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Evaluación de la Tecnología MetalMUMPs para la Fabricación de un Sensor de Flujo de Aire

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Evaluación de la Tecnología MetalMUMPs para la Fabricación de un Sensor de Flujo de Aire

Eduardo Martín Rodríguez Estrella González Rodríguez

Centro de Investigaciones en Microelectrónica (CIME), ISPJAE CP 10800, Apartado 8016, Ciudad de la Habana, Cuba

eduardo.martin@electrica.cujae.edu.cu, estrella@electrica.cujae.edu.cu Resumen

En este trabajo se presenta una valoración de la posibilidad de utilizar el sistema multiusuario, MetalMUMPs de MEMSCAP, para la fabricación de sensores de flujo de aire basados en principio térmico, para aplicaciones de confort. Se expone una breve descripción del servicio y se muestran los resultados de la simulación utilizando ANSYS de una estructura de prueba con el objetivo de determinar la flexión de la misma bajo la fuerza de gravedad, la potencia necesaria para calentarla hasta la temperatura de trabajo, el comportamiento del flujo de aire que pasa sobre su superficie y los fenómenos de transferencia de calor que se producen al hacer circular corriente eléctrica a través de ella. Con este trabajo se demuestra que es posible realizar un exhaustivo trabajo de simulación de prototipos de sensores en la etapa previa a su construcción. Con los resultados obtenidos se pudo concluir que la tecnología MetalMUMPs presenta grandes potencialidades para la fabricación de sensores de flujo de aire de principio térmico.

Palabras claves: MEMS, MUMPs, sensores térmicos, ANSYS

Introducción

El surgimiento de los MEMS (Microelectromechanical System o Microsystems) o Microsistemas significó un avance en el campo de la electrónica y la microelectrónica [1]. En estos dispositivos pueden combinarse, a escala de micrómetros, elementos electrónicos y mecánicos. Su campo de aplicación es muy amplio desde sensores, actuadores, dispositivos ópticos, electrónicos y mecánicos[2].

El proceso de fabricación de MEMS está basado en técnicas provenientes de la industria microelectrónica enriquecidas con técnicas de micromaquinado. Existen varios servicios comerciales conocidos como multiusuarios o MUMPs (multi-user MEMS processes), basados en diferentes tecnologías. Aunque surgieron a partir de diversas experiencias, estos servicios están concebidos para micromaquinado de propósito general y admiten la inclusión de diferentes diseños, de usuarios independientes, sobre una misma oblea. Las reglas de diseño establecidas son conservadoras para garantizar un alto nivel de rendimiento [3].

El primer servicio MUMPs que aparece es PolyMUMPs, el cual entre sus características tiene que posee tres capas estructurales de polisilicio dopado. Su principal

desventaja para utilizarlo en sensores basados en principio térmico es que no existe una amplia caracterización de las propiedades térmicas del polisilicio para este servicio, las cuales dependen grandemente de cómo fue dopado.

En el año 2003 aparece comercialmente el servicio MetalMUMPs por la firma MEMSCAP. Este servicio está derivado de un trabajo realizado por MEMSCAP en la década de los 90’s y fue concebido inicialmente para la fabricación de micro-relays con tecnología MEMS. Este servicio posee dos capas estructurales, la principal es una capa de níquel de 20µm de espesor y además, una capa estructural de polisilicio de 0.7µm de espesor. Hasta el momento no se ha reportado la fabricación de sensores térmicos utilizando este servicio, por lo que, en este trabajo se valora la posibilidad de utilizarlo para este fin.

Además, existe otro servicio MUMPs, el SOIMUMPs al cual no será objeto de estudio en este trabajo.

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Sensores Anemométricos Basados en Principio Térmico.

Los sensores anemométricos basados en principio térmico permiten determinar la velocidad del aire mediante la estimación del calor transferido desde un sensor sobrecalentado al aire. Las principales ventajas reportadas de este método son su alta sensibilidad para bajas velocidades del fluido, respuesta rápida y compatibilidad con métodos de medición y procesamiento estándar[4].

