Download Redalyc. Usos del Dispositivo Electrocerámico de Deposición

THE
Journal of
Materials
Education
Journal of Materials Education
Universidad Autónoma del Estado de México
MÉXICO
vsm@uaemex.mx
University of North Texas
U.S.A
jaclum@facstaff.wisc.edu
ISSN: 0738-7989
2000
C.A. Randall / J. Van Tassel / A. Hitomi / A. Daga / R.N Basu / M. Lanagan
USOS DEL DISPOSITIVO ELECTROCERÁMICO DE DEPOSICIÓN ELECTROFORÉTICA
Journal of Materials Education, año/vol. 22, número 004-006
Universidad Autónoma del Estado de México
Toluca, México
University of North Texas
Denton, U.S.A
pp. 133-148
Journal of Materials Education. Edición en Español Vol. 22 (4-6) 133-148
USOS DEL DISPOSITIVO ELECTROCERÁMICO DE DEPOSICIÓN
ELECTROFORÉTICA
C.A. Randall, J. Van Tassel, A. Hitomi, A. Daga, R.N Basu, and M. Lanagan.
The Center for Dielectric Studies, Materials Research Laboratory, Pennsylvania State University,
PA 16802, USA
RESUMEN
La Deposición Electroforética (EPD) es un proceso coloidal confiable y de bajo costo que puede ser
utilizado para adherir polvos de metal submicrónicos y cerámicos a capas delgadas de película
estampada y de revestimiento. Demostramos las estructuras y los dispositivos simples procesados
por EPD y hacemos constar las potenciales ventajas sobre los procesos tradicionales de películas
gruesas y delgadas. Se proporciona una breve descripción acerca de la ciencia de los coloides que es
relevante para la EPD de partículas de metal y las electrocerámicas. Una vez que se ha desarrollado
un adecuado tratamiento químico para una suspensión coloidal de un material en particular, la EPD
puede ser utilizada para hacer una variedad de estructuras a escalas dimensionales que no podrían
ser logradas utilizando procesos convencionales.
Palabras Clave: Electrocerámica; Deposición Electroforética; EPD.
INTRODUCCIÓN Y ANTECEDENTES
Los dispositivos pasivo electrónicos son
producidos principalmente utilizando métodos
de proceso con películas gruesas, tal como una
impresión de pantalla o fundición de cinta. En
estos procesos un componente es formado al
mover mecánicamente una mezcla de
partículas y solventes hacia una configuración
deseada. Se obtiene entonces la densidad final
al secar el solvente de la capa o patrón
formado, y calentando las partículas hasta
formar un cuerpo denso.
En la EPD, las partículas son directamente
afectadas por un campo eléctrico. Las
partículas también son suspendidas en un
solvente y se les aplica químicamente una
carga electrostática. La aplicación de un campo
eléctrico a la suspensión causa entonces que las
partículas cargadas migren hacia el electrodo
opuestamente cargado. Ahí las partículas son
agrupadas en una forma fina por medio del
campo eléctrico impuesto, el cual es
independiente del solvente suspendido. Si las
partículas se mantienen separadas dentro de la
suspensión y llegan a la deposición
individualmente, se pueden obtener altas
densidades con una excelente uniformidad de
grosor de deposición y de empaquetado de
partículas.
La EPD es un proceso de partículas y debe ser
distinguido de los procesos químicos como la
electroformación, la electrodeposición y la
deposición sin electrodos. El proceso de
deposición química deposita materiales; un
átomo o molécula a la vez. Los procesos de
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Randall, Van Tassel, Hitomi, Daga, Basu y Lanagan
deposición química tienen la ventaja –sin
sinterizar– de producir una capa densa pero
están limitados a elementos o compuestos
simples, normalmente metales. La EPD
deposita partículas que contienen billones de
átomos cada una y por lo tanto es capaz de
controlar tasas de deposición de masa más altas
en magnitud que los procesos químicos. La
EPD no está tampoco limitado a cualquier
clase de materiales. Los polímeros, la aleación
de metales y las partículas de óxido complejas
han
sido
todas
depositadas
electroforéticamente.
+
+
+
+
+
+
+
+
+
++
++
++
++
Figura 1. Partículas cargadas positivamente
migrarán y se depositarán sobre una superficie
cargada negativamente.
LA FABRICACIÓN DEL DISPOSITIVO
ELECTRÓNICO
El moldeo por cinta y la impresión de pantalla
son las principales tecnologías utilizadas en la
fabricación de componentes pasivo-electrónicos,
tales como: los condensadores, inductores,
reostatos, etc., ambos dispositivos independientes
y como circuitos análogos sobre un sustrato. Al
igual que con muchas tecnologías de
fabricación de electrónicos existe una continua
presión por fabricar estos componentes y
circuitos de forma más pequeña, más barata y
de menor necesidad de energía para poder
empacar mas cantidad de manera más
funcional dentro de contenedores más
pequeños. Los tamaños de las capas y
características en los dispositivos fabricados
tradicionalmente por medio de procesos de
película gruesa, a nivel de micras necesitarán
descender por debajo del nivel de sub-micras
para la siguiente generación de dispositivos.
Hay varias tecnologías compitiendo por el uso
en la fabricación de estos dispositivos de la
futura generación. Hay procesos de película
gruesa, moldeo por cinta, impresión de pantalla
y otras técnicas de impresión. A pesar de que
éstas han estado en uso industrial por cuarenta
años y pudieran estar llegando al límite de su
aplicabilidad, son aún materia de considerables
inversiones para la investigación industrial.
También existe un interés en la adaptación de
las técnicas de película delgada para el
desarrollo de estándares, como el baño de gel
en solución y otras técnicas de deposición
directa en película delgada, combinadas con la
fotolitografía. Algunos procesos combinan la
impresión de pantalla con las técnicas
fotolitográficas para desarrollar tamaños finos
y característicos. Sin embargo, los recientes
avances en la producción de partículas de alta
calidad sub-micrón y nano, clasificadas según
el tamaño, han creado una oportunidad para
otro método de procesado de partículas, la
deposición electroforética.
La diferencia primaria entre la EPD y los
métodos de partículas de película gruesa
tradicionales es el método de sedimentación de
las partículas. El moldeo por cinta y la
impresión de pantalla utilizan una película fina
de tinta hecha de partículas dispersadas a una
concentración del 40 a 50% de volumen.
