Análisis y Evaluación del Comportamiento de Sensores Piezoeléctricos

Abstract

Propósito: Las microbalanzas como sensores acústicos son extremadamente sensibles a cambios de masa y permiten medir películas muy delgadas típicas de los procesos de microfabricación (MEMS y semiconductores). Algunas de las aplicaciones más importantes involucran la medición de deposición del polímero parylene, utilizado en dispositivos médicos y el sensado de la deposición de antígenos y proteínas en canales microfluídicos. Metodología: Se desarrolló un macromodelo (modelo dinámico de orden reducido de dispositivos) basado en el modelo de Mason de líneas de transmisión acústica. Este modelo permite modelar múltiples capas piezoeléctricas (cuarzo, PVDF y AlN) y no piezoeléctricas (Al, Si3N4, parylene, líquido) encontradas en estos dispositivos. Se utilizó un modelo numérico (FEM) con deposición de parylene para validar el macromodelo y optimizar los parámetros para una microbalanza con disco de PVDF y para una con disco de cuarzo (QCM), con frecuencias de resonancia de 45.8MHz y 5MHz respectivamente. Se implementó también un modelo FEM para validar el macromodelo de una microbalanza con membrana de AlN con frecuencia de resonancia de 1.5GHz. En el modelo FEM se usó un sólido 3D elástico lineal piezoeléctrico para el cuarzo (trigonal 32), para el PVDF (ortorrómbico mm2) y para el AlN. El parylene fue modelado como un material elástico lineal isotrópico. Resultados: Parael macromodelo de la QCM, el corrimiento en frecuencia para espesores de deposición de parylene entre 1μm-20μm presentó un error promedio de 2.57% con una desviación estándar de 1.4% respecto a la solución analítica; para el modelo numérico, el corrimiento en frecuencia presentó un error promedio de 3.66% con una desviación estándar de 4.39% respecto al analítico. Para la microbalanza de PVDF en el macromodelo, el corrimiento en frecuencia para espesores de deposición de parylene entre 80nm-400nm presentó un error promedio de 4.18% con una desviación estándar de 4.55% respecto al modelo FEM. Para la microbalanza de AlN en el macromodelo, la frecuencia de resonancia presentó un error de 63.5% respecto al modelo FEM. Su aplicación en un medio líquido (agua) mostró la respuesta en frecuencia y la atenuación del factor de calidad (Q) en concordancia la literatura. Conclusiones: El macromodelo para los detectores gravimétricos concibe una herramienta confiable para modelar esta detección en el sistema completo fluídico-transporte-acústico.