{"id":13225,"date":"2024-02-02T12:54:47","date_gmt":"2024-02-02T18:54:47","guid":{"rendered":"https:\/\/cienciauanl.uanl.mx\/?p=13225"},"modified":"2024-03-01T10:46:50","modified_gmt":"2024-03-01T16:46:50","slug":"el-gran-mundo-de-la-tecnologia-miniatura","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/cienciauanl.uanl.mx\/?p=13225","title":{"rendered":"El gran mundo de la tecnolog\u00eda miniatura"},"content":{"rendered":"

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Dulce K. Becerra-Paniagua*,
\nCarina Cha\u0301vez Granados* ORCID 0000-0002-7311-3204<\/span>,
\nLaura Oropeza-Ramos*<\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n

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CIENCIA UANL \/ AN\u0303O 27, No.124, marzo-abril 2024<\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n

DOI: https:\/\/doi.org\/10.29105\/cienciauanl27.124-2<\/a><\/p>\n

Descargar PDF<\/a><\/p>\n

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Muchos de nosotros hemos escuchado la palabra microtecnologi\u0301a quiza\u0301 en anuncios publicitarios de ropa, cosme\u0301ticos, alimentos, electrodome\u0301sticos, medicamentos, entre otros. El prefijo micro<\/em> proviene del vocablo griego \u201c\u03bc\u03b9\u03ba\u03c1\u03bf\u0301\u03c2\u201d (mikros<\/em>) que significa pequen\u0303o, por lo tanto, su concepto se refiere a la tecnologi\u0301a que nos permite construir sensores, actuadores y electro\u0301nica con elementos que esta\u0301n en el li\u0301mite de lo que podemos ver a simple vista. El te\u0301rmino micro\u0301metro, tambie\u0301n llamado micro\u0301n o micra, es una unidad de longitud equivalente a una millone\u0301sima parte de un metro, es decir, tiene un valor de 10-6 metros, igual a 1 micra (\u03bcm). Por ejemplo, el dia\u0301metro de un cabello humano mide alrededor de 80 micras, y la E. coli<\/em>, una de las bacterias ma\u0301s conocidas que vive en el intestino humano, mide aproximadamente 0.5 micras de dia\u0301metro por 2 de largo; el taman\u0303o de las ce\u0301lulas sangui\u0301neas oscila entre 5 y 20 micras (Barhoum et al<\/em>., 2022). E\u0301stas son las escalas en las que se encuentra la microtecnologi\u0301a (figura 1) y pueden observarse mediante un microscopio o\u0301ptico convencional.<\/p>\n

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Figura 1. Un vistazo al universo microm\u00e9trico.<\/p><\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n

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INICIOS DE LA MICROTECNOLOGI\u0301A<\/h4>\n
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La microtecnologi\u0301a tiene su antecedente a partir de la revolucio\u0301n electro\u0301nica, la cual surgio\u0301 por los avances en la tecnologi\u0301a de semiconductores que se hicieron a inicios de la de\u0301cada de los cincuenta. En particular, por la invencio\u0301n del primer transistor patentado en 1948 por los estadounidenses Walter Houser Brattain, John Bardeen y William\u00a0Shockley de los Laboratorios Bell-Centro de Investigacio\u0301n de la compan\u0303i\u0301a AT&T; e\u0301ste consisti\u0301a en una fraccio\u0301n de germanio (elemento qui\u0301mico semiconductor) con tiras.<\/span><\/p>\n

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El invento sento\u0301 las bases de la microelectro\u0301nica y mejoro\u0301 en gran medida los bulbos de vaci\u0301o como elementos de control, generacio\u0301n y amplificacio\u0301n de sen\u0303ales ele\u0301ctricas. Estos cienti\u0301ficos recibieron el Premio Nobel de Fi\u0301sica en 1956 y los sucesores de este primer avance revolucionaron la microtecnologi\u0301a (Arns, 1998).<\/p>\n

An\u0303os ma\u0301s tarde se desarrollo\u0301 con e\u0301xito otra histo\u0301rica invencio\u0301n que consistio\u0301 en el primer circuito integrado (CI) con base en semiconductores, patentado en 1959 por el ingeniero Jack S. Kilby, en Texas Instruments, que consisti\u0301a de transistores, resistencias y condensadores (Kilby, 2000). La apariencia del circuito era tan diminuta que lo apodaron como se les conocen a las astillas o a los \u201cpedacitos de algo\u201d en ingle\u0301s: chip<\/em>. No fue sino hasta 2000 que Kilby fue galardonado con el Premio Nobel de Fi\u0301sica, ya que a menudo el reconocimiento a las hazan\u0303as de ingenieri\u0301a es tardi\u0301o o controversial (Madou, 2011). Los CI vendidos en 1960 so\u0301lo posei\u0301an ciertos dispositivos por chip<\/em> y medi\u0301an unos cuantos mili\u0301metros. Ahora un CI ti\u0301pico tiene miles de millones de instrumentos de este tipo y alcanzan dimensiones de nano\u0301metros (Saxena, 2009).<\/p>\n

