Microbalanza de Cristal de Cuarzo: Diseño y Simulación

Abstract

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 circuital y otro numérico (FEM). Se eligió un espesor de cristal que genere una frecuencia de resonancia de aproximadamente 5MHz. En el modelo circuital 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 circuital la frecuencia de resonancia presentó un error de 0.18% respecto a la obtenida analíticamente para un espesor de cuarzo de 330µm. Su corrimiento en frecuencia para espesores de deposición de parylene entre 4µm-20µm presentó un error promedio de 4.83% con una desviación estándar de 2.9% respecto al analítico. Para el modelo numérico, la frecuencia de resonancia mostró un error de 14.74% respecto a la obtenida analíticamente para el mismo espesor de cuarzo. El corrimiento en frecuencia para espesores de deposición de parylene entre 1µm-20µm presentó un error promedio de 10.4% con una desviación estándar de 3% respecto al analítico. Conclusiones: Los resultados obtenidos con el modelo circuital conciben una herramienta confiable para modelar la deposición de parylene sobre el disco de cuarzo. Los valores obtenidos con el modelo de elementos finitos para esta deposición muestran la linealidad existente entre el espesor del parylene y el cambio en frecuencia como lo indica la ecuación de Saurbrey.