I. Estado del arte de los MOEMS

1.1 Perspectiva Histrica

La realizacin de dispositivos miniaturizados tiene motivaciones de ingeniera, cientficas y estticas. En el siglo XX, se dio un gran avance con la llegada de los dispositivos electrnicos que tienen un gran impacto en la actualidad. Dispositivos tales como el transistor de punto de contacto en 1974, el transistor de unin, los dispositivos electrnicos estuvieron basados en el tubo de vacio inventado en 1906. Con el transistor se dio un gran avance en la reduccin de dispositivos, requerimientos de potencia y portabilidad de los dispositivos electrnicos [31].

A mediados del siglo XX, se produjeron dispositivos electrnicos, conectando componentes individuales (tubos de vacio, interruptores, resistores y capacitores), los cuales tenan un consumo significante de potencia y eran de gran costo. La confiabilidad de estos dispositivos era muy pobre debido a la gran cantidad de componentes necesarios para su realizacin [31].

Despus de la dcada de los 50s, ocurrieron varios eventos clave, que motivaron el desarrollo de la electrnica ms all del transistor discreto. El desarrollo del transistor planar de silicio y el proceso de fabricacin planar de silicio marc la etapa para el equipamiento y desarrollo de los procesos de fabricacin para poder realizar dispositivos electrnicos monolticamente integrados en un sustrato de caractersticas de tamao pequeas. El desarrollo de esta tecnologa para circuitos integrados inicio la revolucin de la microelectrnica, la cual permiti la produccin de dispositivos micro-electrnicos con caractersticas cada vez ms y ms pequeas que continan hasta la fecha [31].

La tecnologa microelectrnica se desarrolla rpidamente. Gordon Moore en 1965 predijo el rpido crecimiento de la microelectrnica. El Silicio se ha aceptado como el material para la fabricacin de dispositivos micro-electrnicos debido a la habilidad para producir capas de dixido de Silicio estables de alta calidad, las cuales son esenciales para la fabricacin de transistores. El crecimiento del desarrollo de la microelectrnica se ha mantenido por varios aos [31], como se puede ver en la figura 1.1.

Figura 1.1 Ley de Moore [32].

En 1959, el Dr. Richard P. Feynman, presento una conferencia titulada Theres Plenty of room at the Bottom en el encuentro anual de la American Physical Society llevado a cabo en el instituto de tecnologa de california (Caltech). En esta conferencia, el Dr. Feynmann reto a los asistentes a explorar los dispositivos de ingeniera en la pequea escala. Esta conferencia se ubica como el inicio conceptual de los campos de los sistemas micro-electromecnicos (Micro Electromechanical Systems MEMS) y la nanotecnologa [31].

1.2 El Desarrollo de la tecnologa MEMS.

La tecnologa de los sistemas Microelectromecnicos MEMS (tambin conocidos como microsistemas tecnolgicos MST) ha sido influenciada por la revolucin de la micro-electrnica. Debido a las necesidades comerciales y tecnolgicas de finales del siglo XX. La tabla 1.1 muestra una cronologa de algunos eventos clave en el desarrollo de la tecnologa MEMS [31].

Ao

Evento

Compaia

1947

Computadora ENIAC

Universidad de Pennsylvania

1947

Invencin del transistor bipolar

1954

Efecto piezoresisitivo en el Germanio y el Silicio

1958

Primer medidor de tensin en silicio

Kulite Semiconductor

1959

Theres plenty of room a the bottom

1959

Transistor planar de Silicio

1959

Proceso de fabricacin planar para microelectrnica

1961

Se demuestra el sensor de presin de Silicio

Kulite Semiconductor

1965

Ley de Moore

1967

Transistor de compuerta resonante

1974

Primer sensor de presin de alto volumen

National Semiconductor

1977-1979

Cabezal de inyeccin de tinta micromaquinado

IBM, Hewlett Packard

1982

Publicacion El silicio como material mecnico

1982

Disponible el transductor de presin sangunea

Foxboro/ICT, Honeywell

1983

Proceso de micromaquinado superficial

1987

Se inventa el Digital Micro-mirror Device (DMD)

Hornbeck

1988

Elementos micro-mecnicos

1986

Proceso LIGA

1989

Actuador lateral comb drive

1991

Bisagra de polisilicio

1993

El acelermetro ADXL50 est comercialmente disponible

Analog Devices Inc.

1996

Digital Ligth Processor (DLP) basado en DMD

Texas Instruments

2002

Girscopo ADXRS

Analog Devices

Tabla 1.1. Cronologa de eventos clave en el desarrollo de MEMS y otros desarrollos contemporneos [31].

1.3 MEMS: PRESENTE Y FUTURO

Desde mediados de los 90s hasta la actualidad, se ha visto un nfasis en la investigacin de la tecnologa MEMS, desde el desarrollo de los procesos de fabricacin y la demostracin de sensores y actuadores prototipo para la comercializacin de productos MEMS. El impacto de la tecnologa MEMS es muy amplio, como se puede ver en la tabla 1.2.