Después de que la película fina se ha moldeado
o de que la tinta se ha impregnado, necesitara
encogerse un 20 o 40% para formar una buena
capa verde de partículas con una densidad de
~60%. Debido a la inherente estabilidad del
proceso de secado, es difícil producir capas
uniformes que tengan el grosor de unas cuantas
partículas. En la EPD las partículas vienen de
una distribución esencialmente aleatoria dentro
de la suspensión y están directamente
consolidadas a una densidad de ~60% a través
del campo eléctrico aplicado. Ocurre una
contracción mínima durante el secado, esto
significa que aún después del secado una capa
depositada con un grosor de tan solo dos a tres
partículas de diámetros mantendrá la
continuidad en los contactos intrapartícula del
reticulado –exento de grietas– que es necesaria
para sinterizar la capa continua. Esto le da a la
EPD la versatilidad para producir las capas más
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Usos del dispositivo electrocerámico de deposición electroforética
delgadas posibles a partir de un polvo hecho de
partículas de un determinado tamaño obtenidas
con cualquier otra técnica de manufacturación.
Mientras que mucho del esfuerzo se pierde en
la reducción del grosor y el tamaño de las
capas y estándares producidos por medio del
proceso de película gruesa, otros investigadores
intentan llevar los procesos de película
delgada a una escala superior. Tal es el caso de
los procesos usados para producir películas
continuas a una escala de grosor sub micrón o
nanométrico, como la deposición química de
vapor,
un
rayo
molecular
epitaxy,
escurrimiento, revestimiento con un gel en
solución y la disposición electromecánica. Una
de las ventajas de la EPD sobre estos otros
métodos radica en que es un método basado en
las partículas. La estequeometría puede ser
controlada durante la etapa de producción de
las partículas, permitiendo que se formen
óxidos complejos mediante la adición
controlada y precisa de dopant. El
revestimiento de gel en solución es la única
técnica alternativa de película delgada que
ofrece el mismo nivel de control en la
estequeometría; sin embargo, el gel en solución
tiene sus propios problemas como son la alta
contracción y un gran contenido orgánico, el
cual debe ser quemado antes del sinterizado.
Además de la estequeometría y no tan sólo con
ésta, el proceso de partículas retiene el
potencial para el control morfológico, mismo
que no puede ser logrado con ninguno de los
procesos de película delgada. Las partículas
pueden ser cubiertas con varios materiales para
crear una micro estructura diseñada, por
ejemplo: los componentes transitivos de la fase
líquida que promueven el sinterizado, los
aditivos de fijación de grano para prevenir el
crecimiento exagerado del grano, las fases
especiales de unión al grano para promover o
inhibir la conducción, y dopants de superficie
que parcialmente se difunden en los granos
durante el sinterizado para proveer un
gradiente de contenido desde el centro del
granos hasta su superficie de contacto. Esta
última técnica es especialmente importante
para formar la microestructura del núcleo
enconchado del titanato de bario que es
necesaria para nivelar su comportamiento
135
temperatura/capacidad cuando se aplica en los
capacitores.
Por otra parte existen también intentos para
crear procesos híbridos, los cuales pueden
combinar
las
ventajas
del
control
estequeométrico de un proceso de partículas
con alto poder de resolución de detalles de la
fotolitografía. Un ejemplo de este tipo de
sistema es el sistema FodelTM comercializado
por DuPont. En este proceso, una capa delgada
y continua de un material de partículas es
impresa por medio de la pantalla sobre una
superficie. Mezclado con la tinta de impresión
de la pantalla, hay un sellador fotosensible. El
patrón se cura exponiéndolo a la luz UV y el
material de exceso es enjuagado.
Llegamos así a la ventaja más significativa de
la EPD sobre otros procesos de película
delgada: el costo. Todas las técnicas de
deposición molecular de película delgada son
procesos lentos, y con excepción de la
deposición electroquímica, requieren cámaras
de proceso al vacío muy caras. Mientras que
los procesos de tipo gel en solución y Fodel
requieren de equipo más barato para formar
una película inicial continua, todas las técnicas
mencionadas anteriormente dependen de un
proceso de fotolitografía para producir sus
estándares. Esto añade pasos adicionales al
proceso que no pueden ser llevados a cabo a las
velocidades
acostumbradas
durante
la
fabricación
masiva
de
componentes
electrónicos.
Además,
para
producir
componentes y estándares de circuito la
mayoría de los materiales que han sido
depositados deben de ser lavados. Durante la
producción masiva esto puede resultar en un
costo considerable.
Con la EPD, se puede hacer una deposición de
partículas en segundos sobre un estándar
electrolizado en un portador. Esta deposición
sobre el estándar puede entonces ser transferida
–usando los procedimientos estándares de
laminación– desde el portador hasta un almacén
de cinta multi capas sobre una pila mojada en
un sustrato. El portador con el estándar
electrolizado puede ser utilizado repetidamente
desperdiciándose así muy poco material.
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Randall, Van Tassel, Hitomi, Daga, Basu y Lanagan
A pesar de que hay efectos electroquímicos y
electrohidrodinámicos complejos funcionando
en este proceso aparentemente sencillo, no
serán mencionados; el conocimiento acerca de
ellos no es necesario para aplicar el proceso
efectivamente. En este artículo, cubriremos el
uso potencial de la EPD para la formación
altamente uniforme de películas y deposiciones
de estándares poliméricos, cerámicos y de
metales para la fabricación de los dispositivos
electrónicos.
DEPOSICIONES ELECTROFORÉTICAS
Existen tres pasos básicos para la formación de
una película densa o estructura cuando se usa
la EPD. El primero y más critico de los pasos
es la creación de una suspensión estable,
cargada, no acuosa de partículas para ser
depositadas. El agua normalmente no puede ser
utilizada como el solvente de la suspensión ya
que a voltajes de deposición superiores a 3 o 4
voltios, ésta se electrolizará, produciendo
burbujas de hidrógeno u oxígeno, las cuales
desestabilizarán la continuidad de la
deposición. El segundo paso es la deposición
del polvo. Este es afectado por el campo
eléctrico y los gradientes de composición
química, y la convección electrohidrodinámica
y gravitacional de la suspensión y la
resistividad de la disposición a medida que ésta
se forma.
Finalmente, la deposición es sustraída del
solvente, secada y sinterizada hasta alcanzar su
densidad final. El secado y el sinterizado son
mencionados conjuntamente ya que ambos
son principales generadores de tensiones
laterales en la disposición, hecho que puede
llevar a la fractura de la deposición.
Formación de la Suspensión
El primero y más crítico de los pasos en el
proceso EPD es la creación de una suspensión
estable y dispersa del polvo que va a ser
depositado. Las partículas de polvo deberán ser
dispersadas para que cada partícula de escala
sub micrón o nano pueda moverse
independientemente en el solvente. Una
suspensión estable es aquella donde existe que
mantiene a las partículas dispersas. Si un límite
las partículas se acercan demasiado entre ellas,
la fuerza London-Van der Waals (L-VdW) las
unirá y mantendrá unidas de tal forma que solo
una agitación de alta energía las pudiera
separar nuevamente. Por otra parte, a medida
que las partículas se unen formando un grumo,
el radio entre la fuerza hidrodinámica y la
gravitacional cambia y las partículas
comienzan a sedimentarse rápidamente fuera
de la suspensión. Aún cuando la EPD se realice
antes de que la suspensión se sedimente –haciendo
que las partículas se depositen como grumos en
lugar de mantenerse como partículas primarias
independientes– esto llevará a una baja
densidad y a una deposición no uniforme que
tiene una mayor probabilidad de quebrantarse
al secarse.