Para la medición del flujo de aire por principio térmico existen dos variantes fundamentales la primera se basa en detectar la diferencia de temperatura entre dos puntos que están expuestos al fluido, uno de estos puntos se sobrecalienta. Conociendo el calor específico del fluido, en este caso aire, se determina la cantidad de calor transferida y esta va a ser proporcional a la velocidad del fluido[5].

La segunda variante para la medición de la velocidad del aire, utilizando el principio térmico, se basa en sobrecalentar una estructura resistiva y detectar la variación de resistencia provocada por una variación en la temperatura, debido a la masa de flujo de aire que cruza sobre la estructura resistiva[5]. Para esta segunda variante, uno de los tipos de sensores térmicos más utilizados son los sensores de flujo de alambre o capa caliente (hot wire anemometer). Se han reportado diseños de estos sensores utilizando como elemento sensor una estructura de metal, fundamentalmente platino [6,7], o utilizando elementos semiconductores, por ejemplo, polisilicio [8,9].

Su principio de funcionamiento se basa en utilizar una estructura resistiva construida con un material de TRC (Temperature Resistance Coefficient) conocido (α) la cual se sobrecalienta a una temperatura ∆T, sobre la temperatura del fluido (To). En presencia de un fluido este elemento se enfría, variando su resistencia.

Estos cambios de la resistencia permiten medir la velocidad del fluido. La variación de la resistencia con la temperatura vendría regida por (1), donde Ro sería la resistencia a la temperatura To.

Δ α

T ) ( 1 R

R o

+

= (1)

La potencia necesaria para sobrecalentar la estructura resistiva dependerá de la resistencia y de la capacidad térmica de la misma, así como de las pérdidas que haya por transferencia de calor. Hacer el consumo de potencia lo más eficiente posible es un reto que hay que asumir en el diseño de cualquier sistema eléctrico. Más adelante se describen

las características del diseño propuesto y como se propone disminuir la resistencia eléctrica de la estructura, disminuyendo así el consumo de potencia.

En una estructura sobrecalentada se producen cuatro procesos de transferencia de calor de los cuales uno solo es de interés y los otros pueden considerarse como pérdidas.

Las principales pérdidas se producen por:

• Radiación

Las pérdidas de calor por radiación dependen fundamentalmente de la temperatura del elemento sobrecalentado y del área expuesta, por lo que para minimizarlas el elemento sobrecalentado debe trabajar a temperaturas no muy altas y disminuir su área. Algunos autores recomiendan temperaturas de trabajo menores de 100ºC [9,10].

• Conducción

Las pérdidas por conducción se producen fundamentalmente por los apoyos entre la estructura y el substrato y por el aire que queda entre la estructura y el substrato.

Para disminuir las pérdidas por los apoyos, debe diseñarse una estructura lo más estable posible para minimizar la cantidad de apoyos necesarios y debe minimizarse el área de contacto entre estos apoyos y el substrato, con lo que se garantiza la disminución del área de contacto térmico. Además, se debe utilizar un material de apoyo que tenga baja conductividad térmica.

Para minimizar las pérdidas por el aire, se debe aumentar la distancia entre la estructura sensora y el substrato y disminuir la diferencia de temperatura entre los mismos.

En este punto, el servicio MetalMUMPs tiene la ventaja de poder formar un pozo de 25µm de profundidad bajo la estructura sobrecalentada, lo que aumenta la distancia entre esta y el substrato a temperatura ambiente, garantizando mayor aislamiento térmico entre los mismos.

• Convección natural

Se produce cuando a través del fluido aparecen gradientes de temperatura que provocan que el fluido se mueva, transportando calor, puede ser minimizada disminuyendo el área del sensor o la temperatura a la cuál es sobrecalentado.

• Convección forzada

La convección forzada es el proceso de transferencia de calor que se quiere potenciar y se produce cuando un fluido en movimiento extrae calor de un elemento sobrecalentado. Este proceso se rige fundamentalmente por la ecuación:

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T

d Ah

t

Q d = ∆ (2)

Donde:

Q  cantidad de calor transferido [J]

h  coeficiente de transferencia de calor por convección [W/m2 ºC]

A  área de la placa [m2]

∆T  diferencia de temperatura entre la placa y el fluido [ºC].