Dispositivo

Uso

Sensor de presin

Automotriz, mdico, industrial

Acelerometro

Automotriz y sensor de movimiento industrial

Giroscopo

Automotriz y sensor de movimiento industrial

Display ptico

Proyectores y televisiones

Dispositivos RF

Interruptores, capacitores variables y filros

Robotica

Sensado, actuacin

Biologa y medicina

Anlisis qumico, secuencia DNA, dosificadores

Tabla 1.2 Aplicaciones de MEMS

Otro gran mercado de los MEMS es el mdico-biolgico. Por medio de la tecnologa MEMS se pueden realizar dispositivos comparables en tamao al material biolgico. Un ejemplo de un dispositivo MEMS es el chip secuenciador de DNA GeneChip desarrollado por Affimetrix Inc [31].

El rango de estos productos MEMS va desde sensores fsicos (presin, inercial), biolgicos, pticos y robticos hasta dispositivos de radiofrecuencia (RF-MEMS). En la actualidad, en la industria automotriz es un rea un la cual los MEMS tienen un gran impacto en la vida diaria. Por ejemplo utilizan acelermetros, girscopos, sensores de presin, sensores de condicin de aceite, sensor de velocidad de rueda.

Uno de los dispositivos de mayor aceptacin es el micro-acelermetro, el cual se utiliza en diversas reas. Estos se definen como sensores de aceleracin lineal a lo largo de un eje sensible. Dentro de la industria automotriz, puede ser parte de los sistemas de la activacin de las bolsas de aire, Los sistemas de suspensin activa y control de traccin, los sistemas de control de seguridad y alarma antirrobo [33].

Una clasificacin de los micro-acelermetros es de acuerdo a su principio de funcionamiento de la siguiente manera [33]:

Piezoresisitivos

Capacitivos

De corriente de efecto de tnel

Piezoelectricos

pticos

Trmicos

Resonantes

Las primeras seis clases, tienen su masa de prueba en reposo mientras no se experimente aceleracin, los micro-acelermetros resonantes continuamente estn en resonancia para detectar la aceleracin externa

Un micro-acelermetro innovador es el desarrollado por Ball-Laboratories, el cul utiliza una esfera en levitacin como masa ssmica. El voltaje aplicado para mantener la esfera en su posicin, es como se detecta la aceleracin mediante este dispositivo omnidireccional [33].

MOEMS

Los dispositivos MOEMS (Micro-Opto-Electro Mechanicals Systems), tambin han tenido una gran influencia en el desarrollo de la tecnologa de diversas reas.

Una de las ltimas investigaciones en el manejo de luz y dispositivos MEMS es la manipulacin de micro-fluidos por medio de luz en dispositivos opto-electrohumedos (OEW) en escala de nano-litros. Esta manipulacin, es totalmente ptica sobre una superficie fotosensitiva. Las acciones son llevadas a cabo comprimiendo las partculas del fluido entre dos superficies OEW. La iluminacin ptica sobre las superficies OEW cambia la humedad localmente de estas a travs de un mecanismo de electrohumedad. La iluminacin ptica activa inicialmente la superficie recubierta de tefln de hidrofobica a hidrofilica. Este proceso es reversible y puede ser controlado en tiempo real De esta manera se han alcanzado velocidades de manipulacin de 78 mm/s para volmenes de 100 nl. [34].

Otra manera de manipulacin de nanopartculas es a travs de electro-osmosis de AC activada por luz (LACE), el cual es llevado a cabo encerrando entre dos superficies fotoconductivas, un medio acuoso y un electrodo transparente de estao e indio. Aplicando una polarizacin elctrica de AC con una frecuencia cercana a la frecuencia de relajacin de la capa doble, Un electrodo virtual con luz enmascarada puede inducir un flujo electro-osmotico de ac para concentrar y transportar partculas nanoscopicas sobre la superficie fotoconductiva. Modulando con un modulador espacial de luz, tal como un micro-espejo digital con luz, se pueden crear 31000 vortices microfluidicos sobre un rea de 1.3 x 1 mm2 para atrapar masivamente en paralelo partculas de poliestireno de 200 y 50 nm [35].

Los Sistemas Micro-Electromecnicos (MEMS) es una tecnologa que ha tenido un progreso notable en aos recientes. En estos aos, han surgido varios productos comerciales, que mejoraron su desempeo gracias a la tecnologa de los MEMS. La aplicacin de este tipo de dispositivos en los sistemas pticos, ha dado pie a una nueva categora de estos dispositivos, llamados MOEMS (Micro-OptoElectromechanical Systems) o Sistemas Micro-Opto-Electro-Mecnicos.

Los Sistemas Micro-Electromecnicos (MEMS) son dispositivos que combinan componentes mecnicos y elctricos en una escala muy pequea. Los MEMS se construyen con la misma tecnologa de fabricacin secuencial utilizada para los circuitos integrados. En general los dispositivos MEMS tienen partes mviles, lo cual constituye la parte mecnica de los MEMS. Los dispositivos MEMS pueden ser categorizados en dos grupos: Sensores y Actuadores, aunque existan dispositivos con otras funciones, la mayora de los MEMS caen dentro de estos dos grupos. Algunos ejemplos de sensores son: sensores de presin, acelermetros, giroscopos y sensores qumicos. Los micromotores, microengranes, resonadores, microvalvulas y microespejos son ejemplos clsicos de actuadores. El tamao de estos dispositivos MEMS puede ser desde menos de 1 micrometro hasta 1 milimetro dependiendo de la naturaleza de su aplicacin.