La Fuerza London – Van der Waals
La Fuerza London– Van der Waals está
formada por tres componentes; los dos
primeros son de frecuencia dipolar cero y de
interacciones dipolares inducidas, las cuales
contribuyen muy poco a la interacción en los
sistemas coloidales. La tercera fuerza es la
fuerza de dispersión o de London. Es una
fuerza mecánica quantum resultado del
intercambio de fotones virtuales entre dipolos
virtuales resonantes, creados en un material a
nivel atómico, molecular y de cristal de una
estructura. Para obtener la fuerza total de
interacción, la respuesta resonante electromagnética
del material es integrada al espectro
electromagnético desde el infrarrojo pasando
por el visible y llegando hasta el ultravioleta.
Dependiendo de su geometría, existen
diferentes fórmulas para calcular la fuerza de
interacción L-VdW entre dos cuerpos. Cada
una de estas dos fórmulas es el producto de dos
componentes, uno de ellos es “el componente
geométrico” que depende únicamente de la
forma y la distancia de separación entre los
cuerpos interactivos, y el segundo es una
constante Hamaker la cual es una función de
las propiedades electromagnéticas de los
materiales que están interactuando y del medio
que los separa. La formula Israelachvili1,
mostrada abajo, puede ser usada para obtener
Journal of Materials Education, Edición en Español Vol. 22 (4-6)
Usos del dispositivo electrocerámico de deposición electroforética
una estimación acertada de la constante de
Hamaker para dos cuerpos de material 1
separados por un solvente 3 (A131). La parte
más grande de esta fuerza proviene del
segundo término (>98%) de la ecuación, la
cual depende de los índices relativos a la
refracción (n) de los materiales. Entre más
grande sea la diferencia entre los índices
refractivos del solvente y las partículas
suspendidas, mayor será la atracción entre las
partículas.
El índice refractivo del material utilizado en
esta fórmula es una medida de la polarización
del material. Entre más polarizable sea el
material, más fuerte será la atracción L-VdW.
La diferencia en el índice refractivo entre las
partículas y el solvente que las rodea es
significativa ya que también hay una atracción
L-VdW entre el solvente y las partículas. Si el
espectro dieléctrico del solvente es el mismo
que el de las partículas, entonces la atracción
de las partículas/solventes será la misma que la
atracción partícula/partícula. Esto significa que
no habrá una red de atracción de partícula–
partícula en dicho solvente.
2
2
3  ε 1 − ε 3 
3hν e (n1 − n3 )
 +
A131 = kT
3
4  ε1 + ε3 
16 2 (n12 + n32 ) 2
2
2
137
Fórmula para el Cálculo Constante Hamaker desde [5]
1  2a 2
2a 2
r 2 − 4a2 


Φ = − A131
+ 2 + ln
r
r2 
6  r 2 − 4a 2
Energía de Atracción Van der Waals
entre dos Partículas de Radio a
La Constante Hamaker vs. el Índice Refractivo
5E-19
4.5E-19
Oro
4E-19
3.5E-19
3E-19
2.5E-19
2E-19
PZT
Titanato
Titanato de Bario
1.5E-19
Zirconia
1E-19
Silica (quartz)
5E-20
Mica
Alúmina
0
1
1.5
2
2.5
3
3.5
Índice Refractivo
Figura 2. La Constante Hamaker (A131) vs. el Índice Refractivo para una variedad de partículas dispersadas en
etanol
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La Figura 2 muestra el dramático aumento en
la atracción de energía que va desde el bajo
índice de refractivo de materiales que han sido
objeto de muchos estudios EPD (Al2O3, SiO2),
pasando por los materiales electrocerámicos
típicos y llegando hasta el metal.
Esto ilustra una razón por la cual la EPD no ha
sido utilizada previamente en las aplicaciones
electrocerámicas. Ya que la energía atrayente
entre las partículas está linealmente relacionada
a la constante Hamaker (A131), a cualquier
distancia de separación, la energía atrayente de
las partículas de titanato de bario en etanol será
cinco veces mayor que aquella de las partículas
de alúmina. Esto no hace imposible la
fabricación de suspensiones estabilizadas de
manera electrostática a partir de estas
electrocerámicas altamente polarizables, pero
si indica que se necesita tener más cuidado en
su preparación para proveer las mayores
distancias de separaciones que requieren los
electrocerámicos y los metales.
Fuerzas de Repulsión
Existen dos métodos principales para la
estabilización de una suspensión de partículas
para contrarestar la fuerza de L-VdW: la
estabilización estérica y la estabilización
electrostática. En la estabilización estérica las
partículas son cubiertas con un material,
normalmente un polímero el cual es lo
suficientemente grueso como para mantener a
las partículas fuera del alcance de la fuerza de
L-VdW. El polímero tiene usualmente un
índice refractivo muy parecido al del solvente,
que no tiene una fuerza significante de
atracción de L-VdW por si mismo. Dentro de
la estabilización electrostática la superficie de
la partícula es dada por medio de una carga
electrostática, la cual atrae una nube de contraiones alrededor de la partícula. Si dos
partículas se acercan una a la otra, sus nubes
iónicas se ven forzadas a sobreponerse, lo cual
crea una fuerza de repulsión entre las
partículas.
que ver con suspensiones estabilizadas
electrostáticamente. No existe una razón
teórica del por qué la EPD no puede ser
realizada en las suspensiones estabilizadas
estéricas, sin embargo, si hay dos
requerimientos que deben cumplirse: primero,
las moléculas o polímeros, cuya intención es
proveer con la barrera estérica, deben
absorberse a la superficie de las partículas al
mismo tiempo las partículas deben recibir una
carga electrostática para que puedan ser
movidas dentro del campo eléctrico; segundo,
la barrera estérica no debe ser tan fuerte como
para que no pueda ser superada por el campo
eléctrico y las partículas depositadas. Ya que el
único requerimiento para la estabilización
electrostática es el desarrollo de una carga
superficial
suficiente
sin
crear
una
concentración iónica excesiva en el solvente; la
mayoría de los investigadores ha considerado
este problema como el de más fácil solución.
Desarrollo de la Carga Superficial
Existen cuatro mecanismos que afectan la
formación de la carga superficial. Desgraciadamente,
estos mecanismos frecuentemente actuarán en
contra uno del otro, limitando la carga
superficial que pueda ser desarrollada.
