Diseño y caracterización de micropinzas

Resumen Los sistemas microelectromecánicos (MEMS), son sistemas en la escala de los micrómetros que pueden integrar complejos elementos mecánicos, eléctricos, ópticos, electrónicos y otros más de manera monolítica en un solo substrato o “microchip”. Así, cada micromáquina puede contener sensores, actuadores, circuitos de cómputo y procesamiento. Nacidos de la industria de los circuitos integrados, los MEMS hallan aplicaciones que van desde la instrumentación militar hasta la comercial, constituyendo una industria de alto impacto económico, fortaleciendo ampliamente a las economías de los países líderes en estas tecnologías. Entre la variedad de actuadores MEM, se encuentran las micropinzas, las cuales se utilizan en diversos campos, entre los que destaca: la manipulación de partículas en la industria mecatrónica. Para llevar a cabo tales aplicaciones, es necesario que satisfagan los requerimientos de funcionamiento de cada caso, siendo particularmente importantes: su apertura, fuerza, frecuencia y la temperatura de operación. De acuerdo a los elementos que les dan origen, algunas micropinzas se basan en actuadores chevrón, otras utilizan U-beams, capacitores de diferentes tipos, o solamente arreglos de cantiléver. Cabe señalar que, las diversas aproximaciones que se realizan, tienen la finalidad de mejorar los parámetros de desempeño. En este trabajo, proponemos un nuevo diseño de micropinza, la cual tiene como elemento de diseño básico un actador chevrón, el cual a su vez se forma de un arreglo de cantiléver. Para analizar el funcionamiento de los elementos básicos, se hace uso del modelado teórico, así como de la simulación mediante Ansys, logrando que el error entre los resultados obtenidos sea muy reducido, en todos los casos, menor al 1%. Para el caso de sistemas complejos, de acuerdo con la literatura especializada consultada, el análisis se realizará mediante simulación. Además de considerar al Silicio como material estructural, se realizan simulaciones considerando la implementación de la pinza con Polisilicio y Nitruro de Silicio, con la finalidad de analizar la factibilidad de su uso, con base en el comportamiento de los parámetros de desempeño de las micropinzas implementadas. 2 Cabe señalar que, de un trabajo posterior, sobre la generalización de una de las micropinzas consideradas, se realizó una solicitud de patente, la cual se basa un el pandeo de los elementos cantiléver que, funcionan como base de los brazos de apertura de la nueva micropinza.

Abstract Microelectromechanical systems (MEMS) are systems in the scale of micrometers that can integrate complex mechanical, electrical, optical, electronic and other elements in a single substrate. Thus, each micromachine can contain sensors, actuators, computation and processing circuits. MEMS were born form the integrated circuits industry, they find applications ranging since military to commercial instrumentation, constituting an industry with a high economic impact, greatly strengthening to the economies of the leading countries in these technologies. Among the variety of actuators MEM, we can find the microgrippers, which are used in various fields, among them highlights: the handling of particles in the mechatronic industry. To carry out such applications, it is necessary that they satisfy the operating requirements of each case, being particularly important: their opening, strength, frequency and the operating temperature. According to the elements that give them origin, some micropinzas are based on chevron actuators, others use U-beams, capacitors of different types, or only cantiléver arrangements. It should be noted that the design approaches are made with the purpose of improving the microgrippers´ performance parameters. In this work, a new microgripper design is proposed, which has as basic element to a chevron actuator, which is formed by an arrangement of cantiléver. To analyze the performance of the basic elements of the microgripper, theoretical modeling is used, as well as the simulation, by Ansys. The error between theoretical results and simulation is very low, in all cases, less than 1%. Due to the complexity of the systems, microgriper analysis is made with simulation, as other cases found in the specialized literature. In addition to Silicon, simulations are carried out considering the implementation of the microgripper with Polysilicon and Silicon Nitride, in order to analyze the feasibility of their use as a structural materials, based on the behavior of the microgripper´s performance parameters. It should be noted that, after finished this work, based on the generalization of one of the micropinzas considered, a patent application was made, which is based on the buckling of the cantilever elements that work as a base for the opening arms of the new microgripper.