NANO ELECTRONICA SUS DESARROLLOS Y APLICACIONES A
FUTURO EN LA VIDA DIARIA
INFORME
DE
PABLO LUNA HERNANDEZ
INGENIERIA EN NANOTECNOLOGIA
MANEJO DE INFORMACIÓN Y DATOS NUMÉRICOS
12 MARZO 2015
NANO ELECTRONICA SUS DESARROLLOS Y APLICACIONES A
FUTURO EN LA VIDA DIARIA
ABSTRACT
La nanotecnología entra cada vez más en la vida cotidiana, gracias a esto, los
avances en la nanoelectrónica han logrado consolidarse en productos
completamente comerciales. El principal desarrollo de la nanoelectrónica y
componente de muchos productos con tecnología de punta son los MEMS, estos
consisten en sistemas electromecánicos de dimensiones desde un milímetro hasta
los nanómetros.
Los MEMS son principalmente sistemas de sensores de pequeñas dimensiones
usados para medir variables del medio ambiente como temperatura, presión,
composición química, luminosidad entre otras. También pueden contener partes
móviles, las cuales, ayudan a completar tareas específicas como respuesta al
medio en el que se encuentre. El creciente interés en esta tecnología ha ayudado
en gran parte a que su desarrollo se dispare y que las principales empresas del
mundo centren sus esfuerzos en ella. Su bajo consumo energético y su bajo costo
de producción los colocan como la principal solución a los problemas de la
industria electrónica que demanda dispositivos cada vez más delgados. Resistente
y eficientes.
PALABRAS CLAVE
Nanotecnología, Nanoelectrónica, MEMS, Sensores.
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INDICE
JUSTIFICACION..................................................................................................................................... 4
GLOSARIO............................................................................................................................................. 5
CAPITULO 1. UNA PUERTA AL FUTURO: LA NANO ELECTRONICA...........................................6
CAPITULO 2. EL CAMINO HACIA LA NANO ELECTRONICA..........................................................7
CAPITULO 3. UNA NUEVA ERA EN ELECTRONICA DE CONSUMO..............................................8
3.1 LA NANOTECNOLOGIA.....................................................................................................................83.2 ¿QUE SON LOS MEMS?.................................................................................................................103.3 LOS MEMS EN EL DIA A DIA..........................................................................................................12
CAPITULO 4. EL CAMINO RECORRIDO HACIA LOS MEMS.........................................................13
RESULTADOS...................................................................................................................................... 15
CONCLUSIONES................................................................................................................................. 16
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS....................................................................................................17
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JUSTIFICACION
La nanoelectrónica es la rama de la nanotecnología enfocada al desarrollo y
aplicación de nuevas tecnologías en el ámbito de la electrónica en la vida diaria.
La base de esta rama se encuentra en la manipulación y creación de circuitos a la
escala de los nanómetros gracias a las técnicas para la creación de
nanoestructuras.
El objetivo de esta investigación es mostrar el desarrollo actual de los MEMS y
como las aplicaciones de esta tecnología nos llevaran a un mejoramiento de la
vida cotidiana en todos los ámbitos posibles.
Entre los avances que se han dado en los últimos años en este campo se
encuentran las pantallas flexibles, nano circuitos que han ayudado a la
miniaturización de dispositivos, sensores más eficientes en el monitoreo de
constantes vitales, procesadores más rápidos entre otros.
Estos avances se están empezando a aplicar en las industrias y en procesos de
producción de ciertos productos, por ejemplo, en los teléfonos inteligentes, la
capacidad de miniaturización que hemos alcanzado ha sido gracias en gran parte
a estos avances en procesadores más potentes, eficientes y pequeños, pantallas
con mejores características y grosor mínimo entre otros.
En este proyecto de investigación se recopilo información acerca del estado actual
de los avances en nano electrónica, las características principales de MEMS, su
funcionamiento y las partes que los componen.
Este proyecto de investigación está fuertemente relacionado con mi carrera, ya
que, curso la carrera de ingeniería en nanotecnología y la gran mayoría de los
campos en los que se basa este tipo de tecnología y los conocimientos requeridos
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para fabricar y crear MEMS se basan en los conocimientos que estoy adquiriendo
en mis estudios.
GLOSARIO
Nanotecnología
Tecnología de los materiales y de las estructuras en la que el orden de magnitud
se mide en nanómetros, con aplicación a la física, la química y la biología. (RAE,
2013).
Sensor
Dispositivo que detecta una determinada acción externa, temperatura, presión,
etc., y la transmite adecuadamente. (RAE, 2013).
Nanómetro
Medida de longitud que equivale a la milmillonésima (10-9) parte del metro. (RAE,
2013).
Aplicación
Programa preparado para una utilización específica, como el pago de nóminas,
formación de un banco de términos léxicos, etc. (RAE, 2013).
