Микромащабно производство / Микропроизводство / Микрообработка / MEMS

MICROMANUFACTURING, MICROSCALE MANUFACTURING, MICROFABRICATION or MICROMACHINING refers to our processes suitable for making tiny devices and products in the micron or microns of dimensions. Понякога общите размери на микропроизведен продукт може да са по-големи, но ние все пак използваме този термин, за да обозначим принципите и процесите, които са включени. Ние използваме подхода на микропроизводството, за да направим следните видове устройства:

 

 

 

Микроелектронни устройства: Типични примери са полупроводникови чипове, които функционират на базата на електрически и електронни принципи.

 

Микромеханични устройства: Това са продукти, които са чисто механични по природа, като много малки зъбни колела и панти.

 

Микроелектромеханични устройства: Използваме техники за микропроизводство, за да комбинираме механични, електрически и електронни елементи в много малки мащаби на дължина. Повечето от нашите сензори са в тази категория.

 

Микроелектромеханични системи (MEMS): Тези микроелектромеханични устройства също включват интегрирана електрическа система в един продукт. Нашите популярни търговски продукти в тази категория са MEMS акселерометри, сензори за въздушни възглавници и цифрови микроогледални устройства.

 

 

 

В зависимост от продукта, който ще бъде произведен, ние използваме един от следните основни методи за микропроизводство:

 

BULK MICROMACHINING: Това е сравнително по-стар метод, който използва ецване в зависимост от ориентацията върху монокристален силиций. Подходът за масивна микромашинна обработка се основава на ецване надолу в повърхността и спиране върху определени кристални повърхности, легирани области и ецваеми филми, за да се образува необходимата структура. Типични продукти, които сме способни да произвеждаме микро, използвайки техника за микрообработка на насипни количества, са:

 

- Малки конзоли

 

- V-образни вдлъбнатини в силиций за подравняване и фиксиране на оптични влакна.

 

ПОВЪРХНОСТНА МИКРОМАШИННА ОБРАБОТКА: За съжаление масовата микрообработка е ограничена до монокристални материали, тъй като поликристалните материали няма да се обработват с различни скорости в различни посоки, като се използват мокри ецващи средства. Следователно повърхностната микрообработка се откроява като алтернатива на масивната микрообработка. Дистанционен или жертвен слой, като например фосфосиликатно стъкло, се отлага чрез CVD процес върху силициев субстрат. Най-общо казано, структурни тънкослойни слоеве от полисилиций, метал, метални сплави, диелектрици се отлагат върху дистанционния слой. Използвайки техники за сухо ецване, структурните тънкослойни слоеве са шарени и мокрото ецване се използва за отстраняване на жертвения слой, което води до свободно стоящи структури като конзоли. Също така е възможно използването на комбинации от техники за насипна и повърхностна микрообработка за превръщане на някои дизайни в продукти. Типични продукти, подходящи за микропроизводство с помощта на комбинация от горните две техники:

 

- Микролампи със субмилиметричен размер (от порядъка на размер 0,1 mm)

 

- Сензори за налягане

 

- Микропомпи

 

- Микромотори

 

- Актуатори

 

- Устройства с микрофлуиден поток

 

Понякога, за да се получат високи вертикални структури, микропроизводството се извършва върху големи плоски структури хоризонтално и след това структурите се завъртат или сгъват в изправено положение с помощта на техники като центрофугиране или микросглобяване със сонди. И все пак много високи структури могат да бъдат получени в монокристален силиций, като се използва силициево сливане и дълбоко реактивно йонно ецване. Процесът на микропроизводство с дълбоко реактивно йонно ецване (DRIE) се извършва върху две отделни пластини, след което се подравняват и свързват чрез сливане, за да се получат много високи структури, които иначе биха били невъзможни.

 

 

 

ПРОЦЕСИ ЗА МИКРОПРОИЗВОДСТВО LIGA: Процесът LIGA съчетава рентгенова литография, електроотлагане, формоване и като цяло включва следните стъпки:

 

 

 

1. Върху основния субстрат се отлага слой от полиметилметакрилат (PMMA) с дебелина няколко стотици микрона.

 

2. PMMA е разработен с помощта на колимирани рентгенови лъчи.

 

3. Металът е електроотложен върху основния субстрат.

 

4. PMMA се отстранява и остава свободностояща метална конструкция.

 

5. Използваме останалата метална конструкция като форма и извършваме шприцоване на пластмаси.

 

 

 

Ако анализирате основните пет стъпки по-горе, използвайки техниките за микропроизводство/микрообработка на LIGA, можем да получим:

 

 

 

- Свободностоящи метални конструкции

 

- Шприцовани пластмасови конструкции

 

- Използвайки шприцована структура като заготовка, можем да леем метални части или плъзгащи се керамични части.

 

 

 

Процесите на микропроизводство/микрообработка на LIGA отнемат време и са скъпи. Въпреки това микрообработването на LIGA произвежда тези субмикронни прецизни форми, които могат да се използват за възпроизвеждане на желаните структури с различни предимства. Микропроизводството на LIGA може да се използва например за производство на много силни миниатюрни магнити от редкоземни прахове. Праховете от редкоземни елементи се смесват с епоксидно свързващо вещество и се притискат към PMMA формата, втвърдяват се под високо налягане, магнетизират се под силни магнитни полета и накрая PMMA се разтваря, оставяйки след себе си малките силни редкоземни магнити, които са едно от чудесата на микропроизводство / микрообработка. Ние също така сме в състояние да разработим многостепенни MEMS техники за микропроизводство/микрообработка чрез дифузионно свързване на пластини. По принцип можем да имаме надвиснали геометрии в MEMS устройствата, като използваме процедура за партидно дифузионно свързване и освобождаване. Например, ние подготвяме два PMMA шарени и електроформовани слоя с PMMA впоследствие освободен. След това вафлите се подравняват лице в лице с водещи щифтове и се притискат заедно в гореща преса. Жертвеният слой на един от субстратите е гравиран, което води до свързване на единия с другия. Други техники за микропроизводство, различни от LIGA, също са достъпни за нас за производството на различни сложни многослойни структури.

 

 

 

ПРОЦЕСИ ЗА МИКРОИЗРАБОТВАНЕ НА ТВЪРДА СВОБОДНА ФОРМА: Адитивното микропроизводство се използва за бързо създаване на прототипи. Чрез този метод на микрообработка могат да се получат сложни 3D структури и не се извършва отстраняване на материал. Микростереолитографският процес използва течни термореактивни полимери, фотоинициатор и силно фокусиран лазерен източник с диаметър от 1 микрон и дебелина на слоя от около 10 микрона. Тази техника на микропроизводство обаче е ограничена до производството на непроводими полимерни структури. Друг метод за микропроизводство, а именно „незабавно маскиране“ или известен също като „електрохимично производство“ или EFAB, включва производството на еластомерна маска с помощта на фотолитография. След това маската се притиска към субстрата във вана за електроотлагане, така че еластомерът да се приспособи към субстрата и да изключи разтвора за покритие в контактните зони. Зоните, които не са маскирани, се електроотлагат като огледален образ на маската. Използвайки жертвен пълнител, сложните 3D форми са микрофабрикирани. Този метод на микропроизводство/микромашинна обработка с „незабавно маскиране“ прави също възможно производството на надвеси, арки… и т.н.