El primer mecanismo de carga está basado en
el concepto ácido/base de Bronsted. Las
superficies óxidas, incluyendo los metales que
forman dichas superficies, pueden reaccionar
con el agua para formar una capa superficial de
hidróxido de metal. Estos grupos de hidróxido
de superficie pueden entonces actuar ya sea
como donadores o receptores de protones. Esto
nos lleva al comportamiento familiar de la
curva “S” en suspensiones acuosas, con las
partículas cargadas positivamente en condiciones
ácidas y las cargadas negativamente en
condiciones básicas.
H
O
O M
M
Ya que las partículas necesitarán ser cargadas
de todas maneras por medio de la EPD, casi
toda la literatura publicada sobre la EPD tiene
H
H
O
O M
O M
H
H
O
O M
O M
H
O M
O M O
H
H
O
O M
M
H
H
O
O M
O M
H
H
H
O
O M
O M
H
O
O M
O M O
—MO + —M + H O ⇔ 2 —MOH
2
Figura 3. Hidratación de una superficie de metal
óxido
Journal of Materials Education, Edición en Español Vol. 22 (4-6)
Usos del dispositivo electrocerámico de deposición electroforética
H
H
H
O
H O
+
O
HH +
H
O
H
+
O H
O
H
O
–
–
O H
H
O
O–
O
O
O
H
AÁcido
cid
–
H+
O H
H
H
–
–
O
H
O
O
H
–
– O
O
O
H
–
O
O–
O–
+
H
+
+
H
H
+
Base
Base
H
+
H
+
H
H
Figura 4. Superficie cargada regulada por protones
de aceptación/donación.
El segundo mecanismo es la adsorción
selectiva de los iones. En este caso iones
particulares se unirán en lugares específicos
superficiales. Un ejemplo de esto es el
contrastante comportamiento del ZrO2 en el
etanol acidificado con ácidos hidroclórico y
sulfúrico. Con HCI, la superficie unirá
químicamente los protones mientras que los
iones cloruro pueden permanecer disueltos en
el etanol, dando a las partículas un potencial
zeta positivo de ≈34 mV. Con la adición de
H2SO4, aun que la solución se vuelve más
ácida y presumiblemente mas aceptora de
protones, ocurrirá por lo tanto la misma
absorción de protones que con el HCI; la
adsorción específica del ión de sulfato superará
este efecto y las partículas desarrollarán un
potencial zeta negativo de aproximadamente
–10 mV.
139
El tercer mecanismo es la disolución
preferencial de los iones. El ejemplo más
común es la carga de los cristales plateados de
yoduro en el agua. Cambiando la concentración
de iones Ag+ o I− en el solvente, cambiará el
equilibrio de la disolución en la superficie. Las
partículas cristalinas en el solvente desarrollarán la
carga de la superficie del ión menos soluble.
Esta disolución puede ser un problema para
algunas de las electrocerámicas. En nuestra
experiencia es más fácil crear una carga
positiva adecuada para la estabilidad que una
carga negativa. Esto causa un problema en el
que las condiciones ácidas que crean la carga
positiva también facilitan la disolución de
iones grandes y fácilmente solubles como el
Ba+2, Pb+2 y otros iones similares que son
componentes comunes de los materiales con
una constante dieléctrica alta. Esto reducirá la
carga superficial de las partículas así como
también aumentará la fuerza iónica de la
suspensión, en ocasiones a un punto en el que
ya no es estable.
Figura 5. Carga superficial creada por una
disolución preferencial
+
M
+
–
+
–
+
–
+
–
+
– + –
+
M
–
+
M
–
–
–
–
–
+ –
–
+ –
–
+
M
+
M
+
M
+
M
+
M
H
H
+
M
+
M
H O
H
O
+
M
H
O
H
+
O M
O
H
O
O H
O
O
H
O
+
M
H
H
H
O
O
O
H
O
H
+
M
+
M
+
M
H
O H
O H
+
O
M
O
O
O
O
HH
+
H
HH M
O
O
H
Figura 5. Carga superficial creada por la adsorción
selectiva
El mecanismo final también actúa para limitar
el potencial superficial que puede desarrollarse.
A medida que un tipo de ión se adsorbe
químicamente a la superficie, existe una
atracción electrostática entre el ión adsorbido y
su ión opuesto. Si el ión opuesto permanece en
la solución, la atracción entre aquellos y la
superficie es lo que provee la doble capa
repulsiva. El electropotencial que puede
mantenerse entre la superficie y los iones en
una solución dependerá de la libre energía de
asociación entre los iones químicamente
adsorbidos y disueltos.
Journal of Materials Education, Edición en Español Vol. 22 (4-6)
140
Randall, Van Tassel, Hitomi, Daga, Basu y Lanagan
La Electrofóresis y la Deposición
La primera parte de este paso es el transporte
electroforético de las partículas al electrodo de
deposición. Cuando un campo eléctrico es
aplicado a través de la suspensión, las
partículas comenzarán a migrar a través del
solvente a una velocidad aproximada dada por:
u=−
ε r ε oζ
E .
η ∞
Esto daría una velocidad de translación de 18
µm/s para una partícula con un potencial
superficial de 30 mV dentro de un campo
eléctrico de 30 V/cm en etanol, εr = 24.3
Además de este transporte electroforético, hay
usualmente un transporte convectivo adicional
en la masa de la suspensión. Esto puede ser
gravitacional, debido a los gradientes de
densidad que se forman en la suspensión por
medio
de
la
electrofóresis
y
la
electrohidrodinámica, y debido a la fuerza iónica
y conductividad, y gradientes de voltaje en la
suspensión causada por la electromigración y las
reacciones electroquímicas en los electrodos; e
introduciendo intencionalmente bombas de
agitación o circulación.
En el caso donde la conductividad de la capa
de partículas depositada es menor que la
conductividad de la suspensión dispersa
–condición común en la deposición de polvos
de óxido– este transporte convectivo de calor
puede tener un efecto relativamente pequeño
en la uniformidad del grosor de la capa
depositada. Dicha capa actúa como un reóstato
en serie durante la deposición. Se crea una gran
baja en el voltaje a través de la capa depositada
como una función del grosor. En las áreas en
donde la deposición es más delgada que el
término medio, la baja del voltaje a través de
dicha área será menor, por consiguiente el
campo de voltaje en la suspensión será mayor,
estimulando el transporte de las partículas para
llenar la delgada área de la deposición. Lo
opuesto sucede donde la deposición comienza
a engrosar. Este efecto de auto nivelación
puede resultar en capas extremadamente
uniformes sobre grandes áreas y geometrías
complejas.
Finalmente hay un proceso de deposición.
Cuando las partículas alcanzan la superficie de
la creciente capa de deposición, las fuerzas que
las mantienen separadas en la masa de la
suspensión deben ser vencidas y las partículas
deben ser introducidas en un contacto íntimo.
