Progresos a través de la mecánica1
A continuación presentamos un reciente ensayo – cuyo autor2 es un estudiante de posgrado del prestigioso Instituto Tecnológico de California, Pasadena, EE.UU. – el cual marca la interdisciplinariedad, las fronteras actuales y las tendencias futuras en algunos campos de la Mecánica. UTecNoticias agradece al Presidente de la Fundación Robert M. Haythornthwite su autorización para la traducción3 y reproducción.
El advenimiento de la era de la microelectrónica avanzada hace dos décadas atrás, marcó el comienzo de una nueva era de la información y las comunicaciones. Se están desarrollando tecnologías multidisciplinarias con el objeto de satisfacer requerimientos cada vez más complejos. En particular, la experiencia en mecánica está siendo transferida, modificada y mejorada a fin de orientar nuevos desafíos. Las tecnologías de la información juegan hoy un rol de liderazgo, y el hardware necesario sigue siendo de naturaleza predominantemente mecánica. Los dispositivos CD-ROM y DVD-ROM y los discos duros integran componentes mecánicos, electrónicos, magnéticos y ópticos, los que deben ser necesariamente ultra pequeños y livianos, a la vez que confiables y robustos.
A raíz de la significación de estas aplicaciones y del nivel de madurez de la microelectrónica, la investigación ha estado orientada en la última década al “mundo pequeño”, es decir, a las nuevas micro y nano tecnologías. El progreso paralelo de la mecánica y la electrónica ha creado una nueva tecnología, incorporando mecánica y electrónica bajo el nombre de Sistemas Micro Electro Mecánicos (MEMS – sigla inglesa) la que se está convirtiendo rápidamente en una de las tecnologías más promisorias, con un potencial aparentemente ilimitado para dominar los desarrollos tecnológicos futuros. Se estima que el mercado mundial para los MEMS se expandirá de 14 mil millones de dólares en el 2000 a 38 mil millones para el 2002 (Fuente: Nexus Task Force). La Mecánica jugará un rol de liderazgo en el desarrollo de nuevas aplicaciones de MEMS, incluyendo artefactos que realizan ya sea funciones básicas, tales como acelerómetros de airbag y micro interruptores de radio frecuencia para comunicaciones inalámbricas o tareas avanzadas, tales como micro giróscopos, visores digitales de micro espejo y pico satélites.
Estos nuevos sistemas con micro actuadores, micro sensores, y artefactos de control incrustados desarrollados para guía, navegación, control de movimiento y visualización de flujo de alta resolución pueden proveer evidencia experimental sobre fenómenos de pequeña escala y así verificar principios fundamentales en el microcosmos. Las aplicaciones en micro fluidica contribuyen al suministro eficiente de drogas mientras que los BIOMEMS están ganando incesantemente el interés de la comunidad de ingenieros y científicos. Con la producción masiva de MEMS que consumen mínima energía y son fabricados con poca basura química, aparecerán métodos rentables. Los nuevos productos MEMS incorporarán materiales inteligentes avanzados piezoeléctricos, ferroeléctricos o magnetoestrictivos con funciones y aplicaciones particulares. Permitirán que micro máquinas “inteligentes” funcionen con desempeños inigualables. En los casos en que la mecánica puede reemplazar a la electrónica, provee funcionalidad superior y no está sujeta a ruido electrónico no deseado. Por ejemplo, los componentes electrónicos clásicos de redes de fibra óptica están siendo reemplazados ahora por interruptores MEMS ópticos que permiten la creación de conjuntos de interruptores en miniatura de alta capacidad que jugarán un rol crítico en el desarrollo de interruptores ópticos de gran escala en redes de fibra óptica futuras.
A pesar que el diseño y operación de MEMS es un campo nuevo, tecnologías más novedosas aún han surgido en la forma de Sistemas Micro Opto Electro Mecánicos (MOEMS) y BIOMEMS. Están los posibles futuros NEMS (Sistemas Nano Electro Mecánicos) dado que la comunidad electrónica opera en la nanoescala para reproducir piezas con dimensiones en el orden de 150 nm. Los tecnólogos en fotónica están apuntando a 30 nm para la próxima década.
