Evaluación de microvigas para el sensado de gases

Abstract

Este trabajo presenta el diseño y desarrollo de microvigas en voladizo, con la finalidad de estudiar su comportamiento para su futura aplicación en el sensado de gases. Para ello, se analiza el caso de la flexión de microvigas por efecto de un campo eléctrico resultante de la diferencia de potencial entre la viga y un electrodo paralelo a ella de longitud menor que la primera. Para ello, se lleva a cabo el análisis de elementos finitos (FEM) de modelos de viga-electrodo, considerando 4 longitudes comerciales de microvigas y 4 diferentes longitudes de electrodos. En consecuencia, se realizan análisis estáticos (con y sin recubrimiento sobre la viga), de respuesta transitoria y de las frecuencias propias. Seguidamente, se describen 3 ensayos experimentales llevados a cabo sobre las microestructuras basadas en los modelos ya mencionados: en el primero se analiza la ruptura dieléctrica en aire a pequeñas separaciones entre electrodos de silicio sometidos a una diferencia de potencial variable, luego se obtiene la flexión en función del potencial aplicado para las combinaciones de viga-electrodo y finalmente se determina el factor de calidad para la primera frecuencia natural en dos longitudes de vigas, al ser accionadas mediante diferentes longitudes de electrodos, en todos los casos, sin recubrimiento. Los resultados del ensayo de potencial de ruptura llevan al establecimiento de 200 V como el límite superior de actuación de las microvigas. El análisis estático (FEM) presenta aproximación a los resultados experimentales válido para estimación cualitativa. Los factores de calidad determinados de las simulaciones difieren de los valores experimentales, evidenciando en todo caso una respuesta subamortiguada. Asimismo, los resultados muestran que cuando el electrodo no recubre toda la longitud de la microviga, es posible lograr desplazamientos en su extremo libre superiores a 1/3 de la separación inicial viga-electrodo, sin que ocurra el contacto viga-electrodo. Por lo tanto, la flexión apalancada ampliará el rango de desplazamiento del extremo libre de la viga y permitirá accionarla a frecuencias cercanas a la de resonancia con cierto efecto sobre esta última.