La fabricacin de los MEMS tiene la ventaja de las tcnicas de fabricacin convencional de los circuitos integrados y tambin hace uso del micromaquinado de superficie [1-2], el micromaquinado de volumen [2], el grabado profundo de iones reactivos (DRIE) [2] y el proceso LIGA [2] (Lithographie, Galvanoformung, Abformung). Los MEMS cubren un amplio rango de investigaciones interdisciplinarias.

Tambin es posible que los dispositivos MEMS interacten con la luz [3]. Por las siguientes razones: Tienen dimensiones y distancias de actuacin comparables a las longitudes de onda de la luz. Pueden utilizarse los dielctricos de superficie lisa, semiconductores y metales en varias combinaciones; y como los fotones no tienen peso, los MEMS relativamente ms dbiles podran manipularlos.

Los MEMS pticos los cules tambin son llamados Sistemas Micro-Opto-Electro-Mecnicos, (MOEMS), son ahora una de las aplicaciones ms prometedoras de los MEMS. En los ltimos 6 aos, los MOEMS han sido investigados a tal punto que tienen sus propias conferencias [4-6]. Tambin por que las redes de comunicaciones pticas estn en constante expansin, los dispositivos MEMS con aplicaciones en comunicaciones pticas son ya aplicados en la actualidad.

1.4 Dispositivos

Algunos de los dispositivos MOEMS actuales con mayor xito en el mercado son el sistema de micro-espejos para pantallas de proyeccin de Texas Instruments, el cul es el dispositivo ptico MOEMS ms exitoso que se ha hecho y se comercializa ya con varios aparatos electrnicos de consumo, as como sensores de presin pticos y los interruptores de guas de onda que tienen un papel muy importante en la actualidad en los sistemas de comunicacin ptica especialmente en las redes pticas.

1.4.1 Display de Proyeccin MEMS

Uno de los dispositivos pticos MEMS ms exitoso que ha sido producido y comercializado es el display de proyeccin de Texas Instruments [7]. La aplicacin de este dispositivo es principalmente en los sistemas de proyeccin, sin embargo, la tecnologa utilizada para realizar este dispositivo ha sido habilitada por otros dispositivos de comunicacin ptica que toman ventaja de los microespejos mviles [2].

La figura 1.2 muestra un dispositivo DLP, el cual est basado en microespejos mviles de dos posiciones DMD, Esta chip es quiz el dispositivo ms sofisticado para conmutacin de luz, est compuesto de ms de 2 millones de microespejos, los cuales tienen una anchura de una quinta parte de un cabello humano[7].

Figura 1.2 Chip DLP , fabricado por Texas Instruments

Los Microespejos Digitales (Digital Micromirror Device, DMD), pueden ser utilizados en conferencias, salones de clase, teatros en casa y auditorios. Los sistemas anteriores de proyeccin, estaban basados en los tubos de rayos catdicos o en las pantallas de cristal lquido de matrices activas (LCD). Estos tubos y pantallas no pueden proveer una imagen de alta brillantez, Los sistemas LCD tienen demasiados problemas de contraste. Estas limitaciones han llevado a la generacin de nuevos dispositivos pticos MEMS que tienen la ventaja de fabricar millones de micro-espejos con el proceso de fabricacin secuencial CMOS.

La figura 1.3 muestra un arreglo de dos pixeles DMD. El dispositivo completo est compuesto de una matriz de 800 x 600 elementos como se ve en la figura 1.4. Los espejos son de aluminio de un rea de 16 m. Pueden reflejar la luz en dos diferentes direcciones. Estos espejos son manejados electrostticamente inclinados a 100. La figura 1.5 muestra la vista detallada de las diferentes capas del mdulo completo.

Figura 1.3. Dos espejos DMD inclinados +100 y -100.

Figura 1.4. SEM (Scanning Electron Microscopy) de la operacin del DMD. En la izquierda, los espejos estn inclinados -100 y en la derecha los espejos estn inclinados +100.

Figura 1.5: Dispositivo DMD de tres niveles fabricado sobre la SRAM. La capa superior es el espejo de Aluminio. La capa de en medio es el balancn (yoke) y las bisagras (hinges) que soportan el movimiento mecnico del espejo, la capa inferior es el metal-3 que habilita la conexin de la polarizacin elctrica y las partes de tierra (landing). La estructura SRAM no es mostrada en la figura.

La rotacin del espejo est limitada por los topes mecnicos a 100. Esto hace que el desplazamiento del espejo est limitado a 100, lo cual es impuesto por la geometra de la estructura y no por el voltaje de control u otros parmetros. La estructura MEMS completa es fabricada en la parte superior del sustrato de la memoria de acceso aleatorio RAM (Random Access Memory). Si la memoria est en un estado 1, el espejo rota +100 y si est en estado 0, rota a -100.