El coeficiente de convección h depende de la velocidad del fluido y por tanto de su viscosidad. También depende de la temperatura a la que se encuentre el fluido, de sus propiedades térmicas (conductividad térmica, calor específico, densidad) y de la geometría del problema [11]. Puede ser calculado analíticamente para sistemas sencillos y en otras ocasiones debe determinarse experimentalmente.

Para aumentar la convección forzada es conveniente aumentar la diferencia de temperatura entre el sensor y el fluido y aumentar el área del sensor. Estos dos parámetros aumentarían la sensibilidad y la velocidad de respuesta del elemento sensor frente a cambios de velocidad del fluido [9]

.

Servicio METALMUMPS[12]

Es un servicio comercial multiusuario de MEMSCAP. Sus principales características son:

• Una capa de níquel que es utilizada como capa estructural principal.

• Una capa de polisilicio dopado que puede ser utilizada como material estructural, para la fabricación de resistores y para hacer interconexiones eléctricas.

• El nitruro de silicio es utilizado como material aislante.

• El óxido de silicio es utilizado como capa de sacrificio.

• Es posible hacer un “pozo” en el substrato mejorando de esta forma el aislamiento térmico y eléctrico entre la estructura y el mismo.

• Se pueden recubrir los laterales de las estructuras de níquel con oro para mejorar el contacto.

En la Figura 1 se muestra como quedaría la sección transversal de un dispositivo realizado con esta tecnología donde se pueden observar todas las capas que lo componen.

Figura 1. Sección transversal de un dispositivo fabricado con tecnología MetalMUMPs (fuera de escala)

Diseño de una Estructura de Prueba

La idea inicial es utilizar como elemento sensor de la velocidad del aire una resistencia de metal (Níquel), que se autocaliente hasta los 60ºC al paso de una corriente eléctrica. Se escogió esa temperatura en base a algunos trabajos previos para este tipo de sensores [3, 8, 9,10], con el objetivo de poder despreciar las pérdidas de calor por radiación. Esta resistencia debe enfriarse al paso del flujo de aire, y se espera que esta variación de temperatura sea proporcional al flujo de aire.

Aunque este metal tiene menor resistividad eléctrica que otros materiales, Ej. Polisilicio, su TCR es positivo y de un valor conocido.

El TCR es un factor fundamental en el diseño de sensores resistivos de principio térmico, existen reportes de diseños de sensores de flujo de aire de principio térmico utilizando Polisilicio [9], que si bien reducen considerablemente la potencia a aplicar, el valor del TCR es negativo y muy cercano al cero provocando que la variación de la resistencia con la temperatura sea difícil de detectar. Si se compara una estructura de Níquel con una de Polisilicio de iguales dimensiones se ve que la resistencia eléctrica en la estructura de Polisilicio es mucho mayor que en la de Níquel, debido a la diferencia en el valor de la resistividad, lo cual tiene su influencia en el consumo de potencia. Para lograr aumentar la resistencia eléctrica en la estructura de Níquel se propone una estructura alargada y de un área de sesión transversal pequeña como se explica más adelante.

El diseño de esta estructura de prueba se hizo con MEMSPRO v5.0, que es un programa profesional que permite al usuario el diseño tecnológico y topológico de dispositivos MEMS de propósito general. En este trabajo se valora si es posible construir un elemento sensor, basado en el principio térmico, capaz de superar la principal desventaja reportada para los elementos fabricados con metal; su baja resistividad y por consecuencia la elevada potencia a aplicar para calentar el elemento sensor [3]. En el caso del MetalMUMPs la capa estructural formada por Níquel presenta

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bajos valores de resistividad eléctrica, 8µΩ-cm [12], por lo que haría falta más potencia para sobrecalentarla que para una estructura diseñada con otro material que no fuera metal, por ejemplo Polisilicio, cuya resistividad, por ejemplo, para la capa POLY de la misma tecnología, es 1,53 x 103 µΩ-cm..

A continuación se explica una propuesta de solución al problema de la baja resistividad del Níquel.

