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  • Los ingenieros reducen el microscopio a un dispositivo del tamaño de una moneda de diez centavos

    Un microscopio de fuerza atómica basado en MEMS desarrollado por ingenieros de la Universidad de Texas en Dallas tiene un tamaño de aproximadamente 1 centímetro cuadrado (centro superior). Aquí se adjunta a una pequeña placa de circuito impreso que contiene circuitos, sensores y otros componentes miniaturizados que controlan el movimiento y otros aspectos del dispositivo. Crédito:Universidad de Texas en Dallas

    Investigadores de la Universidad de Texas en Dallas han creado un microscopio de fuerza atómica en un chip, reduciendo drásticamente el tamaño y Ojalá, la etiqueta de precio:de un dispositivo de alta tecnología comúnmente utilizado para caracterizar las propiedades de los materiales.

    "Un microscopio de fuerza atómica estándar es un instrumento voluminoso, con múltiples lazos de control, electrónica y amplificadores, "dijo el Dr. Reza Moheimani, profesor de ingeniería mecánica en UT Dallas. "Hemos logrado miniaturizar todos los componentes electromecánicos en un solo chip pequeño".

    Moheimani y sus colegas describen su dispositivo prototipo en la edición de este mes de la Revista IEEE de sistemas microelectromecánicos .

    Un microscopio de fuerza atómica (AFM) es una herramienta científica que se utiliza para crear imágenes tridimensionales detalladas de las superficies de los materiales, hasta la escala nanométrica, aproximadamente en la escala de moléculas individuales.

    El diseño básico de AFM consiste en un pequeño voladizo, o brazo, que tiene una punta afilada unida a un extremo. A medida que el aparato escanea hacia adelante y hacia atrás a través de la superficie de una muestra, o la muestra se mueve debajo de ella, las fuerzas interactivas entre la muestra y la punta hacen que el voladizo se mueva hacia arriba y hacia abajo a medida que la punta sigue los contornos de la superficie. Luego, esos movimientos se traducen en una imagen.

    "Un AFM es un microscopio que 've' una superficie como lo haría una persona con discapacidad visual, tocando. Puede obtener una resolución que va mucho más allá de lo que puede lograr un microscopio óptico, "dijo Moheimani, quien ocupa la Cátedra Distinguida James Von Ehr en Ciencia y Tecnología en la Escuela de Ingeniería y Ciencias de la Computación Erik Jonsson. "Puede capturar características que son muy, muy pequeña."

    El equipo de UT Dallas creó su prototipo de AFM en chip utilizando un enfoque de sistemas microelectromecánicos (MEMS).

    "Un ejemplo clásico de tecnología MEMS son los acelerómetros y giroscopios que se encuentran en los teléfonos inteligentes, "dijo el Dr. Anthony Fowler, científico investigador del Laboratorio de Dinámica y Control de Nanosistemas de Moheimani y uno de los coautores del artículo. "Estos solían ser grandes, costoso, dispositivos mecánicos, pero usando tecnología MEMS, los acelerómetros se han reducido a un solo chip, que se pueden fabricar por unos pocos dólares cada uno ".

    El AFM basado en MEMS tiene un tamaño de aproximadamente 1 centímetro cuadrado, o un poco más pequeño que una moneda de diez centavos. Se adjunta a una pequeña placa de circuito impreso, aproximadamente la mitad del tamaño de una tarjeta de crédito, que contiene circuitos, sensores y otros componentes miniaturizados que controlan el movimiento y otros aspectos del dispositivo.

    Los AFM convencionales funcionan en varios modos. Algunos mapean las características de una muestra manteniendo una fuerza constante a medida que la punta de la sonda se arrastra por la superficie, mientras que otros lo hacen manteniendo una distancia constante entre los dos. "El problema de utilizar un enfoque de altura constante es que la punta aplica fuerzas variables en una muestra todo el tiempo, que puede dañar una muestra muy blanda, "Dijo Fowler." O, si está escaneando una superficie muy dura, podrías desgastar la punta, "

    El AFM basado en MEMS funciona en "modo de tapping, "lo que significa que el voladizo y la punta oscilan hacia arriba y hacia abajo perpendicularmente a la muestra, y la punta entra en contacto alternativamente y luego se levanta de la superficie. A medida que la sonda se mueve hacia adelante y hacia atrás a través de un material de muestra, un bucle de retroalimentación mantiene la altura de esa oscilación, creando finalmente una imagen.

    "En el modo de tocar, a medida que el voladizo oscilante se mueve a través de la topografía de la superficie, la amplitud de la oscilación quiere cambiar a medida que interactúa con la muestra, "dijo el Dr. Mohammad Maroufi, investigador asociado en ingeniería mecánica y coautor del artículo. "Este dispositivo crea una imagen manteniendo la amplitud de oscilación".

    Debido a que los AFM convencionales requieren láseres y otros componentes grandes para funcionar, su uso puede ser limitado. También son caras.

    "Una versión educativa puede costar alrededor de $ 30, 000 o $ 40, 000, y un AFM a nivel de laboratorio puede costar $ 500, 000 o más, ", Dijo Moheimani." Nuestro enfoque MEMS para el diseño de AFM tiene el potencial de reducir significativamente la complejidad y el costo del instrumento.

    "Uno de los aspectos atractivos de los MEMS es que puede producirlos en masa, construyendo cientos o miles de ellos en una sola toma, por lo que el precio de cada chip sería solo de unos pocos dólares. Como resultado, es posible que pueda ofrecer todo el sistema AFM en miniatura por unos pocos miles de dólares ".

    Un tamaño y un precio reducidos también podrían expandir la utilidad de los AFM más allá de las aplicaciones científicas actuales.

    "Por ejemplo, la industria de los semiconductores podría beneficiarse de estos pequeños dispositivos, en particular las empresas que fabrican las obleas de silicio a partir de las cuales se fabrican los chips informáticos, ", Dijo Moheimani." Con nuestra tecnología, es posible que tenga una serie de AFM para caracterizar la superficie de la oblea para encontrar microdefectos antes de que se envíe el producto ". El prototipo de laboratorio es un dispositivo de primera generación, Moheimani dijo:y el grupo ya está trabajando en formas de mejorar y agilizar la fabricación del dispositivo.

    "Esta es una de esas tecnologías en las que, como ellos dicen, 'Si lo construyes, ellos vendrán.' Anticipamos encontrar muchas aplicaciones a medida que la tecnología madura, "Dijo Moheimani.


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