El tiempo de conmutacin ptica el cul est definido como el tiempo de llegada de los pulsos de luz al tiempo en que la luz entra en el lente de proyeccin, es de ~2 s. En contraste el tiempo para que el espejo se estabilice y se amarre electrostaticamente, es de ~ 10 s.[2]

En contraste al micro-maquinado de superficie convencional, la baja temperatura del proceso de fabricacin del DMD habilita la integracin de este dispositivo MEMS con la celda RAM CMOS. Las interconexiones del Aluminio, que no pueden tolerar las temperaturas arriba de 4500C son protegidas por este proceso de baja temperatura. En lugar de polisilicio, el cul requiere de una deposicin de alta temperatura, el Aluminio es usado como estructura mecnica. Para las capas de sacrificio, se utiliza fotoresist en lugar de Oxido de Silicio. La Figura 1.6 muestra el proceso de fabricacin de este dispositivo.

Figura 1.6: Flujo del proceso de la estructura del DMD. Para este dispositivo se ha desarrollado un proceso de micromaquinado superficial especial.[2]

La SRAM es primero fabricada utilizando una tecnologa de circuitos de 0.8 m con 2 capas de metalizacin. Un oxido grueso es depositado sobre el metal 2 de la RAM. El xido grueso es entonces planarizado por un pulido qumico-mecnico (CMP). El CMP es principalmente realizado para proporcionar la estructura del espejo con una superficie muy delgada y plana. Esto asegura que la relacin de la brillantez y el contraste del espejo sea uniforme en la matriz entera. Con el metal 3, despus se forman los electrodos de direccin del balancn y el bus de polarizacin/reset, las bisagras y el espejo. Todos los espacios son hechos por grabado sacrificial de las capas de fotoresist. La figura 1.6 ilustra los principales pasos del proceso. Los chips son empaquetados en diferentes tamaos de arreglos: SVGA (800600), XGA (1024768) y SXGA (10241024).

Los DMD son considerados dispositivos MEMS muy confiables. Estos dispositivos pueden tolerar 1500 g en pruebas de choques mecnicos, las pruebas de vibracin a 20g y las pruebas de aceleracin a 10 000g. El tiempo de vida de estos dispositivos excede las 100 000 horas.[7]

Otros dispositivos que tienen la misma funcin de la refraccin de la luz son los siguientes: Los conectores de cruce y los policromadores, pero estos no han tenido la misma aceptacin que el DMD.

La figura 1.7 muestra el esquemtico de un conector de cruce simple.

Figura 1.7: Esquemtico de un conector de cruce MOEM de Lucent Technologies. La luz incidente de las fibras son dirigidas a diferentes canales por el arreglo de micro-espejos en dos etapas.

Otro grupo de displays trabaja basado en la difraccin de la luz. Existen numerosas aplicaciones de este tipo. Un esquemtico de este tipo de dispositivo se muestra en la figura 1.8.

Figura 1.8. Otro tipo de display MEMS basado en la difraccin de la luz llamado policromador

Algunos de los dispositivos mas nuevos desarrollados recientemente, son los utilizado por el departamento de Defensa Investigacin y desarrollo de Toronto Canada (DRDC), El laboratorio de investigacin de fuerza area de Canada y L3 communications de Meza Arizona. el cul utiliza un sistema de proyeccin de alta resolucin [30] para resolver el problema de los simuladores de vuelo que no presentaban detalles crticos para los pilotos de reaccin inmediata. La solucin al problema, fue desarrollar un sistema de proyeccin que tuviera una resolucin de aproximadamente 20 Megapixeles. La figura 1.9 muestra una representacin de la situacin.

Figura 1.9 Simulador de vuelo del departamento de defensa canadiense[30] .

El dispositivo desarrollado se basa en un microespejo, en el cual su curvatura puede ser modificada por atraccin electrosttica. Mediante un sistema ptico apropiado, el microespejo muestra un pixel de luz, en el cual su intensidad es variable dependiendo de la curvatura del espejo y puede ser modulada a 300 kHz. La rpida repuesta en tiempo produce imgenes monocromticas cuando un arreglo lineal de estos microespejos se combina con un escner.

Otro dispositivo MOEMS de reciente desarrollo es un arreglo programable el cual fue desarrollado para aplicaciones espaciales, las cuales deben tener especificaciones de mnimo peso y un desempeo de uso de energa mas eficiente. Este arreglo programable es utilizado en un miniespectrometro IOSPEC de MPB Communications lo cual mejora las condiciones de desempeo de este y lo hace ms atractivo para las misiones espaciales. A este, se le aadi un arreglo de micro-obturadores programables lo cual permite ser utilizados en el modo de Transformada de Hadamard. Cada obturador incluye un elemento movil que tiene un gradiente de tensin generado durante su fabricacin. El radio de curvatura del elemento mvil est en funcin del valor del gradiente de tensin. El actuador tambin incluye un electrodo fabricado sobre el sustrato base. Cuando se aplica un voltaje entre el elemento mvil y el electrodo, la fuerza electrosttica resultante atrae al elemento al electrodo. En la prctica, el elemento mvil es entonces enroscado (zipped) y al mismo tiempo bloquea una ranura transparente sobre la superficie del sustrato. Dieciseis de estos actuadores forman un arreglo. La figura 1.10 muestra una secuencia de este tipo de arreglos.[30]

Figura 1.10 Arreglo de micro-obturadores desarrollados por INO para MPB Communications Inc. (Montreal) y La agencia espacial canadiense (Saint-Hubert) [30].