Si se parte de la fórmula que define la resistencia de un elemento como:

A

ρ L

R

=

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Donde ρ es la resistividad, L la longitud del resistor y A el área de la sección transversal, se podría aumentar la resistencia construyendo un elemento de gran longitud y con la mínima sección transversal posible. De esta forma se lograría aumentar la resistencia eléctrica R y por tanto disminuir la potencia a aplicar para calentarla. El área de intercambio con el aire hay que garantizar que siga siendo pequeña para que no se favorezca la convección natural. El inconveniente mayor de esta solución es lograr que la flexión de esta estructura de gran longitud provocada por la acción de la fuerza de gravedad pueda ser despreciada, pues de no ser así, habría errores en la medición y fuera mayor la probabilidad de que la estructura se rompa.

Con la idea de comprobar si es posible, utilizando este servicio, lograr una resistencia con estas características, se diseñó una estructura sencilla con el objetivo de simular su comportamiento. En el caso de la sección transversal de la misma, sería igual al espesor de la capa de metal, multiplicado por el ancho del elemento. El espesor de la capa de metal es fija por proceso e igual a 20µm, el ancho de la resistencia debe ser mayor que el ancho mínimo fijado por las reglas de diseño, que para el caso del metal es 5µm, escogimos entonces 10µm, quedando la sección transversal de 200µm2. El layout de la estructura de prueba diseñada se muestra en la Figura 2 y la vista 3D de la misma en la Figura 3.

En ambas figuras se puede observar que la estructura consta de un elemento de metal sobre un pozo en el substrato para garantizar el aislamiento térmico con el mismo. La longitud total del elemento, sin contar los contactos, es de aproximadamente 1000µm y el área de los contactos es más ancha para satisfacer las reglas de diseño. Al quedar la resistencia del área de contacto en serie con el resto del elemento y ser mucho menor que la de este último se considera que

no afecta el cálculo aproximado de la resistencia. Sustituyendo estos valores en (3) se obtiene que la resistencia eléctrica resultante es aproximadamente igual a 0,4Ω.

Simulación de la Estructura Utilizando ANSYS

Para su mejor comprensión, las simulaciones realizadas en ANSYS de la estructura de prueba se abordarán separándolas en dos grupos, el primero sin tener en cuenta el flujo de aire y el segundo teniendo en cuenta el flujo de aire.

Figura 2. Layout de la estructura de prueba diseñada.

Figura 3. Vista en 3D de la estructura diseñada.

Simulación de la Estructura de Prueba sin Tener en Cuenta el Flujo de Aire

La estructura resistiva de metal, que es la que nos interesa, se aísla del resto del sensor y es simulada primeramente sin presencia de flujo de aire con el objetivo de determinar dos aspectos fundamentales:

• Flexión de la estructura por la acción de la fuerza de gravedad.

• Potencia necesaria para calentar la estructura a 60ºC aproximadamente.

La estructura se aisló y se exportó desde MEMSPRO hacia ANSYS, para ahorrar tiempo y recursos de simulación. Los datos del

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material Níquel, utilizados en la simulación con ANSYS, se muestran a continuación:

Densidad: 8,906 x 103 kg/m3 = 8,906 x 10-15 kg/µm3

Calor específico: 443,08 J/kgºC = 443,08 x 1012 pJ/kgºC

Resistividad: 8 µΩ cm = 8 x 10-14 TΩ µm Módulo de Elasticidad: 2 x 105 MPa

Conductividad térmica: 90W/mºC = 90 x 106 pW/µmºC

Se trabajó en el sistema de unidades del ANSYS, µMKSV, que es el más conveniente para trabajar con dispositivos MEMS. El dato del módulo de elasticidad fue tomado de la descripción de materiales que tiene el programa MEMSPRO para el servicio MetalMUMPs[14]. La resistividad eléctrica es aportada por MEMSCAP [12], y los otros datos son tomados de páginas WEB.

Flexión de la estructura frente a la acción de la fuerza de gravedad

La resistencia diseñada puede considerarse como una viga apoyada en sus extremos. En estos casos el movimiento en los apoyos se restringe solamente en el eje vertical. La estructura se simuló en ANSYS aplicándole la gravedad como carga distribuida. Se restringió a 0 el movimiento en el eje Z en los apoyos.

