A medida que se reducen las dimensiones de trabajo y aumenta su complejidad, el equipo necesario para trabajar a esas dimensiones es cada vez es más especializado. De igual forma la intención de trabajar en el rango de la nano escala requiere de elementos cada vez más complejos y caros, que permitan la manipulación de estos objetos. Para ello los MEMS con sus reducidas dimensiones permiten, de una forma más apropiada, la manipulación de piezas con dimensiones inclusive menores a 1µm así, los MEMS ofrecen un enlace entre el macromundo y el nanomundo. La tecnología de almacenamiento de datos es una muestra del desarrollo donde los MEMS encuentran una utilidad al realizar este enlace.
El sistema de escritura termomecánica y lectura térmica es un modelo de la necesidad de crear diferentes elementos en la escala micrométrica, con el objeto de generar y manipular elementos y dispositivos en la escala nanométrica. Se puede decir que la microtecnología y la nanotecnología se encuentran altamente ligadas, ya que debe existir un fuerte enlace entre ambas tecnologías las cuales no se pueden ver ni tocar en el macro mundo. Se habla de generar dispositivos que puedan producirse en masa y de gran confiabilidad, además de que su costo
debe ser muy accesible. El usar las nuevas tecnologías para el manejo acelerado de grandes cantidades de información es prueba de ello.
Con el incremento en el uso de las memorias electrónicas, diferentes compañías y centros de investigación se han dado a la tarea de incrementar la cantidad de información que se puede almacenar y leer en los chips o memorias de silicio actuales. Por ejemplo, los "memory disk" de los 70´s podían almacenar alrededor de 100KB. Para 1981, aparecen los discos de 3½" y mucho más se ha avanzado desde el 12 de septiembre de 1958 en que se probó con éxito el trabajo de Jack Kilby, (Patente U.S.A. 3,138,743) inventor del conocido circuito integrado.
El rápido avance en la tecnología del almacenamiento magnético de datos puede medirse por los incrementos continuos en la densidad de bits de datos por área en los discos comerciales, creciendo actualmente a un rango de 100%. El efecto súper magnético que gobierna la estabilidad térmica de un Bit, limitará la densidad de datos de la tecnología actual de almacenamiento magnético de datos, a cerca de 100 GBit/in2. Diversos esfuerzos ingeniosos prometen expandir este límite más allá, por ejemplo, con un patrón magnético para grabado perpendicular y grabado magnético térmicamente asistido. De cualquier forma, no es claro cual tecnología permitirá dispositivos de almacenamiento capaces de 1 TB/in2 y mayores. Por otro lado, varias tecnologías de almacenamiento de datos basadas en AFM (Atomic Force
Microscope) que emplean la modificación de una superficie o indentaciones, que pueden
producir marcas cuyo tamaño es significativamente más pequeño que el tamaño de los bits grabados magnéticamente. La investigación de modificación de superficies por AFM incluye:
• Cantilevers AFM diseñadas para guiar radiación electromagnética en polímeros foto reactivos
• Puntas de cantilevers cuya carga electrostática directa puede oxidar localmente una superficie
• Deposición química local con la punta del AFM
• Indentación directa de materiales suaves
En la escritura termomecánica de datos, una viga cantilever de AFM calentada por resistencia esta en contacto con, y realiza un barrido sobre, un sustrato cubierto con una película delgada de polímero. El calor generado en el cantilever fluye a lo largo de su punta y hacia la película de polímero, de manera local se incrementa la temperatura de la película y causa que el polímero se suavice. La fuerza aplicada al polímero suavizado por el calor de la punta del cantilever, causa que el polímero se deforme, por lo tanto se produce una indentación, con un radio de curvatura tan pequeño como 20 nm, la figura 2.2, ilustra el proceso de la escritura termomecánica. Muchas formas de modificar superficies de un polímero por medios termomecánicos siguen esta aproximación. Una viga de silicio en cantilever, calentada por medios resistivos, puede usarse para detectar térmicamente la presencia de un dato-bit escrito previamente, permitiendo la lectura del dato. En la operación de lectura, el cantilever es calentado a una temperatura que esta debajo de la temperatura límite para formar un bit. Mientras el cantilever sigue el contorno del dato escrito previamente, el cambio de la impedancia térmica, entre el cantilever y el sustrato produce un cambio mesurable en el cantilever, almacenando la información de la señal de la temperatura dinámica de la punta del cantilever, al moverse sobre la superficie del polímero, se puede generar un mapa del contorno.
Figura 2.2. Diagrama de la escritura y lectura termomecánica. El mismo cantilever puede usarse para la escritura y lectura (King et al., 2002).
(a) (b) (c)
Figura 2.3. Cantilevers empleados en el sistema de lectura y escritura termomecánica. (a) Arreglo completo, (b) Ordenamiento de los cantilevers y (c) Acercamiento a un solo cantilever (King et al., 2002).