Un modulador de fase, fue desarrollado para el Laboratorio de Investigacin Naval de Washington D.C. por la empresa INO de Montreal Canada, como parte de los sistemas de formacin de perfiles de rayo laser pequeos y econmicos, ya que estos son comnmente pesados y voluminosos. Se desarrollo un arreglo en 2D de de microespejos que pueden ser activados igual que los pistones, con lo cual es posible modificar localmente la fase de una onda laser y modificar su perfil y propiedades de la propagacin. La empresa INO fabrico, empaqueto y caracterizo los espejos. Tambin desarrollo la electrnica de control y adecuo un software para su uso con el sistema [30]. La figura 1.11, muestra los microespejos desarrollados por INO.

Figura 1.11 Microespejos desarrollados por INO para el Laboratorio de Investigacin Naval de Washington D.C.

1.4.2. Sensores pticos de presin

Otro grupo de dispositivos MEMS pticos son los sensores pticos de presin. Estos dispositivos se basan en el cambio de la propiedad de la luz reflejada de una superficie micromaquinada (usualmente membrana). La existencia de este tipo de dispositivos es debido a la demanda de sistemas all-optic. Para eliminar la manipulacin elctrica de la seal, en estos sistemas slo se manejan seales pticas. Esto mejora el tiempo de respuesta de los sistemas de comunicacin por que su seal no es convertida del dominio ptico al dominio elctrico y pede transmitirse directamente a las fibras pticas.

Los sensores pticos de presin se dividen en dos principales grupos: a) Sensores pticos Fabry-Perot y b) sensores pticos de modo de polarizacin. Slo se tratan los primeros por ser los de mayor uso. Los sensores pticos de intensidad de modulacin son otro tipo que no son completamente desarrollados como dispositivos MEMS.

Sensores pticos Fabry-Perot

En la figura 1.12, se muestra un corte seccional de un sensor Fabry-Perot. Este dispositivo est compuesto de una membrana en la parte superior de la superficie fija. Pueden ser hechos de nitruro de silicio. El principio de funcionamiento del dispositivo se muestra en la figura 1.13.

Figura 1.12. Seccin transversal de un sensor ptico de presin tpico MEMS Fabry-Perot

Figura 1.13: La interferencia Fabry-Perot est basada en la condicin de difraccin de Braggs. En la figura, d es el espacio de aire entre la superficie fija y la membrana en la figura 1.11.

La presin aplicada causa la deflexin de la membrana, as la distancia d, entre las dos superficies cambia. tanto como 2d sen = n, las dos luces reflejadas harn una interferencia constructiva. Esta condicin es llamada Condicin de difraccin de Braggs. La seal reflejada entra a la fibra otra vez y es detectada en el otro extremo de la fibra.

La principal desventaja de este tipo de dispositivo es su lmite en el rango de presin. Es posible extender el rango de presin del dispositivo, usando mltiples longitudes de onda. Otra tcnica incluye el uso de luz de banda ancha y espejos dichroic para separar las longitudes de onda largas y cortas, y usando 2 longitudes de onda separadas y el segundo conjunto de filtros Fabry-Perot despus de los detectores para correlacionar las seales.

1.1.3. Dispositivos de guas de onda mviles

El multiplexado por divisin de longitudes de onda densa (DWDM) es ampliamente usado en los sistemas de comunicacin pticos. Esta multiplexado lleva mltiples longitudes de onda (tpicamente 960) en una sola fibra con una razn de bit de 2.5 a 10 Gb/seg. Todas las redes pticas deben ser rpidas flexibles y de comunicacin confiable. En los sistemas convencionales pticos, la seal ptica es convertida a una seal elctrica (para amplificacin y otras manipulaciones) y despus es convertida a una seal ptica otra vez. Este proceso es llamado conversin ptica-elctrica-ptica, el cul es muy costoso y lento. Los interruptores MEMS son candidatos para eliminar el dominio elctrico y construir todo el sistema ptico.

Los MOEMS ofrecen caractersticas intrnsecas particularmente atractivas que cumplen los requerimientos de muy bajo cross-talk, insensitividad a longitudes de onda y polarizacin y tambin a escalabilidad. Se ha vuelto cada vez ms necesario manejar el trfico de las capas pticas en crecimiento para satisfacer la creciente demanda de ancho de banda y velocidad. Para llegar a este objetivo, se necesitan componentes complementarios a los sistemas DWDM, tales como fuentes y filtros entonables, sistemas add-drop (DWDM + interruptores), interruptores pticos y matrices de conexin, atenuadores pticos variables, moduladores de reflexin y analizadores de espectros.

La figura 1.15 muestra una gua de onda plana tpica fabricada fuera del dioxido de silicio sobre sustrato de silicio. La figura 1.13 muestra el proceso de fabricacin del mismo dispositivo.

