo que la medición sea imposible.

Descripción detallada Para una comprensión más completa de la presente descripción, y las ventajas de la misma, a continuación se hace referencia a las siguientes descripciones tomadas conjuntamente con los dibujos adjuntos, en los que:

la figura 1 representa un sensor de MEMS capacitivo en una vista esquemática;

la figura 2a representa un sensor de la técnica anterior por Sun Yu et al.;

la figura 2b representa un sensor de MEMS capacitivo con algunas indicaciones geométricas;

la figura 3 representa la composición eléctrica y mecánica del sensor;

la figura 4a representa los ensayos mecánicos usando sensores de la técnica anterior;

la figura 4b representa los ensayos mecánicos usando el diseño de sensor según la invención;

la figura 5a representa un sensor de la técnica anterior;

la figura 5b representa una realización de la invención;

la figura 5c representa una realización alternativa de la invención.

La figura 1 muestra una vista esquemática del diseño de sensor de fuerza. La figura 3 muestra la composición eléctrica y mecánica. El principio de funcionamiento básico es el siguiente: Se aplica una fuerza a la sonda 2 en la punta 1 de sonda de sensor. La fuerza se transmite por la sonda 2 de sensor hacia el cuerpo 3 móvil del sensor. El cuerpo 3 móvil está suspendido elásticamente por cuatro elementos 4 de flexión plegados, que transducen la fuerza en una desviación dx. Esta desviación dx se mide mediante una disposición de electrodos de condensador, denominada accionamiento 6 de peine capacitivo. Puede usarse una configuración de dos accionamientos 6 de peines para realizar mediciones diferenciales. La fuerza de restauración Fr para el diseño de elemento de flexión plegado viene dada por

** (Ver fórmula) **

donde ls es la longitud de los elementos de flexión del sensor, E es el módulo de Young del silicio, t es el grosor de los elementos de flexión, w es la anchura de los elementos de flexión del sensor y dx es la desviación. La capacitancia eléctrica C1 y C2 del accionamiento de peine formada entre el electrodo 24 común móvil y el electrodo 25 no móvil viene dada por

** (Ver fórmula) **

donde n es el número de dedos del accionamiento de peine, lc es la longitud de los dedos del accionamiento de 5

peine, d1 es el pequeño espacio de los electrodos de condensador y d2 es la separación entre un par de electrodos de condensador. La desviación dx cambia las capacitancias a

** (Ver fórmula) **

El cambio en la capacitancia se convierte en una tensión de salida por los componentes electrónicos de lectura. Los componentes electrónicos de lectura con el IC 11 de interfaz se ubican... [Seguir leyendo]

1. Sensor de fuerza de MEMS capacitivo de un solo eje para detección de fuerza de orden inferior a Milinewton que comprende: -una sonda (2) de sensor con una punta (1) de sonda sobre la que se aplica la fuerza.

5. al menos un accionamiento de peine para la medición (6) capacitiva y -un sustrato (7)

caracterizado porque la sonda (2) de sensor con la punta (1) de sonda está sobresaliendo (px, py) por encima del sustrato (7) de sensor en dos lados adyacentes de los bordes (8, 9) de sustrato.

2. Sensor de fuerza de MEMS capacitivo según la reivindicación 1, en el que dicho sensor tiene los dos electrodos

(25) de condensador no móviles ubicados uno junto al otro, formando un accionamiento de peine diferencial en combinación con el electrodo (24) común móvil.

3. Sensor de fuerza de MEMS capacitivo según una de las reivindicaciones 1 a 2, en el que un circuito (11) integrado de interfaz capacitivo está ubicado directamente sobre dicho sustrato (7) .

4. Sensor de fuerza de MEMS capacitivo según una de las reivindicaciones 1 a 3, en el que dicho sensor está montado sobre un micromanipulador de manera que puede ajustarse la orientación de los sensores en el espacio.