La producción masiva de MEMS con geometrías idénticas garantiza una funcionalidad consistente y una ejecución exacta de los estándares de diseño. Sin embargo, la confiabilidad de estos artefactos tiene que ser evaluada meticulosamente y este es un requerimiento vital para mayores mejoras y una adopción más general. Los micro motores de 1 MHz mostrados recientemente (Sandia National Labs) sugieren el potencial extraordinario de los MEMS, pero su corta vida indica una necesidad inmediata de un mejor entendimiento de los mecanismos reales que conducen a la falla. Deben desarrollarse técnicas experimentales para medir propiedades mecánicas y de materiales para abordar las preguntas críticas y fundamentales de comportamiento constitutivo y de fractura en micro escalas reales de MEMS. El ensayo de materiales y el análisis de tensiones son partes claves de este desarrollo y los métodos experimentales existentes deben ser perfeccionados o rediseñados completamente para armonizar con los desafíos y requerimientos del nuevo tamaño. Las herramientas necesarias para la visualización de las deformaciones en una escala pequeña ya están disponibles. Los microscopios de exploración electrónica son instrumentos capaces de alta resolución, mientras que el microscopio de fuerza atómica recientemente desarrollado provee potencia de resolución sin precedentes y una flexibilidad sin paralelos para operar en virtualmente cualquier medio a fin de facilitar las pruebas de materiales bajo una variedad de condiciones. La mecánica computacional y los métodos de elementos finitos han alcanzado el nivel de maduración necesario como para desarrollar nuevas capacidades de CAD y modelado para micro artefactos y nuevas y mejores técnicas de fabricación.
Estos nuevos desafíos deben ser satisfechos por un esfuerzo metodológico de la comunidad mecánica relacionada con los MEMS. El diseño de artefactos, la fabricación, la evaluación de los ensayos y de la confiabilidad deberían ser abordados en un esfuerzo coordinado que sopese por igual todos los aspectos del desarrollo de los MEMS antes mencionados. A la fecha, el sector manufacturero ha demostrado una actividad considerable para atraer la mayoría del soporte financiero y la atención de las comunidades académica e industrial. Hoy, el campo de la micro mecánica es impulsado por la aplicación, y la confiabilidad ha sido abordada sin un adecuado entendimiento de la mecánica. Sólo casos aislados han sido estudiados sin desarrollar las herramientas generales y los métodos apropiados para resolver la cuestión de la integridad mecánica. Aplicaciones novedosas e importantes requieren una evaluación de la confiabilidad basada en la mecánica. Antes de que pueda lograrse la introducción y perfeccionamiento de micro máquinas nuevas, la comunidad mecánica debe demostrar el adelanto necesario. Las tensiones residuales, los efectos de la concentración de tensiones en micro entalladuras y esquinas y las fallas por propagación de fisuras están llegando a ser crecientemente significativas, causando a menudo interrupciones temporarias en la investigación de nuevas micro estructuras. Las herramientas analíticas y experimentales requeridas están, en principio, disponibles en un nivel de desarrollo que hace factibles tales investigaciones. La comunidad de investigación en mecánica debe prestar atención cuidadosamente a las etapas tempranas del desarrollo de la micro tecnología y coordinar sus esfuerzos.
Hoy, muchos aspectos de la mecánica están siendo reinventados, aunque a escalas variables. El rápido desarrollo del campo de los MEMS iguala el progreso en microelectrónica de hace treinta años que condujo a los modernos microprocesadores de alta potencia y computadoras ultrarrápidas. Para desarrollar completamente los nuevos mundos de la microelectromecánica y de la nanotecnología, son esenciales un esfuerzo interdisciplinario coordinado y el apoyo continuado de la comunidad mecánica
N de la R: el siguiente gráfico4 ilustra sobre las escalas físicas en materiales y sistemas estructurales.
| Materiales | Estructuras | Infraestructura | ||
| Nivel nano (10 -9) Escala molecular | Nivel micro (10 -6) Micrones | Nivel meso (10 -3) Metros | Nivel macro (10 +0) | Nivel sistemas (10 +3) Hasta escala de Km. |
| Nanomecánica Auto-ensamblaje Nano-fabricación | Micromecánica Microestructuras Materiales inteligentes | Mesomecánica Estructuras interfaciales Compuestos | Vigas Columnas Placas | Sistemas de puentes Andariveles de salvamento Aeroplanos |
Los mems en Argentina
Convenio para diseño y tecnología de MEMS
Autoridades del IMEC, centro líder de investigación en microelectrónica de Europa, y del INTI sellaron un compromiso de trabajo conjunto, mediante la firma de un convenio de desarrollo tecnológico para diseño y tecnología de MEMS. Ese convenio da origen al Laboratorio de Microelectrónica del INTI – CITEI, que se convertirá en una unidad técnica de investigación y desarrollo orientada al diseño, fabricación en escala piloto, encapsulado y prueba de microsistemas y microsensores basados en tecnología CMOS.
Citas
1. Progress through Mechanics: The Era of Microelectromechanics and Nanotechnology. Original publicado en Mechanics, una publicación de la American Academy of Mechanics, Vol 29, N° 9-10, Sep/Oct 2000. Copyright ?2000 Robert M. and Mary Haythornthwite Foundation.
2. Sometido por Ioannis Chasiotis, Ganador del Premio Fundadores y Subsidio 2000-01 de la Fundación Robert M. and Mary Haythornthwite.
3. Traducción: Dr. Ing. Liberto Ercoli, Miembro American Academy of Mechanics y Acoustical Society of America
4. K.P. Chong and D.C. Davis, Engineering Mechanics and Materials Research in the Information Technology Age, Mechanics, III-VI, 1999.