Los resultados de la simulación se muestran en la Figura 4. En la misma se puede observar que la mayor deformación se produce en el centro de la resistencia, como era de esperar, y es igual a 1.55—10-5µm, por lo que se puede considerar despreciable;

comparando con sus dimensiones.

Figura 4. Simulación de la aplicación de la fuerza de gravedad a la resistencia. MN  valor mínimo, MX  valor máximo.

Potencia necesaria para calentar la resistencia

En esta simulación se realizaron varias corridas variando el valor de voltaje

hasta lograr que el elemento sensor autocalentado alcance los 60ºC. De esta forma, se encontró la potencia necesaria para calentar la resistencia hasta los 60ºC, teniendo en cuenta las pérdidas que se producirían por conducción entre el apoyo y el substrato (que se consideró a una temperatura promedio de 25ºC) y la conducción al aire circundante. Hay que aclarar que en condiciones donde la velocidad del aire sea aproximadamente cero, es posible hablar de conducción al aire y no de convección. Para hablar de convección obligatoriamente tiene que haber movimiento de fluido, ya sea forzado o natural[11].

El resultado de la simulación puede verse en la Figura 5.

Al simular la estructura con un voltaje igual a 50mV, entre los extremos, se obtiene una temperatura en el centro de aproximadamente 60 ºC, como se observa en la Figura 5. En este caso la potencia necesaria para sobrecalentar la resistencia es igual a 6.25mW, valor comparable e incluso menor que otros reportados por autores para calentar elementos resistivos micromaquinados a esta misma temperatura [9,15,16]. Por ejemplo, en la referencia 15 se reportan 39,8 mW para calentar hasta 70ºC.

Figura 5. Simulación de la temperatura alcanzada para un voltaje de 50mV. MN  valor mínimo, MX  valor máximo.

Simulación de la Estructura de Prueba Teniendo en Cuenta el Flujo de Aire

Se simula la estructura en presencia de un flujo de aire, con el objetivo de determinar el comportamiento de la transferencia de calor al aire.

Para este análisis se exportó, íntegramente, la estructura diseñada en MEMSPRO hacia ANSYS (Figura 3) y se rodeó con un prisma de aire, como se muestra en la Figura 6.

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Figura 6. Geometría del problema a resolver compuesta por: resistencia de Níquel, base de Silicio y el aire formando un prisma alrededor de la estructura de prueba.

A continuación se relacionan los datos utilizados para los materiales presentes. Los datos utilizados para el Níquel son iguales a los empleados anteriormente.

AIRE

Densidad: 1,1845 kg/m3 = 1,1845 x 10-18 kg/µm3

Viscosidad: 1,8444 x 10-5 kg/m.s = 1,8444 x 10-11 kg/µm.s

Calor específico: 1,0063 x 103 J/kg K = 1,0063 x 1015 pJ/kg K

Conductividad térmica: 0,025969 W/m K = 25969 pW/µm K

SILICIO

Conductividad térmica: 1,25 x 108 pW/µm K Calor específico: 7,53 x 1010 pJ/kg K Densidad: 2,33 x 10-15 kg/µm3

Los datos anteriores fueron convertidos a unidades micrométricas ya que para las simulaciones de MEMS en ANSYS éstas son las apropiadas.

Para esta simulación en FLOTRAN CFD, además del análisis para diferentes valores de velocidades de flujo de aire, hay que especificar que se va a hacer un análisis térmico. Manteniendo las condiciones de la velocidad del aire para el túnel de viento, se aplica una temperatura de 298 K = 25ºC a todas las áreas del prisma que representa al elemento AIRE y se aplica como carga la distribución del calor generado por efecto Joule al hacer pasar corriente a través de la estructura para calentarla hasta los 60ºC. En esta simulación el fenómeno de transferencia de calor que está favorecido es la convección forzada ya que se tiene un flujo de aire en movimiento pasando alrededor de una superficie caliente.

El objetivo de esta simulación es comprobar si la estructura resistiva de Níquel

es capaz de detectar variaciones de 0,05m/s, que es el valor de la exactitud requerida en la medición de velocidad del aire en aplicaciones de confort. Se realizaron corridas para los valores de velocidad del aire, en el intervalo de 0 a 1m/s (intervalo de medición de la velocidad del aire en aplicaciones de confort), incrementando en 0,05m/s cada vez.