Figura 1.15: gua de onda planar tpica

Figura 1.14: Iniciando de la parte superior: 1. Dos capas de dixido de silcio (slice) son depositadas sobre el sustrato de silcio (PECVD). Cada capa tiene un ndice de refraccin ligeramente diferente. 2: Grabado de iones reactivo (RIE) de la capa superior. 3: Se deposita slice por PECVD, para formar el revestimiento superior de la loza de la gua de onda. 4: Las guas de onda son grabadas por RIE. 5: La gua de onda es liberada por grabado isotropico seco del silicio.

Existen algunos obstculos tecnolgicos en la fabricacin de estas estructuras. Primero, el grabado de iones reactivos (RIE) del silicio en el paso 4 debe ser caracterizado cuidadosamente para que resulten unas paredes lisas. Si la rugosidad de las paredes no es pequea (dcimas de nm al menos), la prdida ptica de las guias de onda se incrementa significativamente. Tambin debido a la tensin residual del slice sobre el silicio, las guas de onda pueden deflexionar (la direccin de esta deflexin depende de si las tensiones en las capas de slice depositadas son de tensin o de compresin). Estas dos situaciones deben ser tomadas en cuenta en proceso de diseo y fabricacin de la estructura.

[8] presenta una gua de onda diseada para que sea monomodal a longitudes de onda de 1.55 y 1.3 m. El tamao del modo esperado es wx=9 m, wy=7m a 1.55 m y wx=9m, wy=6m a =1.3m, donde wx y wy son respectivamente el ancho de la onda a una intensidad de 1/e2 en el plano de la oblea y perpendicularmente en la oblea. esta gua de onda tiene una prdida de acoplamiento de 0.5 dB/faceta para fibra G652 y una prdida experimental de propagacin debajo de 0.1 dB/cm. Tambin se han reportado otros tipos de interruptores de silicio [9] como el mostrado en la figura 1.16.

Figura 1.16: (derecha e izquierda): Interruptor de fibra ptica de 22. El principio de conmutacin se basa en un microespejo vertical que puede ser desplazado dentro de la ruta ptica para interrumpir la luz entre dos pares de fibras. El microespejo interruptor est diseado para aplicaciones de paso. Cunado el sistema es des-energizado, el resorte del espejo lo regresa a su posicin de descanso y mantiene el interruptor dentro de estado de reposo.

Debido a la prdida de la fibra, a una longitud de onda de =1.5 m, se desea fabricar interruptores MEMS con materiales que tengan baja prdida a esta longitud de onda partcular. el Arseniuro de Galio (GaAs), el fosfito de Indio (InP) as como otros semiconductores de los grupos III-V y sus componentes ternarios o cuaternarios son convenientes para los interruptores pticos. El principal cambio en realizar tales interruptores, es que ellos no son inherentemente MEMS, y las propiedades mecnicas de estos materiales no han sido extensivamente estudiadas, mientras el silicio, slice o polisilicio han sido estudiados en las tres ltimas decadas. Spahn y otros han presentado un interruptor MEMS de Arseniuro de Galio (GaAs) [10]. Se han llevado a cabo extensivos estudios para fabricar nuevas guas de onda de InP, fuera de los materiales clsicos como polisilicio.

Figura 1.17: Un interruptor de 12 hecho de GaAs. El interruptor es activado electrostticamente por el voltaje de polarizacin entre la gua de onda desplazable y el electrodo comb drive electrosttico. La gua de onda se puede mover 4 m en el plano de la oblea. El voltaje de polarizacin est en el rango de 7 a 25 volts. La velocidad de conmutacin es de 10 40 s. [10]

Un interruptor plano de fibra ptica es presentado por Horino y otros [11]. Makihara presenta un interruptor ptico de gua de onda capilaridad trmica [12]. Cantilevers acoplados menejados trmicamente (interruptores de 14 y 22) son demostrados por Kopka y otros [13]. Lin y otros presentan un interruptor caracterizado por un espejo giratorio en el espacio libre [14]. Tambin se puede utilizar silicio sobre aislante (SOI) para fabricar guas de onda [15].

1.2. Otros dispositivos MOEMS

Adems de los dispositivos mencionados, existen los lseres MEMS de cavidad vertical (VCSEL), los cuales son diodos laser entonables por medio del movimiento de un espejo [16], [17]. Los microlentes reflectivos son pequeos lentes hechos con el proceso LIGA con polimeros as como poli-metil-meta-crilato (PMMA) [18-19]. Los filtros o espectrmetros [20-22] se pueden usar en la espectropa de la luz para diferentes aplicaciones. Los lentes de Fresnel [23] o divisores de onda [24] as como un micro-interferometro Mach-Zehnder puede ser utilizado como un interruptor, mezclador o modulador de seales pticas [25], son otros ejemplos. Los micro-interferometros mach-Zehnder tambin pueden ser utilizados en una configuracin planar para hacer sensores de presin [26] o sensores qumicos [27]. Adems una nueva generacin de dispositivos pticos para aplicaciones espaciales, ms particularmente arreglos de micro-disparadores para la prxima generacin de microscopios espaciales esta en desarrollo en la NASA [28,29].