Una vez que las partículas están en contacto
con la fuerza L-VdW y/o la unión química en
los puntos de contacto de las partículas causará
que las partículas se adhieran una con otra y
formen una rígida deposición. Existen cuatro
posibles mecanismos para vencer la repulsión
entre partículas y hacer contacto con éstas en la
capa de deposición:
1. Fuerza Directa Electrostática. En este
caso la fuerza es suficiente para vencer
la repulsión intrapartícula debido al
campo eléctrico en la partícula cargada.
2. Sedimentación. En este caso es la
fuerza combinada de la capa de
partículas que resulta en la deposición
de una capa interior mientras que la
capa exterior fluirá una vez que el
campo eléctrico se ha apagado. La
existencia de una capa lechada en la
superficie de una deposición fue
mostrada en una deposición de
carbonato de magnesio en metanol por
Koelmans y Overbeek.2
3. Cambios Iónicos Atmosféricos. Un
gradiente de alto voltaje en la capa
depositada puede resultar en un
significante cambio de la concentración
y composición de la atmósfera iónica.
Este cambio en la concentración iónica
puede significativamente reducir la
repulsión intrapartícula, permitiendo
que la partícula se deposite.2
4. Descarga de Partículas. Surowiak3 ha
mostrado que bajo ciertas condiciones
una gradiente de alto voltaje despojará
a los iones cargados de la superficie de
las partículas, eliminando la repulsión
electrostática.
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Usos del dispositivo electrocerámico de deposición electroforética
Complicando el análisis del proceso de
deposición está el hecho de que, a medida que
la deposición de partículas no conductivas
progresa, la caída del voltaje en el sistema
ocurre cada vez más en la capa depositada.
Esto fue mostrado por medio de medidas de
voltaje hechas a través de un baño de
deposición por Sarkar et al.4 Esto significa que
gradientes de voltaje relativamente benignos
aplicados sobre un sistema completo pueden
llegar a ser gradientes muy extremos dentro de
la capa depositada.
Ninguno de estos procesos es exclusivo de los
otros. Es más probable que cada uno de estos
procesos se lleve a cabo bajo diferentes
condiciones y algunos de ellos se lleven a cabo
simultáneamente.
Después de la deposición, existe una capa de
partículas rígidas bien adheridas y compactadas
sobre la superficie de la deposición que entró
en contacto con el electrodo. La deposición
tiene la suficiente consistencia como para ser
lavada suavemente con un solvente. Esto
removerá las partículas que acompañen a la
suspensión de la película que cubre la
superficie del electrodo portador mientras es
sacado del baño de deposición. Estas
partículas, las cuales están solamente cerca de
la superficie de deposición y no son parte del
deposito creado por EPD, se enjuagan
fácilmente, dejando solo los depósitos creados
por la EPD.
Secado y Calentado
La parte final del proceso es secar el solvente
de la deposición. Aunque las partículas estén
bien comprimidas por el proceso EPD, algún
reacomodo y una ligera densificación adicional
son posibles. El siguiente ejemplo ilustra las
magnitudes relativas de las fuerzas generadas
por la EPD y el secado respectivamente.
Una deposición de 7 µm de polvo de Al2O3,
fue hecha en etanol usando una corriente
constante. Durante el curso de la deposición, el
voltaje a través de la celda aumentó de 20 a 64
voltios. Si asumimos que los 44 voltios de
aumento ocurren a través de la capa depositada
141
podemos calcular una presión debido al campo
eléctrico
P = ε rε o
V2
.
d2
Para una baja en voltaje de 44V a través de una
capa de deposición de 7 µm la presión
Maxwell es de ≈ 8 kPa. Esta es una super
simplificación de lo que está ocurriendo en la
capa de deposición pero nos da una idea de las
fuerzas relativas involucradas.
Durante el secado, una tensión capilar es
creada en el compacto de partículas a medida
que la interfase del solvente/vapor se mueve
hacia los poros durante la fase final de secado.
La tensión capilar es una función de las
energías de la superficie de las interfases
solvente/vapor y solvente/partícula y los
diámetros de los poros en el compacto. Esta
presión capilar puede ser estimada por
P = γ LV cos(θ )
SV
VP V
de la referencia 5. Dado que: la superficie de
energía γ LV de etanol 2.197 N/m, ángulo de
líquido/sólido, el
contacto ≈ 40°, SV θ
volúmen de la unidad/área es calculado usando
el área superficial de polvo = 9.9 m2/g,
densidad teórica del α-alúmina es de 4 g/cc, la
densidad de deposición de empacado 60%, y
V PV la porosidad de la fracción del volumen, la
tensión capilar estimada es de ≈ -100 Mpa.
Como puede observarse en la fórmula anterior,
la variable más significativa que afecta el estrés
de secado es el radio entre la superficie el
volúmen, el cual está inversamente relacionado
con el tamaño de la partícula. Mientras que la
energía superficial líquido-vapor puede ser
eliminada por medio del secado super-crítico,
eliminando así el estrés por secado; a
temperaturas y presiones normales es difícil
tener un impacto significativo en esta variable,
y frecuentemente, algo que reduciría esta
energía también reduciría el ángulo de mojado,
negando así el efecto. Sin embargo, cada paso
que va desde micrón a sub-micrón hasta los
Journal of Materials Education, Edición en Español Vol. 22 (4-6)
142
Randall, Van Tassel, Hitomi, Daga, Basu y Lanagan
polvos de escala nano involucra un aumento en
orden de la magnitud en la tensión capilar.
Películas delgadas/densas (1 a 30 µm) en un
Sustrato
Una densa capa electroforética depositada se
comportará como un frágil sólido con la
probabilidad de agrietarse durante el secado,
una función del defecto del tamaño y volúmen
bajo estrés. Notablemente, a pesar del orden de
la magnitud de alto estrés durante el secado,
comparado a la deposición de la escala de
polvos sub-micrón Al2O3 en el ejemplo
anterior, el agrietamiento no es un problema en
las capas depositadas continuamente hasta 0.1
mm, secadas sobre un sustrato plano y rígido.
El agrietamiento en capas más delgadas es una
indicación usualmente de una deposición de
baja densidad y puede ser eliminada al mejorar
la estabilidad de la suspensión de deposición.
Al mover las partículas de nano escala, el
proceso de estrés brincará a otro orden de
magnitud. Sin embargo, dado que una de las
razones primarias para el depósito de los
materiales con nano partículas será formar un
grosor en la capa dentro de la región baja de
sub micrón, este estrés no debería ser un
problema mientras se puedan formar
deposiciones densas, uniformes y libres de
partículas.