La figura 2.3, (a), (b) y (c), muestra los cantilevers que tienen 50 µm de longitud y una punta cuya altura es de 500 nm. Las versiones más recientes de este tipo de cantilever tienen una altura de punta más pequeña y más delgada, para mejorar el rendimiento de su sensibilidad. La intención de este cantilever es que se emplee en un arreglo o formación de 1024 cantilevers, en un arreglo cuadrado de 32 x 32, demostrando una exitosa lectura de datos termomecánicamente y con una densidad de datos de 100-200 GB/in2. (King et al., 2002).
Es un salto de 100 GB/in2 a 200 GB/in2, el diseño de estos cantilevers en grandes cantidades es factible, rentable y esta demostrando ser mecánicamente muy efectivo. Un claro ejemplo que demuestra el enlace entre el macro mundo y el nanomundo. A simple vista parece un chip como tantos otros, pero la simple idea de que se tiene una estructura mecánica de 50 µm de longitud trabajando a altas frecuencias (100 Khz.) es sorprendente.
Se observa que el objetivo de los MEMS es extender las capacidades del ser humano, permitiéndole interactuar y hacer cambios a nivel microscópico o incluso nanoscópico para mejorar su calidad de vida. Le dan al ser humano la capacidad de abrir una nueva área de la investigación, aplicable a todos los campos de la ingeniería. Esta idea inmediatamente se direcciona al nivel médico, para que en el futuro, se tengan sistemas miniaturizados que permitan hacer intervenciones médicas llamadas de mínima invasión.
2.6.1. Otras Aplicaciones
Los avances actuales en medicina ya tienen un largo camino recorrido, desde el punto de vista químico, ya existen los sistemas de detección de sustancias en el cuerpo, que pueden detectar desde alcohol hasta anticuerpos y virus, pasando por detectores de contenido de glucosa, drogas
de diferentes tipos y hasta sustancias desconocidas de esteroides y anabólicos, muy empleados por los deportistas de alto rendimiento etc. Pero también desde el punto de vista mecánico se han llegado a crear las primeras cápsulas para ser introducidas en el cuerpo y tomar diminutas muestras que pueden ser analizadas después, sin la necesidad de inmovilizar y anestesiar al paciente (Menciassi et al., 2005). Esto, llevado a un nivel más avanzado significa ahorros en tiempo de hospitalización y consumibles para el paciente, además de disminuir los traumas que esto representa. Probablemente en el futuro estas cápsulas no sólo tomen muestras sino también puedan hacer reparaciones o intervenciones quirúrgicas de manera automatizada o controladas a distancia.
En medicina, la cirugía de mínima invasión (MIS: Minimal Invasive Surgery) es una técnica reciente, en donde los procesos quirúrgicos en los órganos internos se realizan empleando incisiones muy pequeñas. A través de los orificios de la incisión, los mecanismos quirúrgicos y endoscopios se insertan para manipular los tejidos y observar la zona de la cirugía. Las imágenes de los órganos internos y los instrumentos quirúrgicos insertados se pueden observar en un monitor. MIS tiene muchas ventajas como la reducción del trauma, menor riesgo de inflamación, reducción de complicaciones post operatorias y rápida recuperación (Dargahi et al., 2000). Con respecto a la medición de presión de la sangre en las arterias coronarias, ésta se realiza comúnmente por medio de un catéter de transferencia de presión, que se encuentra lleno de líquido y conectado a un sensor de presión externo al cuerpo. Si se mide la presión por medio de un sensor miniaturizado, la respuesta, así como la exactitud de la medición, se pueden ver mejoradas. Por ejemplo, por medio de un diafragma conectado a una microestructura en un sistema encapsulado (Melvas et al., 2001).
Otras aplicaciones MEMS involucran sensado de fuerza y sensado de desplazamiento, basándose en el principio de detección de aceleraciones. Los acelerómetros de sensado de desplazamiento operan transluciendo la aceleración a medirse en desplazamiento de una masa movible. Los desplazamientos pueden entonces tomarse por medios ópticos, capacitivos, piezoresistivos o por principios de corriente de túnel. Los acelerómetros basados en el sensado de fuerza operan mediante la detección directa de la fuerza aplicada a una masa como resultado de la medición. El sensado resonante de las aceleraciones, puede clasificarse bajo la categoría de un acelerómetro
basado en sensado de fuerza. Aquí, la aceleración de entrada se detecta en la forma de un cambio en las características resonantes de un dispositivo de sensado acoplado a una masa.
Por otro lado, la detección de resonancias ha sido implementada exitosamente, no sólo en los dispositivos de microcanales para medir la aceleración, sino también en sensores de presión en cantilevers micromecánicas para AFM (Microscopio de Fuerza Atómica) e inmunosensores (Seshia et al., 2002). También se emplean en la navegación por GPS y sistemas de direccionamiento, sismometría para exploración de petróleo, medición de microgravedad y estabilización de plataformas espaciales así como mediciones acústicas submarinas (Yazdi & Najafi, 2000).