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SEMICONDUCTORES Y LA ELECTRO\u0301NICA<\/h4>\n
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Es importante mencionar que hoy en di\u0301a el semiconductor ma\u0301s utilizado en la industria es el silicio (Si), uno de los elementos ma\u0301s abundantes en la corteza terrestre, representando 27.7% de su totalidad (RCS, 2023). Los semiconductores comu\u0301nmente son usados por su capacidad de comportarse como aislantes o conductores (impidiendo o permitiendo el paso de una corriente ele\u0301ctrica). Esta capacidad facilito\u0301 el surgimiento del transistor, la estrella de las operaciones electro\u0301nicas que ayuda a controlar el flujo de electrones. Los transistores han contribuido asi\u0301 al disen\u0303o de circuitos de taman\u0303o reducido, ya que, usados en conjunto, sirven para calcular datos y procesar informacio\u0301n. Es por ello que se encuentran en todos los equipos y plataformas tecnolo\u0301gicas: computadoras, celulares y televisiones, que a su vez confieren el acceso a redes sociales vinculadas a Internet (Facebook, Instagram, WhatsApp, Telegram, Twitter, etce\u0301tera), a contenidos en plataformas: HBO, Netflix, Prime, entre otros. En pocas palabras, sin el transistor el Internet no existiri\u0301a, por eso se le considera el invento ma\u0301s importante del siglo XX.<\/p>\n

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Los transistores se encuentran dentro de todos los chips<\/em> que hacen ma\u0301s fa\u0301cil, co\u0301moda y sencilla la tecnologi\u0301a actual, desde electrodome\u0301sticos, automo\u0301viles, hasta naves espaciales, tarjetas bancarias, entre otros. Un chip<\/em> es un paquete de mecanismos microelectro\u0301nicos incorporados en una u\u0301nica pieza de un semiconductor que trabajan en conjunto para ejecutar una tarea especi\u0301fica o una serie de e\u0301stas. Los actuales tienen un taman\u0303o de unas cuantas decenas de mili\u0301metros cuadrados y esta\u0301n compuestos por miles de millones de transistores, \u00bfte imaginas el taman\u0303o de e\u0301stos?, es decir, no los podemos ver a simple vista, ni con un microscopio o\u0301ptico convencional. Los ma\u0301s pequen\u0303os miden decenas de nano\u0301metros, \u00a1del taman\u0303o de un virus o una protei\u0301na! (figura 1).<\/span><\/p>\n

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MICROSISTEMAS ELECTROMECA\u0301NICOS (MEMS)<\/h4>\n
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Los microsistemas electromeca\u0301nicos (MEMS, por su acro\u0301nimo en ingle\u0301s) son pequen\u0303os aparatos (a escala microsco\u0301pica) que combinan componentes meca\u0301nicos y ele\u0301ctricos. Se fabrican utilizando te\u0301cnicas compartidas con las empleadas para producir lotes de circuitos integrados, y pueden variar en taman\u0303o desde unos pocos micro\u0301metros hasta mili\u0301metros. E\u0301stos tienen la capacidad de detectar, controlar y accionar sen\u0303ales en la escala micro, y generar efectos en la macro (la nuestra) (Zhu et al<\/em>., 2020).<\/p>\n

Los MEMS consisten principalmente de un conjunto de microsensores y microactuadores incorporados en el mismo chip de Si. Ambos componentes se clasifican como transductores que convierten la energi\u0301a de una forma a otra, por ejemplo, ele\u0301ctrica en meca\u0301nica. Esta transduccio\u0301n puede servir para detectar caracteri\u0301sticas fi\u0301sicas o ambientales: presio\u0301n, temperatura, aceleracio\u0301n, vibracio\u0301n, etce\u0301tera, y la reportan como una variable ele\u0301ctrica: voltaje (sensores). O bien, transforman un tipo de energi\u0301a en otra para generar una accio\u0301n, que por lo comu\u0301n es movimiento (actuadores).<\/p>\n

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Figura 2. Infograf\u00eda sobre transistor, circuito integrado y dispositivo MEMS (aceler\u00f3metro).<\/p><\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n

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MINIATURIZANDO POR MEDIO DE LUZ<\/h4>\n
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En las industrias de los circuitos integrados y de la tecnologi\u0301a MEMS se miniaturizan los componentes a taman\u0303os asombrosamente pequen\u0303os mediante el proceso denominado fotolitografi\u0301a. Esta palabra proviene del griego photo<\/em> (luz), lithos<\/em> (piedra) y gra\u0301phein<\/em> (escribir), que significa grabar con luz en la piedra, en este caso en una pieza de un semiconductor (Madou, 2011). Asi\u0301, hablamos de un proceso que usa luz para definir patrones muy precisos en una superficie.<\/span><\/p>\n