El método más común para la fabricación de
películas y estructuras estándar en sustratos
rígidos es por medio de la impresión de
pantalla. Este método domina la fabricación de
circuitos microeléctricos híbridos donde los
metales, reostatos, condensadores e inductores
son impresos y calentados exitosamente sobre
sustratos rígidos de alúmina y óxido nítrico de
aluminio para construir capas de sistemas de
circuitos eléctricos.
El calentamiento restringido es un problema
muy similar al secado forzoso. La película está
restringida a dos dimensiones en plano y la
contracción del calentamiento solo puede
ocurrir en la dirección del grosor. Sin embargo,
este estrés es de magnitud menor que el estrés
de secado.6 Si la deposición no se agrieta por el
estrés del secado probablemente permanecerá
intacto a través del calentamiento.
EJEMPLO DE APLICACIONES DE EPD
La estructura de los dispositivos puede ser
dividida en tres categorías: películas delgadas o
gruesas, multicapas o monolíticas. Hemos
formado cada una de estas estructuras básicas
por la EPD.
Un ejemplo de esto es el Pb(Zr,Ti)O3 (PZT).
Existe un gran interés en la creación de
películas de grosor intermedio de este material
piezoeléctrico para aplicaciones ultrasónicas,
componentes electrónicos de alta frecuencia,
micro motores y activadores micromecánicos e
impresión electrostática (xerografía). Sin
embargo, fabricar películas gruesas de
piezoeléctrico (PZT) ha presentado retos
especiales en la dispersión y calentamiento del
polvo inicial mientras se mantiene un estricto
control de la estequeometría de la película
final. Vechembre et. al7 ha demostrado
películas PZT formadas por medio de la
impresión de la pantalla con un grosor de ~15
micrones, con más de 93% de densidad y
manteniendo
una
buena
característica
electromecánica
con
coeficientes
piezoeléctricos d33 de 80 pC/N, y una
polarización remanente ~ 24 µC/cm2. Para
evitar dificultades con la sobredensidad se
adoptó un método de doble impresión con dos
tratamientos de calor secuenciales a 700 y
1200 oC. Una solución híbrida en gel y el
método de partículas electromecánicas han sido
investigadas por Sayer et al.8 para el desarrollo
de películas dentro del rango de grosor entre
uno a 25 micrones. Este proceso ha mostrado
también un buen potencial con la fabricación y
caracterización de instrumentos ultrasónicos
trasductores.
Como una alternativa a estos métodos hemos
investigado la posibilidad de hacer películas
delgadas/densas (de 1 a 10 micrones) por
EPD.9
Journal of Materials Education, Edición en Español Vol. 22 (4-6)
Usos del dispositivo electrocerámico de deposición electroforética
(a)
143
propiedades se comparan de manera favorable
a las propiedades intrínsecas de la masa
cerámica considerando que las contribuciones
extrínsecas hacia el comportamiento piezoeléctrico
y dieléctrico de la masa cerámica serían
engrapados a la película mediante la adición
del sustrato rígido de aluminio. Esto demuestra
que la EPD puede producir en un solo paso una
película en el rango de 1 a 10 µm con
propiedades que, por encima de las 4 µm, son
competitivas con aquellas producidas en las
técnicas de fabricación de películas delgadas.
(b)
(c)
50
40
30
20
10
0
-100
-50
-10 0
50
100
Una condición importante de la EPD para las
aplicaciones piezoeléctricas es la habilidad de
depositar estándares de polvo sobre sustratos
no planos. La combinación de los métodos
EPD con los fotolitográficos permite la
deposición directa de estructuras de alta
resolución. La Figura 8 muestra ejemplos de
deposiciones (en este caso del titanato de bario)
que podrían fácilmente ser adaptadas para la
ordenación de imágenes ultrasónicas o táctiles.
-20
-30
-40
-50
Electric Field (MV/m)
Figura 7. Las películas PZT depositadas dentro de
sustratos de circuitos de alúmina y calentados, (a)
depositados en el electrodo de aspersión PZT, (b)
depositados en la pantalla de impresión, calentada y
un electrodo PZT pulido, (c) hasa histerésis de
polarización del campo eléctrico sobre la película
mostrada en la figura 7b.
La Figura 7 muestra una película PZT5A de
grano fino denso depositado sobre un sustrato
de aluminio con ambos (a) electrodos de
aspersión y (b) electrodos impresos sobre la
pantalla. La uniformidad y elevada densidad
verde del revestido particulado que EPD formó
permite que la película se caliente en 30
minutos utilizando un fluido de óxido de
aluminio y litio a 900 oC. La película de 10
micras que resulta se muestra en la Figura 7b;
tiene una polarización permanente de 34
micras C/cm2 y un coeficiente piezoeléctrico
d33 de 120 pC/N. La Figura 7c muestra el
cambio de polarización del campo eléctrico
para la película mostrada en 7b. Estas
Figura 8. Deposiciones hexagonales de titanato de
bario sobre un sustrato cubierto
fotolitográficamente. Los hexágonos están
espaciados a 1 mm de centro a centro
Otros compuestos materiales cerámicos con la
misma estructura cristalina de los PZT tienen
propiedades dieléctricas no lineares que son
potencialmente útiles en formación de
películas. Las películas delgadas/densas de
estos materiales, tales como (SrTiO3, Ba1xSrxTiO3), incorporadas dentro de estructuras
stripline podrían ser utilizadas para la creación
Journal of Materials Education, Edición en Español Vol. 22 (4-6)
144
Randall, Van Tassel, Hitomi, Daga, Basu y Lanagan
de deslizadores de fase, líneas de retraso,
circuitos de resonancia ajustables y filtros de
paso en el rango de 500 MHz a 3 GHz.10 Las
estructuras de anillos resonantes modificadas
con condensadores no lineales han sido ya
usados como filtros ajustables.11,12 La Figura 9
muestra como los pequeños condensadores
formados electroforéticamente pudieran ser
acoplados a una estructura de anillos
resonantes en un sustrato con poca perdida
dieléctrica para crear dicho filtro ajustable.
Condensadores dieléctricos no lineares
Non-Linear
Dielectric Capacitors
Figura 9. La integración de materiales dieléctricos
ajustables dentro de un condensador de anillo en un
sustrato con poca pérdida dieléctrica
Las ventajas potenciales de la EPD en la
formación de estos dispositivos incluyen la
poca pérdida dieléctrica y una menor
intermodulación de tercer orden comparados
con los dispositivos de películas delgadas. Los
dieléctricos fabricados por EPD tienen el
potencial de poseer una menor pérdida de
micro ondas que aquellos depositados por
medio de vapor químico o los métodos de
deposición de vapor físico. La vacante de
concentración de oxígeno, un defecto EPD que
ha estado asociado con la gran perdida en las
películas de base CVD,13 puede ser controlada
por medio de películas EPD al ajustar las
condiciones de estimulación y calentamiento.