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CAPITULO 1. UNA PUERTA AL FUTURO: LA NANO ELECTRONICA.
Al tiempo en que los dispositivos electrónicos portátiles se han introducido más en
nuestra vida, el tiempo que gastamos usándolos ha aumentado drásticamente,
con grandes implicaciones en el diseño de estos sistemas.
Uno de los principales avances en el campo de la Nano electrónica que nos da mil
nuevas posibilidades son los MEMS o NEMS. Los MEMS (Micro-electro-
mechanical systems por sus siglas en inglés) son dispositivos miniaturizados que
pueden detectar el ambiente, procesar y analizar información y a su vez responder
de manera mecánica y/o electrónica.
Los MEMS consisten en elementos mecánicos, sensores, actuadores y
dispositivos eléctricos y electrónicos en un sustrato de silicio. Estos se están
convirtiendo en una parte vital de la tecnología moderna. Algunas de sus ventajas
son: muy pequeños, bajo consumo energético, bajo costo, fáciles de integrar en
diferentes sistemas, alta resistencia a las vibraciones, golpes y radiación, entre
otras.
Los tipos de dispositivos pueden ser desde estructuras simples sin partes móviles,
hasta sistemas electromecánicos mucho más complejos en la que los elementos
de mueven bajo el control de la electrónica integrada. Gracias a los avances en
semiconductores, se pueden crear MEMS utilizando una gran diversidad de
materiales y técnicas de fabricación, esto se decidirá en relación a que sector
estará enfocada la aplicación.
El tamaño de los MEMS va desde un nanómetro a un milímetro. A esta escala los
procesos de fabricación basados en los conocimientos de física clásica no siempre
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funcionan. Debido a esto se han desarrollado nuevos procesos de fabricación
basados en conocimientos de física cuántica entre otros campos.
CAPITULO 2. EL CAMINO HACIA LA NANO ELECTRONICA.
Para poder encontrar información que sirviera de base en mi trabajo de
investigación en un principio tuve que delimitar mi tema usando preguntas que me
fueran definiendo poco a poco hacia donde me iba a orientar y como iba a enfocar
mi tema.
Después, comencé a buscar información en revistas electrónicas, papers,
publicaciones de investigadores ya que la mayoría de la información que necesito
se encuentra en estas publicaciones.
Me ayudó mucho el poder hacer uso de la biblioteca del ITESO. Ahí pude
encontrar muchísimas publicaciones sobre la nano electrónica y los MEMS o
NEMS, algo que me llamo la atención fue el hecho de que la mayoría, si no es que
toda, la información que obtuve estaba en inglés.
Con todos los documentos recolectados logre hacer mis síntesis y fui
seleccionando la información que más necesitaba y gracias a esto pude obtener
toda la información sobre mi tema de investigación.
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CAPITULO 3. UNA NUEVA ERA EN ELECTRONICA DE CONSUMO
3.1 LA NANOTECNOLOGIA
Uno de los principales retos que enfrenta la sociedad moderna es la necesidad de
sistemas de conversión sustentable y almacenamiento de energía de bajo costo e
inteligentes. Los daños ecológicos al medio ambiente en los últimos años gracias
a los combustibles fósiles como el petróleo, han hecho crecer el interés en la
investigación de sistemas energéticos más avanzados como las baterías de litio,
celdas solares, entre otros.
La base de la fundación y desarrollo de estos nuevos sistemas son materiales
innovadores y técnicas de fabricación avanzadas los cuales son el núcleo de la
micro y nano revolución. En la última década ha surgido un gran interés en la
nanotecnología y en la investigación de nano materiales, buscando reforzar los
efectos únicos que se han observado en este tipo de materiales.
Las leyes de la física nos dicen que cuando se reducen las dimensiones de un
dispositivo o alguna de sus partes, se produce un incremento en la relación área
de la superficie y su volumen. Esto genera que las propiedades del material se
vean aumentadas o se generen nuevas propiedades que a su vez abren nuevas
posibilidades en el uso de estos materiales.
Al tiempo en que los dispositivos electrónicos portátiles se han introducido más en
nuestra vida, el tiempo que gastamos usándolos ha aumentado drásticamente,
con grandes implicaciones en el diseño de estos sistemas.
Por ejemplo, un sistema de monitoreo estructural de salud que usa pulsos
piezoeléctricos para escanear la salud de la persona una vez al día. Aunque el
sistema tiene todo el día para realizar el escaneo, el dispositivo gastara poco
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tiempo activo y la mayor parte del día en reposo, por lo que el mayor consumo
será el del estado de reposo.