En la Figura 7 se muestra el comportamiento de la temperatura en el centro de la estructura resistiva de prueba en función de la velocidad del aire.

Figura 7. Comportamiento de la temperatura en función de la velocidad del aire en el centro de la estructura resistiva de prueba.

Con este resultado se evidencia que para velocidades por debajo de los 0,1m/s la variación de la temperatura en la estructura resistiva no es detectada con ANSYS. Sin embargo, a partir de este valor la disminución de la temperatura se hace mayor con el aumento de la velocidad del aire.

El resultado que arroja la simulación apunta a que con la estructura resistiva de níquel, diseñada con MetalMUMPs, se pueden detectar las variaciones de flujo de aire de 0,05m/s a partir de 0,1m/s observándose una variación de la temperatura y la resistencia de la celda sensora proporcional a este flujo. Lo anterior se considera un buen resultado para la futura aplicación del níquel de MetalMUMPs en aplicaciones de confort, ya que velocidades por debajo de 0,1m/s es poco probable que ocurran en una habitación ventilada[9].

Otro resultado importante es poder obtener la variación de la resistencia con respecto a las variaciones de temperatura registradas, para la estructura, en el intervalo de velocidad del aire analizado. Para esto se evalúa la ecuación (1) con los siguientes valores:

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α∆T) (1 R

R = o + (1)

R0 = 0,4

α

= 5,2 x 10-3 1/K, TCR del níquel para 60ºC

19.

T = Tf – T0, donde T0 = 25ºC y Tf se evalúa para cada valor de temperatura obtenido.

En la figura 8 se muestra el gráfico del comportamiento de la resistencia eléctrica contra la temperatura.

Figura 8. Comportamiento de la resistencia eléctrica contra la temperatura, al hacer pasar un flujo de aire a velocidades entre 0 y 1m/s.

En el gráfico de la figura se observan variaciones de la resistencia eléctrica del material con la variación de la velocidad del aire, lo cual se considera un resultado positivo.

Es cierto que a medida que disminuye la velocidad del aire aumenta el valor de la resistencia en un intervalo muy pequeño. Esto sugiere aplicar una amplificación en el orden de 103 para lograr detectar la variación de la resistencia de una mejor manera. En el diseño del canal de medición debe disminuirse al máximo los efectos del ruido en la medición utilizando los dispositivos necesarios, aunque esto encarezca el diseño.

Hay que señalar que el valor del TCR utilizado para el níquel no es el correspondiente al material estructural de MetalMUMPs, debido a que este no está reportado. Se utilizó un valor reportado de TCR para el níquel en una estructura térmica resistiva para un sensor similar al que se desea construir[19].

Conclusiones

Se logró simular, mediante el programa ANSYS, las características térmicas y el comportamiento del aire en la superficie de un prototipo de celda sensora de flujo de

aire de principio térmico, diseñado con la tecnología MetalMUMPs para la fabricación de MEMS. Obteniéndose los siguientes resultados:

 La influencia de la fuerza de gravedad en la deformación de la estructura es despreciable.

 La transferencia de calor por radiación a la temperatura de 60ºC, para la estructura resistiva de prueba diseñada con MetalMUMPs, es despreciable.

 El valor de potencia necesaria para calentar la resistencia de Níquel hasta la temperatura de trabajo, es comparable e incluso menor que el reportado por otros autores para calentar elementos resistivos micromaquinados.

 De acuerdo con los resultados de la simulación se puede afirmar que con la estructura resistiva de níquel, diseñada con MetalMUMPs, se pueden detectar las variaciones de flujo de aire de 0,05m/s a partir de 0,1m/s, observándose que la variación de la temperatura depende del cuadrado de la velocidad del aire.

Con estos resultados se han dado pasos importantes en la validación de una estructura de prueba para la medición de la velocidad del aire diseñada con la tecnología MetalMUMPs. Con los resultados obtenidos hasta este momento se puede decir que la tecnología MetalMUMPs presenta grandes potencialidades para la fabricación de sensores de flujo de aire de principio térmico.

Referencias

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Referencias

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