Además, las técnicas de deposición
convencionales de películas delgadas están
limitadas económicamente en su fabricación a
menos de 1 µm, restringiendo la habilidad del
poder de manejo del dispositivo. La EPD
puede fabricar películas en un mayor ámbito de
grosor, lo cual sería una ventaja para las
aplicaciones de alto poder de micro ondas.
Estructuras múlticapas (0.1 µm a 10 µm)
Las estructuras multicapas son utilizadas para
los condensadores, inductores, módulos de
multichip, varístores, celdas de combustible,
activadores piezoeléctricos y transformadores.
Limitaremos nuestra discusión en este ensayo a
los más recientes avances para los
condensadores de medio alcance (Y5V, X7R) y
los condensadores multicapas. En ambos casos
el método de procedimiento primario es el de
moldeo con cinta de la fase dieléctrica continua
o de la piezoeléctrica, seguido por la impresión
en pantalla de la tinta de polvo de metal para
formar electrodos estándares sobre la cinta.
Varios cientos de capas de cinta previamente
sujeta a la acción de electrodos son
acumulados, laminados y calentados para
formar el dispositivo final. Existen muchas
variaciones alrededor del proceso básico, y
cada compañía manufacturera de componentes
resuelve los problemas con una variedad de
formas innovadoras. Sin embargo, a pesar de
los procesos utilizados, existen problemas
comunes en la fabricación: el alto costo de los
materiales de los electrodos, la necesidad
continua de tamaños más pequeños, mayores
resultados y mejores rendimientos.
En el caso de los condensadores multi capas, el
moldeo con cinta u otros métodos relacionados
han permitido que el grosor dieléctrico para los
conductores multicapas llegue a un micrón en
la escala de laboratorio y aproximadamente
tres micrones en la producción. En el futuro,
los fabricantes de condensadores planean
aumentar la capacidad de los dispositivos sin
aumentar el tamaño al incrementar el número
de capas desde 1000 en adelante. Esto
requerirá de una reducción del grosor de la
capa dieléctrica por debajo de 1.0 micrón. Por
otro lado, no ha habido una disminución
significativa en el grosor de la capa del
electrodo. El grosor de la capa dieléctrica más
delgada que puede ser producida está ahora
alcanzando a aquella de la capa de electrodo
más delgada.
En la fabricación de la siguiente generación de
dispositivos las capas mejoradas de electrodos
ultra delgadas serán una tecnología facilitadora
crítica. Estas capas de electrodos necesitan
tener una interfase suave y plana para poder
crear campos eléctricos homogéneos a través
del campo dieléctrico.
Journal of Materials Education, Edición en Español Vol. 22 (4-6)
Usos del dispositivo electrocerámico de deposición electroforética
La EPD es una potencial solución para la
fabricación de las siguiente generación de
dispositivo. Ya que la EPD se ocupa de las
partículas individuales dispersas, se pueden
formar
deposiciones
extremadamente
complejas en la escala de las partículas
dispersas. Esto significa que la EPD puede
producir capas de partículas que tienen
solamente unos diámetros de grosor y aún así
son parejas y continuas.
Hemos demostrado esto en la fabricación de
multicapas de titanato de bario.14 Las capas de
titanato de bario fueron formadas al imprimir
en pantalla capas individuales sobre las
laminillas de películas Mylar. Para formar
capas de electrodos, las películas de Mylar
fueron recubiertas por aspersión a un lado para
hacer una superficie conductiva. El polvo
plata/paladio del electrodo se depositó a
continuación electroforéticamente sobre la
superficie conductiva. Posteriormente se
prepararon multicapas alternando capas
laminadas de titanato de bario y plata/paladio
usando el trasportador Mylar para desprender
cada nueva capa y apilándolas. La superficie
conductiva de las hojas Mylar usadas para la
EPD no se dañó y dichas hojas se pudieron
utilizar para los ciclos repetitivos de
deposición/laminación.
Los resultados son mostrados en la Figura 10.
La Figura 10a muestra una sección transversal
verde de una multicapa con una capa
incrustada de polvo plata/paladio de 1.5 µm
con un diámetro promedio de partículas de 0.3
µm. La Figura 10b muestra una sección
transversal pulida sobre la misma multicapa
después del calentado. La Figura 10c muestra
capas de electrodos con un promedio de 0.6
µm de grosor. Estas capas también muestran la
continuidad que puede ser obtenida sobre una
capa de electrodos, el grosor que solo es dos
veces el diámetro promedio de partículas con
respecto al polvo utilizado para formarlas.
Activadores Piezoeléctricos Multicapas
Las cerámicas piezoeléctricas disponibles hoy
en día requieren del uso de materiales de
electrodos caros, tales como plata/paladio.
145
Como lo mostramos anteriormente, la EPD
puede ser utilizada para producir electrodos
bastante delgados, ahorrando así significativamente
el costo de materiales para estos dispositivos,
lo
cual
afectará
su
potencial
de
comercialización.
(a)
(b)
(c)
Figura 10. (a) Sección transversal verde mostrando
una capa de polvo de 1.5 µm Ag/Pd (centro) de
grosor entre capas de titanato de bario (superior e
inferior); (b) Sección transversal pulida de capas de
electrodos de 1.2 µm Ag/Pd de grosor entre capas
de electrodo de titanato de bario de 2.5 µm,
calentadas a 1 100oC; (c) Sección transversal pulida
de capas de electrodo de 0.6 µm Ag/Pd.
Estos dispositivos por naturaleza, son también
de alta tensión mecánica, particularmente en
las orillas de las áreas de los electrodos en
donde está el campo eléctrico y por
consiguiente la deformación piezoeléctrica
cambia rápidamente. En un proceso de
Journal of Materials Education, Edición en Español Vol. 22 (4-6)
146
Randall, Van Tassel, Hitomi, Daga, Basu y Lanagan
laminación donde el material del electrodo es
adherido a una cinta de grosor uniforme para
moldeo, el total del grosor de la capa no es
uniforme. Esto se vuelve muy significativo
cuando varias capas son apiladas. Este cambio
en el grosor puede dejar fallas en el laminado
en donde cambia el grosor, por ejemplo, en las
orillas de las áreas del electrodo, donde la
tensión está en su más alto punto y las fallas
pueden causar la mayor reducción en
confiabilidad.
Hemos demostrado la utilidad de la EPD como
una manera de fabricar cintas de grosor
uniforme que no tendrán regiones de baja
densidad en la lamina a las orillas del
electrodo. Para producir estas cintas de grosor
uniforme, se hizo una deposición de polvo
metálico en una laminilla de cinta de vidrio y
se agregó una capa de titanato de bario por
medio del moldeo con cinta sobre la
deposición, para crear un grosor uniforme de la
cinta con una capa de electrodos incrustada.