TERMINOLOGIA

MEMS Micro Electro-Mechanical systems

MOEMS Micro Opto-Electro-Mechanical Systems

DRIE Deep Reactive Ion Etching

LIGA Lithographie, Galvanoformung, Abformung

DWDM Dense Wavelength Divisin Multiplexing

DMD Digital Micromirror Device

CMOS Complementary Metal Oxide Semiconductor

CMP Chemical Mechanical Polish

1.3 Referencias

[1] Nadim Maluf, An Introduction to Microelectromechanical Systems Engineering, 2a. Ed. Norwood Ma: Artech House, 2004.

[2] Marc J. Madou, Fundamentals of MICROFABRICATION The Science of Miniaturization, CRC Press, second edition, USA, 2002.

[3] Steve D. Senturia, Microsystems design, Kluwer academic publishers, 2001

[4] 2002 IEEE/LEOS International Conference on Optical MEMS (MOEMS), Lugano, Switzerland, 19-23 Aug 2002

[5] 2003 IEEE Symposium on Design, Test, Integration and Packaging of MEMS/MOEMS (DTIP), Mandelieu-La Napoule, France, 5-7 May 2003

[6] 2003 IEEE/LEOS International Conference on Optical MEMs (MOEMS), Waikoloa, Hawaii, 18-21 Aug 2003

[7] www.ti.com, www.dlp.com, 7 Ene 2011.

[8] Marxer, N. F. de Rooij, Micro-opto-mechanical 2*2 switch for single-mode fibers based on plasma-etched silicon mirror and electrostatic actuation, Journal of lightwave technology, vol.17, no.1, Jan. 1999, pp. 2-6

[9] L. Dellmann*, W. Noell*, C. Marxer, K. Weible, M. Hoffmann, N. F. de Rooij , 44 matrix switch based on MEMS integrated waveguides, Transducers 2001, The 11th International conference on solid-state sensors and actuators, Munich, Germany, June 10 14, 2001

[10] Blum Spahn, Charles Sullivan, Jeff Burkhart, Chris Tigges, Ernie Garcia, GaAs-based microelectromechanical wav-guide switch, International conference on optical MEMS, 2000 IEEE/LEOS, 2000, pp 41 42

[11] Masaya Horino, Kazutaka Sato, Yukio Hayashi, Masahiro Mita, Toshikazu Nishiyama, Plane-Type Fiberoptic Switches, Electronics and Communications in Japan, part 2, vol. 85, no. 1, 2002

[12] M. Mikihara, Non-blocking N*N thermo-capillary optical matrix switch using silica waveguide technology, 13th annual meeting, IEEE lasers and electro-optics society, Piscataway, NJ, USA, 2000,vol.2, pp. 643-4

[13] P. Kopka, M. Hoffmann, E. Voges, Coupled U-shaped cantilever actuators for 1*4 and 2*2 optical fiber switches, Journal of Micromechanics and Microengineering, vol.10, no.2, June 2000. pp. 260-4

[14] L. Y. Lin, E.L. Goldstein, R. W. Tkach, Free-space micromachined optical switches for optical networking, IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol.5, no.1, Jan.-Feb. 1999, pp. 4-9

[15] Wilfried Noell, Pierre-Andr Clerc, Laurent Dellmann, Benedikt Guldimann, Hans-Peter Herzig, Omar Manzardo, Cornel Roman Marxer, Kenneth J. Weible, Ren Dndliker, and Nicolaas de Rooij, Applications of SOI-Based Optical MEMS, IEEE journal of selected topics on quantum electronics, vol.8, no.1, Jan/Feb 2002, pp. 148-155

[16]J. Chang-Hasnain, E.C. Vail, M.S. Wu, Widely-tunable micro-mechanical vertical cavity lasers and detectors, Advanced applications of lasers in materials processing, 1996/broadband optical networks/smart pixels/optical MEMS and their applications, 1996. IEEE/LEOS 1996 summer topical meetings, 5-9 Aug 1996, pp. 43-44

[17] M. C. Larson, J. S. Harris, Wide and continuous wavelength tuning in a vertical-cavity surfaceemitting laser using a micromachined deformable-membrane mirror, Applied Physics. Letters, vol. 68 (7), 12 February 1996

[18] Moon Su-dong, Shinill Kang, Fabrication of polymeric microlens of hemispherical shape using micromolding, Optical Engineering, vol.41, no.9, Sept. 2002. p. 2267-70

[19] S. Voigt, S. Kufner, A. Kufner, I. Frese, A refractive free-space microoptical 4*4 interconnect on chip level with optical fan-out fabricated by the LIGA technique, IEEE photonics technology letters, vol.14, no.10, Oct. 2002, pp. 1484-6.

