Los sistemas microelectromecánicos (MEMS) involucran el uso y desarrollo de dispositivos eléctricos del tamaño de una micra, como microelectrodos, sensores y actuadores que se integran en chips de computadoras y teléfonos inteligentes. La fabricación de tales dispositivos MEMS integrados suele ser una tarea desafiante, ya que estos dispositivos a menudo se desvían de su diseño original debido a los defectos introducidos durante su fabricación y operación. Esto, a su vez, limita su rendimiento. Por lo tanto, es crucial identificar y corregir estos defectos.
Una forma de identificar y corregir estos defectos es midiendo la distribución espacial de las propiedades eléctricas de estos dispositivos. Sin embargo, las sondas de sensor estándar no ofrecen la resolución espacial requerida y solo pueden determinar las propiedades eléctricas promediadas espacialmente. Debido a esto, es posible detectar solo la presencia de defectos, no su ubicación.
Afortunadamente, las gotas de cristal líquido (LCD), gotas de materia blanda del tamaño de una micra con orden de orientación molecular, ofrecen esperanza en este frente. Las pantallas LCD responden fuertemente a estímulos externos como un campo eléctrico y, por lo tanto, pueden actuar como una sonda de alta resolución.
Aprovechando esta promesa, el Dr. Shinji Bono y el Prof. Satoshi Konishi de la Universidad Ritsumeikan, Japón, ahora han utilizado pantallas LCD para visualizar las propiedades eléctricas de los electrodos microestructurados a través de una técnica llamada electrometría de imágenes de partículas. Sus hallazgos se publicaron en el Volumen 13 de la revista Scientific Reports el 16 de marzo de 2023.
El Dr. Bono explica la metodología de investigación. «Las pantallas LCD se dispersaron en microelectrodos dispuestos en una estructura similar a un peine encima de una losa de vidrio. Sus orientaciones moleculares, determinadas mediante microscopía óptica polarizada, se distribuyeron aleatoriamente cuando el campo eléctrico estaba ausente. Luego, se aplicó un voltaje a través de los electrodos». Debido a esto, las pantallas LCD entre los electrodos y frente a los extremos de los electrodos sufrieron rotación, sus orientaciones moleculares se alinearon perpendicular y paralelamente a los electrodos, respectivamente. Esta alineación, revelada por las simulaciones de COMSOL realizadas por los investigadores, correspondía a la dirección del campo eléctrico y ocurría más rápido con el aumento del voltaje. Se encontró que la frecuencia de relajación de la rotación variaba con el cuadrado del voltaje aplicado.
Además, a altos voltajes, las pantallas LCD mostraron traslación (movimiento lineal) hacia los electrodos, especialmente sus puntos finales, las regiones con máxima densidad de energía electrostática. Sobre la base de este comportamiento, los investigadores pudieron producir una serie de pantallas LCD mediante la modulación periódica de la densidad de energía en un dispositivo MEMS microcapacitivo. La matriz LCD, a su vez, sirvió como un modulador periódico del índice de refracción, un número que caracteriza la capacidad de flexión de la luz de un material.
Estos resultados demuestran que las propiedades eléctricas de los microelectrodos y los dispositivos microeléctricos se pueden visualizar simplemente observando el comportamiento de rotación y traslación de las pantallas LCD bajo un campo eléctrico. Además, la técnica proporciona una alta resolución espacial (10 μm) así como una alta precisión de detección (5 μV/μm). A la luz de estas características, el Prof. Konishi tiene grandes esperanzas puestas en sus aplicaciones. «Ayudará a mejorar el diseño y la fabricación de dispositivos microeléctricos integrados al proporcionar información sobre la ubicación del defecto, que hasta ahora no ha estado disponible. A su vez, pronto estará disponible una tecnología MEMS más sofisticada», concluye.