Hubo dos preguntas importantes que tomar en
cuenta durante la prueba de esta idea: ¿se
infiltraría el sellador de la capa para el moldeo
de la cinta a la capa de la EPD, uniéndola a la
cinta de tal forma que ésta podría desprenderse
de la laminilla y, dado que la capa
electroforéticamente depositada al inicio no
contiene sellador, desprender la cinta durante el
proceso de moldeo, eliminaría cualquier
estándar en la capa de polvo metálico
depositada? La Figura 11 muestra el
desprendimiento de un molde hecho con cinta
de titanato de bario. A pesar de que el
recolectado del polvo metálico no es perfecto
desde la laminilla, aún así la línea de la
deposición electroforética del estándar es
claramente visible.
Películas Monolíticas o Autoestables (de 1.0
a 50 µm)
producidas por el EPD con un grosor de ≅ 7 y
≅ 20 µm respectivamente. Estas películas
estuvieron perfectamente planas y con más de
1 cm2 de área.
Para formar estas películas, un sustrato pulido
de alúmina fue recubierto con carbón para
darle una superficie conductiva. Este
recubrimiento de carbón puede ser formado ya
sea por CVD o por aspersión. El polvo de
zirconia
fue
entonces
depositado
electroforéticamente sobre la superficie de
carbón. A medida que la deposición es
calentada a la temperatura inicial, se consume
el electrodo de carbón, dejando una débil
interfase y el sustrato. La película se calienta
hasta el punto donde el sinterizado entre las
partículas de zirconia comienza, pero antes de
que el co-sinterizado desarrolle una fuerte
adhesión al sustrato de alúmina. La película y
el sustrato son entonces enfriados por debajo
de la temperatura de sinterizado y la diferencia
en el coeficiente de expansión termal provoca
que la película depositada se separe del
sustrato. La llave para este proceso es la alta
uniformidad del grosor de la película de
partículas depositada y en especial su
uniformidad en densidad en la dirección del
grosor.
Figura 11. Rasurado de titanato de bario obtenido
por el moldeo con cinta con una delgada deposición
de 2.5 de polvo Ag/Pd.
La EPD puede ser utilizada no solo para formar
películas sobre una superficie o capas en una
multicapa, sino también se puede usar para
formar películas que son completamente libres
de una superficie o una matriz circundante. En
las Figuras 12 a y b se muestran las películas
autoestables
tetragonales
de
zirconia
Journal of Materials Education, Edición en Español Vol. 22 (4-6)
Usos del dispositivo electrocerámico de deposición electroforética
Infrared
Radiation
(a)
147
Pyroelectric Free Film
Electroded Top & Bottom
Puntos
Solder de
Ball
Connection
soldadura
Substrato de silicón con circuitos de procesamiento de señal
Silicon Substrate with Signal Processing Circuitry
(b)
Figura 12. Películas de zirconia auto estables; (a)
7µm, (b) 20 µm.
Las variaciones en la densidad provocarían que
la película se levante y separe prematuramente
del sustrato. Esto Provocaría que la película se
desintegre dejando solamente pequeños
fragmentos rizados sobre el sustrato.
Las películas autoestables producidas de
materiales tales como el (Ba, Sr)TiO3 o
Pb(Sc1/2 Ta1/2 )O3 serían de gran valor en la
fabricación
de
matrices
piroeléctricas
detectoras a temperatura ambiente. Las
películas de estos dispositivos se producen
actualmente prensando con calor el material
piroeléctrico y después meticulosamente
puliendo el billete resultante llevándolo hasta
un grosor de 10 µm necesario para la
producción del dispositivo. A la película se le
aplican los electrodos y es unida por medio de
puntos de soldadura a una serie de matrices
procesadoras de señales eléctricas. Un
diagrama transversal de esta estructura es
mostrado en la Figura 12. La película necesita
ser aislada del sustrato para reducir la
conducción termal hacia él mismo, lo cual
arruinaría seriamente la sensibilidad del
dispositivo. Poder fabricar estas películas
piroeléctricas en un solo paso reduciría
enormemente el costo de producción de dichos
dispositivos. Whatmore et al. han considerado
previamente la EPD como un posible método
para
la
fabricación
de
dispositivos
piroeléctricos, pero en la forma de estructuras
de películas delgadas-densas sobre un
sustrato.15
Radiación
infraroja
Película suspendida
piroeléctrica con electrodos
en su totalidad
Figura 13. Diagrama transversal de una serie de
matrices piroeléctricas detectoras
RESUMEN Y CONCLUSIONES
Con una miniaturización continua de los
dispositivos electromagnéticos (tanto en el chip
como fuera de él), existe una necesidad para
explorar nuevos métodos de procesamiento de
estos materiales. En el caso de los dispositivos
ferroeléctricos que están fuera del chip, existen
tres estructuras básicas: principalmente la
monolítica, la película gruesa y la multicapa.
La deposición electroforética es un posible
método
para
ensamblar
partículas
ferroeléctricas para estas estructuras. La
ventaja de la EPD es su empacamiento
uniforme de alta densidad en el polvo de inicio.
En este ensayo, las películas autoestables de
~10 µm son producidas utilizando un electrodo
fugitivo. Las películas delgadas-densas de los
materiales piezoeléctricos y dieléctricos son
hechas dentro de un campo de aplicación de 1 a
30 µm de grosor sobre sustratos rígidos.
Finalmente, se presenta un nuevo método que
desarrolla cintas de partículas ultra-delgadas
por medio del EPD, las cuales pueden ser
combinadas con un proceso de laminación
estándar para fabricar estructuras multicapas
dentro de una escala de grosor que sea superior
a los métodos de películas gruesas
tradicionales.
SÍMBOLOS
u
ζ
η
E∞
T
k
Velocidad de la partícula.
Potencial de la partícula en la capa de
escisión.
Viscosidad del solvente.
Campo Eléctrico aplicado.
Temperatura.
Constante de Boltzman.
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148
a
A131
r
ε1
ε3
εo
h
νe
n1
n3
Randall, Van Tassel, Hitomi, Daga, Basu y Lanagan
Radio de partículas.
Constante de Hamaker para el material
1en una media 3.
Separación de la superficie de
partículas.
Constante dieléctrica relativa de la
partícula.
Constante dieléctrica relativa del
solvente.
Constante de permisibilidad.
Constante de Planck.
Frecuencia principal de absorción UV.
Índice de refracción de la partícula.
Índice de refracción del solvente.
RECONOCIMIENTOS
Este trabajo ha sido realizado con el apoyo de
diversas fuentes bibliográficas. Nos gustaría
agradecer al: Centro de Materiales de
Partículas de Penn. State; Instituto de
Investigación del Gas; Corporación TDK.;
Robert Bosch; GmbH.; Fundación Educativa
de Microelectrónicos Internacionales y la
Sociedad de Empaques.
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