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La produccio\u0301n de MEMS comparte te\u0301cnicas convencionales de fabricacio\u0301n de circuitos integrados como la fotolitografi\u0301a, deposicio\u0301n de peli\u0301culas y grabado de materiales o micromaquinado (figura 3a) que permiten definir estructuras 2D y 3D.<\/p>\n

El proceso de fotolitografi\u0301a involucra un conjunto de pasos consecutivos, pero en te\u0301rminos generales consiste en la transferencia de un patro\u0301n geome\u0301trico a una resina fotosensible depositada sobre una oblea o substrato de semiconductor, por medio de la exposicio\u0301n selectiva de luz. E\u0301sta se logra irradiando luz vi\u0301a una ma\u0301scara que tiene definido el disen\u0303o del circuito integrado o del MEMS mediante partes opacas que bloquean la luz y sectores transparentes que la dejan pasar (figura 3b).<\/p>\n

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Figura 3. Diagrama b\u00e1sico de flujo de fabricaci\u00f3n de MEMS (izquierda) y proceso de Fotolitograf\u00eda (derecha)<\/p><\/div>\n

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Los trazos definidos de esta manera en la ma\u0301scara permiten delimitar los elementos que componen al MEMS, por ejemplo, las zonas que conforman los microsensores, microactuadores, transistores, sus interconexiones, entre otras. Este proceso utiliza luz para transferir un patro\u0301n geome\u0301trico de una fotoma\u0301scara a una resina qui\u0301mica fotosensible (es decir, sus propiedades cambian al ser irradiadas por luz) depositada en el sustrato. Luego, una serie de tratamientos qui\u0301micos graba el patro\u0301n de exposicio\u0301n en e\u0301ste (Madou, 2011). La fotolitografi\u0301a comparte algunos principios fundamentales con el revelado de fotografi\u0301as antiguas, en el cual la formacio\u0301n de la imagen \u201cpositiva\u201d se realiza a partir de irradiar luz sobre los \u201cnegativos\u201d (rollo fotogra\u0301fico) que se va a proyectar a su vez en el papel (el cual es celulosa con un recubrimiento fotosensible a base de plata), para que despue\u0301s de un proceso qui\u0301mico de revelado la imagen se registre en color o en blanco y negro.<\/p>\n

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MEMS EN TU TELE\u0301FONO INTELIGENTE<\/h4>\n
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\u00bfAlguna vez te has preguntado co\u0301mo tu celular puede detectar el movimiento cuando lo esta\u0301s mirando horizontal o vertical, y girar la pantalla en forma automa\u0301tica? Los acelero\u0301metros son un tipo de microsensores MEMS que se encuentran en e\u0301l, y permiten al usuario ajustar la orientacio\u0301n de la pantalla segu\u0301n la posicio\u0301n del dispositivo. Probablemente este\u0301s familiarizado con las palabras \u201cacelerar\u201d para describir algo que se desplaza cada vez ma\u0301s ra\u0301pido, o \u201cdesacelerar\u201d, cuando avanza ma\u0301s lentamente (Finio, 2019). La aceleracio\u0301n se determina por la segunda ley de Newton, que vincula fuerza, masa y aceleracio\u0301n, ese decir, aceleracio\u0301n = fuerza\/masa. Entonces, la aceleracio\u0301n es proporcional a la cantidad de fuerza que necesitamos para mover un objeto.<\/p>\n

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El acelero\u0301metro que se encuentra en tu tele\u0301fono inteligente detecta el movimiento en li\u0301nea recta del equipo. Este tipo de aparatos contienen acelero\u0301metros incorporados y tienen una estructura interna parecida a la que aparece en la figura 4. Cuentan con una masa mo\u0301vil, que es un esquema en forma de H, con placas de sensado capacitivo que se extienden desde ella. La masa es mo\u0301vil ya que esta\u0301 suspendida por vigas que hacen la funcio\u0301n de resortes y que se ajustan al sustrato en ambos extremos, lo que le permite realizar una especie de vaive\u0301n. Los electrodos son estructuras fijas en el sustrato y permanecen esta\u0301ticas, a diferencia de la masa mo\u0301vil que se sacude con el ajetreo. La masa mo\u0301vil y las terminales juntas forman un cuerpo similar a un peine o capacitor de placas paralelas que se utiliza para detectar el cambio. En un tele\u0301fono inteligente, el acelero\u0301metro se mueve junto con el aparato en el que esta\u0301 instalado. La masa de prueba del acelero\u0301metro se desliza cuando el armazo\u0301n se desplaza a su alrededor. Esta mudanza depende de cua\u0301nto se incline o gire el equipo.<\/p>\n

