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.

Página 2 de 17

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

Página 3 de 17

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

Página 4 de 17

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).

Página 5 de 17

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

Página 6 de 17

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.

Página 7 de 17

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

Página 8 de 17

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.

Página 9 de 17

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.

Página 10 de 17

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.

Página 11 de 17

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.

Página 12 de 17

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

Página 13 de 17

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

Página 14 de 17

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.

Página 15 de 17

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.

Página 16 de 17

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.

Página 17 de 17