Otros ejemplos incluyen diseños de sensores multiniveles, donde un sensor más
sofisticado, por ejemplo una cámara inteligente inalámbrica, pasa la mayor parte
de tiempo en reposo, esperando ser despertada por un simple sensor de bajo
nivel. A pesar de su uso, una característica común de la mayoría de los diseños de
poco consumo es que tienen un modo de reposo, donde la potencia del dispositivo
se corta para poder reducir el poder estático y lograr conservar energía. Esto es
implementado a través de una técnica conocida como “power gating”.
El método de power gating más conocido es el que se implementa con los
transistores entre un circuito y la red de poder. Las puertas de poder de los
transistores son fácilmente implementadas y pueden lograr una gran reducción del
consumo, pero también tiene sus contras. Por ejemplo en el modo de reposo el
consumo se reduce, mas no se elimina, esto es debido a posibles fugas en las
puertas, las cuales tienen una resistencia que baja la efectividad del voltaje dado y
baja el rendimiento del circuito.
Gracias a los MEMS se ha logrado resolver de una manera más eficiente y
potente situaciones como el power gating y a lo largo de todo el mundo hay
laboratorios y universidades dedicadas completamente al desarrollo de esta nueva
tecnología.
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3.2 ¿QUE SON LOS MEMS?
Los MEMS se definen típicamente como dispositivos de pequeñas dimensiones
compuestos por un número finito de elementos pasivos o activos micro fabricados.
Estos elementos realizan diferentes funciones como ya se mencionó
anteriormente.
En Estados Unidos esta tecnología es conocida como sistemas electromecánicos
(MEMS), en cambio, en Europa es llamada tecnología de microsistemas (MST).
Los MEMS son al mismo tiempo un producto físico, herramientas y una
metodología todo en uno:
Es un portafolio de técnicas y procesos para diseñar y crear sistemas
miniaturizados.
Es un producto físico generalmente especializado y único para una
aplicación específica.
Los tipos de dispositivos pueden ser desde estructuras simples sin partes móviles,
hasta sistemas electromecánicos mucho más complejos en la que los elementos
de mueven bajo el control de la electrónica integrada. Gracias a los avances en
semiconductores, se pueden crear MEMS utilizando una gran diversidad de
materiales y técnicas de fabricación, esto se decidirá en relación a que sector
estará enfocada la aplicación.
La naturaleza de un microsistema puede ser: eléctrica, magnética, óptica, térmica,
mecánica o fluídica y su arquitectura engloba circuitos ópticos y electrónicos,
receptores y generadores de señal, micro actuadores, micro generadores y micro
sensores.
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Los MEMS se pueden clasificar en los siguientes tipos:
Sensores: son dispositivos diseñados para medir cambios en el ambiente,
los cuales incluyen sensores químicos, inerciales, de movimiento, ópticos y
térmicos.
Actuadores: son dispositivos diseñados para crear un estímulo
proporcionado a otros dispositivos o componentes.
MEMS RF: son dispositivos para transmitir señales de radiofrecuencia,
entre los que se encuentran: capacitores, interruptores, antenas, entre
otros.
MOEMS: llamados a si por sus siglas en inglés (Micro-Opto-Electro-
Mechanical Systems). Son dispositivos diseñados para filtrar, dirigir, reflejar
y ampliar la luz.
MEMS para micro fluidos: diseñados para trabajar e interactuar con fluidos.
Entre los más comunes se encuentran las microbombas y micro válvulas.
Bio MEMS: están diseñados específicamente para interactuar con muestras
biológicas.
Estas seis áreas representan aplicaciones totalmente diferentes de dispositivos
MEMS que actualmente se encuentran en uso o en desarrollo para aplicaciones
comerciales.
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3.3 LOS MEMS EN EL DIA A DIA
En los últimos años ha incrementado la madurez de la industria de los MEMS y se
ha visto una rápida introducción de nuevos productos con aplicaciones desde
análisis bioquímico hasta telecomunicaciones por fibra óptica. El tamaño del
mercado de productos con MEMS se ha duplicado en los últimos 5 años y se
espera un rápido crecimiento a este ritmo en los próximos años.
Estos dispositivos electromecánicos están siendo rápidamente miniaturizados,
siguiendo la tendencia comercial de los transistores electrónicos. Al miniaturizar
estos dispositivos hasta las dimensiones de micrómetros y nanómetros logra abrir
una variedad de aplicaciones y también dar acceso a probar regímenes
interesantes en la física fundamental.
La tecnología correspondiente ha pasado una rápida fase de desarrollo y se ha
propagado a instituciones y compañías en todos los continentes. En una búsqueda
de la palabra MEMS en todas las patentes en los Estados Unidos desde 1998 ha
arrojado cerca de 4,000 patentes y referencias. Muchos dispositivos han logrado
dejar las fases de desarrollo en las universidades para llegar al desarrollo
comercial y muchos han alcanzado la etapa de ser productos totalmente
comerciales.