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Figura 4. Estructura interna de un aceler\u00f3metro MEMS en un tel\u00e9fono inteligente.<\/p><\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n

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Hoy en di\u0301a se utiliza una gran cantidad de MEMS dentro de tele\u0301fonos, relojes inteligentes, proyectores y monitores de actividad fi\u0301sica, entre otros. E\u0301stos son los responsables de conceder la inteligencia a este tipo de artefactos, ya que los sensores adquieren informacio\u0301n del ambiente y los elementos en el chip<\/em> la procesan. Por lo tanto, un sistema completo consiste en la electro\u0301nica integrada que proporciona la parte pensante, mientras que los componentes MEMS complementan esta inteligencia con funciones activas de percepcio\u0301n y control.<\/p>\n

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CONCLUSIONES<\/h4>\n
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Los microsistemas MEMS son una tecnologi\u0301a emergente que ha logrado transformar los sistemas meca\u0301nicos y electromeca\u0301nicos grandes tradicionales en dispositivos miniatura que permiten mejorar el rendimiento de los consumibles electro\u0301nicos. Ya que combinan sus capacidades de recoger informacio\u0301n del ambiente y procesarla mediante circuitos integrados, desarrollando asi\u0301 herramientas porta\u0301tiles que consumen menos energi\u0301a, y ma\u0301s importante, reducen los costos ya que sus me\u0301todos de fabricacio\u0301n son escalables a nivel industrial, semejante a lo que las tecnologi\u0301as de circuitos integrados y semiconductores han hecho con los sistemas electro\u0301nicos. El impacto de la tecnologi\u0301a miniatura ha sido tal, que hoy en di\u0301a existen ma\u0301s tele\u0301fonos inteligentes que personas en el mundo (Richter, 2023).<\/p>\n

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AGRADECIMIENTOS<\/h4>\n
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A la Direccio\u0301n General de Asuntos del Personal Acade\u0301mico-Universidad Nacional Auto\u0301noma de Me\u0301xico (DGAPA-UNAM) por la beca posdoctoral otorgada a Dulce K. Becerra-Paniagua, y por el proyecto PAPIIT IT10092.<\/p>\n<\/div>\n

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* Universidad Nacional Auto\u0301noma de Me\u0301xico, Ciudad de Me\u0301xico, Me\u0301xico.
\nContacto: dkbp@ier.unam.mx, carinahalley0@gmail.com, loropeza@unam.mx<\/p>\n

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REFERENCIAS<\/h4>\n
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Arns, R.G. (1998). The other transistor: early history of the metal-oxide semiconductor field-effect transistor. Engineering Science & Education Journal<\/em>, 7, 233-240. https:\/\/doi. org\/10.1049\/esej:19980509<\/p>\n

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Barhoum, A., Garci\u0301a-Betancourt, M.L., Jeevanandam, et al. (2022). Review on Natural, Incidental, Bioinspired, and Engineered Nanomaterials: History, Definitions, Classifications, Synthesis, Properties, Market, Toxicities, Risks, and Regulations.Nanomaterials<\/em>, 12, 177. https:\/\/doi.org\/10.3390\/nano12020177<\/p>\n

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Finio, S.B., Ben. (2019). Science with a Smartphone: Accelerometer. Scientific American<\/em>. https:\/\/www.scientificamerican.com\/article\/science-with-a-smartphone-accelerometer<\/p>\n

Kilby, J.S, (2000). The integrated circuit\u2019s early history. Proceedings of the IEEE<\/em>, 88(1), 109-111.<\/p>\n

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Madou, M.J. (2011). Fundamentals of Microfabrication and nanotechnology, volume I, \u201cSolid-State Physics, Fluidics, and Analytical Techniques in Micro-and Nanotechnology\u201d. In CRC PRESS Taylor & Francis Group<\/em> (Vol. 1, Issue 1).<\/p>\n

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RSC-Royal Society of Chemistry, (2023). Periodic Table<\/em>. https:\/\/www.rsc.org\/periodictable\/element\/14\/silicon<\/p>\n

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Richter, F. (2023). More Phones Than Persons. Statista<\/em>. https:\/\/www.statista.com\/chart\/4022\/mobile-subscriptions-and-world-population\/<\/p>\n

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Saxena, A.N. (2009). Invention of integrated circuits: untold important facts. World Scientific<\/em>. https:\/\/doi.org\/10.1142\/6850<\/p>\n

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Zhu, J., Liu, X., Shi, Q., et al<\/em>. (2020). Development Trends and Perspectives of Future Sensors and MEMS\/NEMS. Micromachines<\/em>. 11(1), 7. https:\/\/doi.org\/10.3390\/mi11010007<\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n

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Recibido: 27\/11\/2022. <\/strong>
\nAceptado: 13\/09\/2023.<\/strong><\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n

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