Fabricació a microescala / Microfabricació / Micromecanització / 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. De vegades, les dimensions globals d'un producte microfabricat poden ser més grans, però encara fem servir aquest terme per referir-nos als principis i processos implicats. Utilitzem l'enfocament de microfabricació per fabricar els següents tipus de dispositius:

 

 

 

Dispositius microelectrònics: exemples típics són els xips de semiconductors que funcionen basant-se en principis elèctrics i electrònics.

 

Dispositius micromecànics: són productes de naturalesa purament mecànica, com ara engranatges i frontisses molt petits.

 

Dispositius microelectromecànics: Utilitzem tècniques de microfabricació per combinar elements mecànics, elèctrics i electrònics a escales de longitud molt reduïdes. La majoria dels nostres sensors es troben en aquesta categoria.

 

Sistemes microelectromecànics (MEMS): aquests dispositius microelectromecànics també incorporen un sistema elèctric integrat en un producte. Els nostres productes comercials populars en aquesta categoria són acceleròmetres MEMS, sensors d'airbag i dispositius de micromirall digitals.

 

 

 

Depenent del producte a fabricar, implementem un dels següents mètodes principals de microfabricació:

 

MICROMECANITZACIÓ A GRANEL: aquest és un mètode relativament més antic que utilitza gravats depenent de l'orientació sobre silici monocristal. L'enfocament de micromecanitzat a granel es basa en gravar una superfície i aturar-se en determinades cares de cristall, regions dopades i pel·lícules gravables per formar l'estructura necessària. Els productes típics que podem microfabricar mitjançant la tècnica de micromecanitzat a granel són:

 

- Petits voladís

 

- Groves en V de silici per alineació i fixació de fibres òptiques.

 

MICROMECANITZACIÓ DE SUPERFÍCIES: Malauradament, el micromecanitzat a granel està restringit a materials monocristal·lins, ja que els materials policristalins no es mecanitzaran a diferents ritmes en diferents direccions mitjançant gravadors humits. Per tant, el micromecanitzat de superfície destaca com una alternativa al micromecanitzat a granel. Un separador o una capa de sacrifici, com ara el vidre de fosfosilicat, es diposita mitjançant el procés CVD sobre un substrat de silici. En termes generals, les capes estructurals de pel·lícula fina de polisilici, metall, aliatges metàl·lics, dielèctrics es dipositen a la capa separadora. Utilitzant tècniques de gravat en sec, es modelen les capes estructurals de pel·lícula fina i s'utilitza el gravat humit per eliminar la capa de sacrifici, donant lloc a estructures autònomes com ara voladís. També és possible utilitzar combinacions de tècniques de micromecanitzat a granel i de superfície per convertir alguns dissenys en productes. Productes típics adequats per a la microfabricació mitjançant una combinació de les dues tècniques anteriors:

 

- Microlàmpades de mida submilimètrica (de l'ordre de mida de 0,1 mm)

 

- Sensors de pressió

 

- Microbombes

 

- Micromotors

 

- Actuadors

 

- Dispositius de microfluids

 

De vegades, per tal d'obtenir estructures verticals elevades, es realitza una microfabricació sobre grans estructures planes horitzontalment i després les estructures es fan girar o plegar en posició vertical mitjançant tècniques com la centrifugació o el micromuntatge amb sondes. No obstant això, es poden obtenir estructures molt altes en silici monocristall mitjançant unió de fusió de silici i gravat d'ions reactius profunds. El procés de microfabricació de Deep Reactive Ion Etching (DRIE) es porta a terme en dues hòsties separades, després s'alineen i s'uneixen per fusió per produir estructures molt altes que, d'altra manera, serien impossibles.

 

 

 

PROCESSOS DE MICROMANUFACTURA LIGA: El procés LIGA combina la litografia de raigs X, l'electrodeposició, l'emmotllament i, en general, inclou els següents passos:

 

 

 

1. Una capa de resistència de polimetilmetacrilat (PMMA) d'uns quants centenars de micres de gruix es diposita sobre el substrat primari.

 

2. El PMMA es desenvolupa mitjançant raigs X col·limats.

 

3. El metall s'electrodeposita sobre el substrat primari.

 

4. El PMMA es despulla i queda una estructura metàl·lica independent.

 

5. Utilitzem l'estructura metàl·lica restant com a motlle i realitzem l'emmotllament per injecció de plàstics.

 

 

 

Si analitzem els cinc passos bàsics anteriors, mitjançant les tècniques de microfabricació / micromecanitzat de LIGA podem obtenir:

 

 

 

- Estructures metàl·liques independents

 

- Estructures de plàstic modelades per injecció

 

- Utilitzant l'estructura modelada per injecció com a brut, podem invertir peces metàl·liques de fosa o peces de ceràmica de fosa antilliscant.

 

 

 

Els processos de microfabricació / micromecanitzat de LIGA consumeixen molt de temps i són costosos. No obstant això, el micromecanitzat LIGA produeix aquests motlles de precisió submicròniques que es poden utilitzar per replicar les estructures desitjades amb diferents avantatges. La microfabricació LIGA es pot utilitzar, per exemple, per fabricar imants en miniatura molt forts a partir de pols de terres rares. Les pols de terres rares es barregen amb un aglutinant epoxi i es pressionen al motlle de PMMA, es cura a alta pressió, es magnetitza sota forts camps magnètics i finalment el PMMA es dissol deixant enrere els minúsculs imants forts de terres rares que són una de les meravelles de microfabricació / micromecanitzat. També som capaços de desenvolupar tècniques de microfabricació / micromecanitzat de MEMS multinivell mitjançant l'enllaç de difusió a escala d'hòsties. Bàsicament podem tenir geometries pendents dins dels dispositius MEMS, utilitzant un procediment d'unió i alliberament de difusió per lots. Per exemple, preparem dues capes modelades i electroformades de PMMA amb el PMMA alliberat posteriorment. A continuació, les hòsties s'alineen cara a cara amb passadors de guia i s'ajusten amb una premsa calenta. La capa de sacrifici d'un dels substrats està gravada, cosa que fa que una de les capes s'uneixi a l'altra. També tenim disponibles altres tècniques de microfabricació no basades en LIGA per a la fabricació de diverses estructures multicapa complexes.

 

 

 

PROCESSOS DE MICROFABRICACIÓ DE FORMA LLIURE DE SOLIDS: La microfabricació additiva s'utilitza per a la creació de prototips ràpids. Amb aquest mètode de micromecanitzat es poden obtenir estructures 3D complexes i no es produeix cap eliminació de material. El procés de microestereolitografia utilitza polímers termoestables líquids, fotoiniciador i una font làser altament enfocada amb un diàmetre tan petit com 1 micra i gruixos de capa d'unes 10 micres. Tanmateix, aquesta tècnica de microfabricació es limita a la producció d'estructures de polímers no conductors. Un altre mètode de microfabricació, és a dir, l'"emmascarament instantani" o també conegut com a "fabricació electroquímica" o EFAB, implica la producció d'una màscara elastomèrica mitjançant fotolitografia. A continuació, la màscara es pressiona contra el substrat en un bany d'electrodeposició de manera que l'elastòmer s'ajusti al substrat i exclou la solució de revestiment a les zones de contacte. Les àrees que no estan emmascarades s'electrodepositen com a imatge mirall de la màscara. Utilitzant un farciment de sacrifici, es microfabriquen formes complexes en 3D. Aquest mètode de microfabricació / micromecanitzat d'"emmascarament instantani" també permet produir voladissos, arcs... etc.