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CAPITULO 4. EL CAMINO RECORRIDO HACIA LOS MEMS.
Como ya se mencionó, los MEMS y los NEMS son la base fundamental de la
nanoelectrónica. Entre los principales componentes de los MEMS se encuentran
los sensores, ya que estos son los que toman las mediciones de las diferentes
variables de las que se quiere obtener información.
Para poder crear los nanosensores que se integran en los MEMS es necesario el
uso de nano materiales de dos sectores en específico: el nano magnetismo y la
nano óptica.
Estos dos sectores de nanomateriales están experimentando un gran desarrollo
en los últimos años tanto a nivel de investigación básica como de cara a la
explotación industrial de los mismos. Esto queda plasmado de forma directa en el
creciente número de solicitudes de patentes presentadas por empresas y centros
tecnológicos, que desarrollan nuevos productos con aplicación industrial y
recurren a la protección mediante patente para obtener exclusividad en los
mismos.
El análisis de solicitudes de patentes por ámbito señala que Estados Unidos es la
zona donde más solicitudes se han presentado en las tecnologías de nano óptica
y nano magnetismo, como se muestra en las siguientes
gráficas.
También se observa que el total de las solicitudes de
patente presentadas para nano ópticos es casi 5 veces mayor que
para nano magnéticos. Esto es debido a que los
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materiales nano ópticos comenzaron su desarrollo unos años antes que los nano
magnéticos, pero para ambas tecnologías la evolución a lo largo de los años es
exponencial, como se observa en las siguientes graficas de barras, donde se
aprecia que el desarrollo actual de estas dos tecnologías está en pleno auge en
todos los continentes.
En la última grafica se ofrece una comparativa entre solicitudes de patentes en
nano óptica y nano magnetismo, se muestra que efectivamente son dos
tecnologías en auge y que por tanto las empresas y centros de I+D dedicadas a
ellas están desarrollando los productos del futuro como los MEMS.
RESULTADOS
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La información recabada a lo largo de la investigación muestra el hecho de que la
nanotecnología es una rama de la ciencia en acelerado crecimiento y día a día
crece el interés en los desarrollos y tecnologías que se están desarrollando en el
nicho de esta.
También se encuentran los fundamentos básicos de los MEMS y como esta
tecnología es la punta de lanza de la nanoelectrónica en un futuro. Gracias a esta
tecnología se están logrando resolver los problemas y exigencias actuales que
está teniendo la electrónica de consumo como:
Dispositivos cada vez más pequeños y potentes.
Procesadores mucho más eficientes energéticamente.
Sensores miniaturizados a la escala de los nanómetros con la capacidad de
medir multitud de variables del medio ambiente en el que se manejaran.
Nano dispositivos Bio-compatibles para el monitoreo de constantes vitales y
como apoyo a tratamientos de enfermedades crónicas y terminales como el
cáncer y la diabetes.
CONCLUSIONES
A lo largo de todo el proceso de investigación logre conocer y darme cuenta de
cómo esta tecnología tiene una trascendencia más allá que el desarrollo del que
goza actualmente.
Como todos los aspectos de nuestra vida diaria la electrónica tiene que
evolucionar y ese camino comenzó con la primera evolución de la electrónica
hacia la microelectrónica, por lo cual, el siguiente paso es si o si dirigirnos hacia la
nano electrónica.
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Esta investigación me dio la oportunidad de encaminarme hacia esta rama y poder
conocer y comprender nuevos conceptos y formas de lo que se está desarrollando
en la nanoelectrónica. Uno de esos principales desarrollo y sobre el cual se centró
esta investigación son los MEMS.
Logre aprender cuales son los principales tipos en los que se clasifica a los MEMS
y cuáles son sus principales componente y aplicaciones a las que van dirigidos.
Logre avanzar mucho en la investigación sobre los MEMS sobre todo gracias a la
información que pude recabar de la biblioteca.
A pesar de haber avanzado, esta investigación va más allá, ya que aún tiene
muchísimas cosas sobre las que profundizar y aprender. Esto gracias a que es un
sector en pleno crecimiento y donde estará el inicio de la próxima revolución en los
dispositivos electrónicos de nuestra vida diaria.
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REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
Henry, M. B., & Nazhandali, L. (2012). From Transistors to NEMS: Highly
Efficient Power-Gating of CMOS Circuits. ACM Journal On Emerging
Technologies In Computing Systems, 8(1), 2-2:18.
doi:10.1145/2093145.2093147
Maluf, N., & Williams, K. (2004). Introduction to Microelectromechanical
Systems Engineering. Boston: Artech House.
Holmberg, S.; Perebikovsky, A.; Kulinsky, L.; Madou, M. 3-D Micro and
Nano Technologies for Improvements in Electrochemical Power Devices.
Micromachines 2014, 5, 171-203.
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