A finales de la década de los cincuenta, el eminente físico Richard Feynman publicó un sugerente estudio titulado There’s Plenty of Room at the Bottom, en el que preconizaba una gran revolución en las tecnologías de miniaturización. Inspirado en el funcionamiento de los sistemas biológicos y su capacidad para ejecutar funciones complejas y almacenar ingentes cantidades de información a nivel microscópico, Feynman especulaba sobre los nuevos campos de aplicación que se abrirían a la humanidad en caso de desarrollar la capacidad de fabricar dispositivos miniaturizados [1,2].
A mediados del siglo pasado se realizaron importantes avances en microtecnologías. El más significativo fue, sin duda, la invención del transistor, reconocido con el Premio Nobel de Física a Bardeen, Brattain y Shockley. El transistor tuvo un tremendo impacto en el diseño de circuitos electrónicos, reemplazando las costosas, poco fiables y energéticamente ineficientes válvulas de vacío. La microelectrónica fue la pionera en el desarrollo de las tecnologías de microfabricación, obteniendo asombrosos resultados.
En la actualidad, la sociedad demanda la extensión de los éxitos de miniaturización en microelectrónica a otros sectores. La miniaturización conlleva muchas mejoras, entre las que se pueden citar:
- Reducción de energía y consumo de materiales durante la fabricación
- Ligereza y portabilidad
- Dispositivos de gran sensibilidad con funcionamiento más selectivo
- Aplicaciones menos invasivas
- Mejor relación coste/funcionalidad.
Las microtecnologías hacen de enlace entre los mundos atómico y macroscópico y desempeñarán un papel muy importante en la industria del futuro, en especial en sectores como medicina, biotecnología, energía y telecomunicaciones.
Clasificación de la microtecnologías
Una de las clasificaciones de tecnologías de microfabricacion más extendidas actualmente, es la realizada por Brinksmeier (véase Figura 1). Brinksmeier [3] hace una primera distinción de las técnicas de fabricación en función de su origen: las Tecnologías de MicroSistemas (MST) y las Tecnologías de MicroIngeniería (MET). Los procesos MST engloban principalmente métodos de fabricación de productos provenientes de Sistemas Micro Electro Mecánicos (MEMS) y Sistemas Micro Opto Electro Mecánicos (MOEMS). Los procesos MET incluyen otra serie de procesos que se caracterizan por la producción de componentes, moldes y superficies microestructuradas de elevada precisión, como por ejemplo el micromecanizado mecánico.
A continuación, y con independencia de su origen, Brinksmeier clasifica las tecnologías de microfabricación en cuatro grupos:
- Procesos MEMS, como la litografía ultravioleta, el micromecanizado del silicio y el método LIGA.
- Procesos asistidos por energía, entre los que se incluyen, por ejemplo, el mecanizado por haz láser, el mecanizado por haz de iones focalizado, el mecanizado por haz de electrones y la electroerosión.
- Procesos mecánicos, como el mecanizado con diamante (torneado, fresado, taladrado y pulido), el microfresado y el microrectificado.
- Métodos de réplica, como el estampado, la inyección o el moldeo. Estas tecnologías se clasifican en un grupo en sí mismo aunque requieran de una etapa de microfabricación previa para la obtención de moldes.
Además de estos cuatro grupos de tecnologías, Brinksmeier incluye un grupo adicional en el que aparecen fases tan importantes en microfabricación como la metrología, el ensamblado, la manipulación, etc.
La Figura1 muestra de forma gráfica la clasificación de Brinksmeier, si bien es conveniente aclarar que los grupos no son completamente independientes entre sí, presentando un cierto grado de solapamiento entre ellos. El tamaño de las flechas representa con qué frecuencia en cada grupo se emplea en las tecnologías MST y MET.
Expectativas de mercado y aplicaciones
De acuerdo a un estudio de la organización europea NEXUS (Red de Excelencia en microsistemas multifuncionales), el mercado mundial de microtecnologías está creciendo a un ritmo medio del 11% anual, e irá desde 36.000 millones de dólares en 2005 hasta 52.000 millones en 2009. Este estudio incluye una explosión de mercado para paquetes de primer nivel de MEMS/MST, como cabezales de tinta de impresoras, desde 11.500 millones hasta 25.000 millones de dólares (Figura 2).
En los gráficos de la Figura 3 se aprecia como la previsión de la evolución del mercado por sectores según NEXUS, estima un aumento porcentual del mercado de aparatos electrónicos de consumo con respecto a los demás sectores de mercado. Esto significa un gran aumento de los MEMS (Micro Electro Mechanical Systems).
La automoción, a pesar de perder peso en el reparto del mercado como se ve en la Figura 3, continúa siendo un sector impulsor de innovaciones en microsistemas, ofreciendo aplicaciones de gran volumen de producción para sólo unos pocos grandes clientes. Como puede verse en la Figura 4, las innovaciones pueden darse a todos los niveles: materiales, componentes, sistemas y uso.
Los sectores de telecomunicaciones y biomédicos son otras dos industrias que también darán gran impulso al desarrollo de microsistemas. En este campo, por ejemplo, se espera que los sistemas de diagnóstico in-vitro (fundamentalmente biochips y microplacas) supongan otras oportunidades de negocio de gran volumen de producción y valor añadido.
El mundo de las tecnologías de información depende enormemente de las capacidades de miniaturización. El motor de la revolución de los ordenadores es la microfabricación. Las nuevas tecnologías son capaces de empaquetar cada vez más dispositivos en cada chip, dispositivos que conmutan más rápido y consumen menos energía. En 1945, las computadoras utilizaban válvulas de vacío del tamaño de un pulgar. Sin embargo, hoy en día los transistores son tan pequeños que podrían alojarse 100 en la sección transversal de un pelo humano.
Esta área de aplicación sigue constituyendo hoy en día el mayor mercado para las tecnologías de microfabricación, dominado principalmente por dos productos: los cabezales de discos duros y de impresoras de tinta. Otras importantes aplicaciones son cabezales ópticos, monitores, proyectores, papel electrónico, giróscopos, conmutadores ópticos, atenuadores, ecualizadores, microrelays, componentes de radiofrecuencia, etc. [14] (Figura 5).
En el mercado sanitario, el conjunto de aplicaciones posible es muy amplio (Figura 6), abarcando posibilidades como [15]:
- Sistemas implantables: marcapasos cardíacos, audífonos implantables
- Sistemas de diagnóstico: sensores de presión sanguínea, sensores de glucosa
- Cirugía no invasiva: endoscopia, herramientas para cirugía mínimamente invasiva
- Aplicaciones farmacéuticas: sistemas de suministro de medicinas inteligente, fármacos más específicos
- Aplicaciones biotécnicas: biochips o minilaboratorios, nanopartículas en terapia y tecnología genética
- Dispositivos biofuncionales: ingeniería de tejidos para órganos y piel bioartificiales.
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