Microbalanza de cristal de cuarzo: diseño y simulación

MARTÍN A. ZALAZAR; F A GUARNIERI

Simposio; 1er Escuela y Simposio de Micro y Nanotecnologia; 2008

Comisión Nacional de Energía Atómica

Propósito: Las microbalanzas son extremadamente sensibles a cambios de masa y permiten medir películas muy delgadas típicas de los procesos de microfabricación (MEMS y semiconductores). Una aplicación importante es la medición de deposición del polímero parylene, utilizado en dispositivos médicos. Los métodos numéricos permiten introducir efectos mecánicos no contemplados en los métodos analíticos. Metodología: Se desarrollaron dos modelos: uno eléctrico y otro numérico (FEM). Se eligió un espesor de cristal que genere una frecuencia de resonancia de aproximadamente 5MHz. En el modelo eléctrico se utilizó el circuito equivalente Butterworth-Van Dike modificado implementándolo en Simulink. En el modelo de FEM se usó un sólido 3D elástico lineal piezoeléctrico para el cuarzo (trigonal 32). El parylene fue modelado como un material elástico lineal isotrópico. La respuesta en frecuencia fue obtenida para ambos modelos. Resultados: En el modelo eléctrico la frecuencia de resonancia presentó un error de 0.18% respecto a la obtenida analíticamente para un espesor de cuarzo de 330μm. El corrimiento en frecuencia del modelo eléctrico para espesores de deposición de parylene entre 1μm-20μm presentó un error promedio de 4.83% con una desviación estándar de 2.9% respecto al analítico. En el modelo numérico la frecuencia de resonancia presentó un error de 14% respecto a la obtenida analíticamente. Para espesores de deposición de 8μm, 20μm y 70μm, los errores resultaron del 18.04%, 8.1% y 5.58% respectivamente. Conclusiones: Los resultados obtenidos con el modelo numérico se aproximan a las soluciones analíticas al aumentar el espesor.