[20] H. Iwaoka, H. Hara, T. Watanabe, Application of micromachining technology for spectroscopy, Journal of the society of instrument and control engineers, vol.42, no.1, Jan. 2003, pp. 52-5

[21] J. Hecht, Many roads lead to dynamic gain equalization in optical networks Laser focus world journal, vol.38, no.10, Oct. 2002, pp. 107-10

[22] O. Lovhaugen, Low-cost spectrometers based on diffractive optics, 2002 IEEE/LEOS international conference on optical MEMS, Piscataway, NJ, USA, 2002, pp. 37-8

[23] Kim Che-Heung, Kim Yong-Kweon, Integration of a micro lens on a 2-DOF-in-plane positioning actuator, 3rd international conference on micro opto electro mechanical systems (Optical MEMS), MOEMS 99 proceedings, Mainz, Germany, 1999, pp. 171-7

[24] Pu Chuan, Zhu Zuhua, Lo Yu-Hwa, Surface micromachined integrated optic polarization beam splitter, IEEE photonics technology letters, vol.10, no.7, July 1998, pp. 988-90

[25] Kang Jae-Wook, Kim Eunkyoung, Kim Jang-Joo, All-optical switch and modulator using photochromic dye doped polymer waveguides, Optical Materials, vol.21, no.1-3, Jan. 2003. p. 543-8

[26] D. Cristea, R. Muller, I. Pavelescu, Micromachined photonic integrated circuits for sensor applications: experimental results, Proceedings of the SPIE The international society for optical engineering, vol.3680, 1999, p. 1141-50

[27] F. Maseeh, A. Swiecki, Novel, highly sensitive chemical and biological sensors based on integrated MOEM and MEMS technologies, Proceedings of the SPIE - The international society for optical engineering, vol.3878, 1999, pp. 193-8

[28] D. B. Mott, S. Aslam, K. A. Blumenstock, R. K. Fettig, Magnetically actuated microshutter arrays, Proceedings of the SPIE - The international society for optical engineering, vol.4561, 2001, pp. 163-70

[29] M. J. Li, I.S. Aslam, A. Ewin, R. K. Fettig, Fabrication of microshutter arrays for space application, Proceedings of the SPIE - The international society for optical engineering, vol.4407, 2001, pp. 295-303

[30] http://www.ino.ca/en-CA/Expertise/MEMS-MOEMS.htm l4 Feb 2011.

[31] Allen James J. Micro Electro Mechanical System Design, Ed. CRC Taylor&Francis, 2005.

[32] http://en.wikipedia.org/wiki/Moore%27s_law 14 Feb 2011

[33] Herrera may Agustin Leobardo, Corts Prez ngel Roberto, Aguilera Corts Luz Antonio, Los micro-acelermetros en la actualidad,Acta Univesitaria de la Universidad de Guanajuato,Vol. 18 No. 2, Mayo-Agosto del 2008.

[34] Pei-Yu Chiou, Zehao Chang, Ming C. Wu, Droplet manipulation With Light on Optoelectrowetting Device, Journal of Micro-electromechanical Systems, Vol 17, No. 1, Febrero 2008.

[35] Pei-Yu Chiou, Light-Actuated AC Electroosmosis for Nanoparticle Manipulation, Journal of Micro-electromechanical Systems, Vol 17, No. 3, Junio 2008

[36] Lee Daesung, Solgaard Olav, Pull-In Analysis of Torsional Scanners Actuated by Electrostatic Vertical Combdrives, Journal of Micro-electromechanical Systems, Vol 17, No. 5, Octubre 2008

II. Diseo del micro-espejo de barrido

Los micro-espejos de barrido son componentes clave en el diseo de sistemas MOEMS para un amplio rango de aplicaciones, entra las cuales se incluyen: interruptores pticos, creacin de imgenes, almacenamiento de datos pticos, lectura de cdigo de barras y control de la onda para las comunicaciones en el espacio libre.

El micro-maquinado es una tecnologa atractiva, ya que permite la creacin de micro-espejos de barrido de bajo peso, bajo consumo de energa, bajo costo y de bajo tamao. El resultado deseado del diseo y fabricacin del micro-espejo es un actuador, pticamente discreto de superficie plana y elctricamente rpido de bajo voltaje. Con la combinacin del espejo y el actuador se es capaz de obtener un ngulo ptico de 20 .

Los micro-espejos electro-estticos pueden ser de placas paralelas o de peine y pueden ser fabricados con micro-maquinado de superficie [1] o micro-maquinado de volumen [2] y la integracin de ambos[3,4]. El Silicio cristalino, derivado de los mtodos de micro-maquinado de volumen o SOI es un material adecuado para el micro-espejo. Para barridos de alta velocidad, el actuador de peine (comb drive) tiene varias ventajas. Se puede disear una barra de torsin relativamente tiesa, requerida para la operacin en alta frecuencia, ya que el incremento de la fuerza generada por la capacitancia provee un aprovechamiento ms efectivo del voltaje de actuacin. Adems, el desenganche del espejo y del actuador permite un gran ngulo de deflexin ya que, el electrodo debajo del micro-espejo no es requerido y el lado inferior puede ser abierto para obtener un gran rango de deflexin.

Los comb-drive verticales han sido demostrados con un comb-drive vertical anclado y enmascarando las filas de dientes fijos y mviles en distintas capas separadas por la capa del oxido de sacrificio [2] y aadiendo un electrodo de metal exterior en la parte superior de los dientes fijos [5]. El comb-drive vertical anclado tpicamente requiere una alineacin crtica. Los dedos del peine auto-alineado son enmascarados en un proceso de grabado simple y subsecuentemente rotados hacia afuera del plano de la oblea. La figura 2.1 muestra un micro-espejo con este tipo de actuador.

Fig. 2-1. SEM un micro-espejo con un actuador en peine vertical. Se muestra una ampliacin de los dientes del peine.