Microscale Manufacturing / Micromanufacturing / Micromachining / 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. Někdy mohou být celkové rozměry mikrovyrobeného produktu větší, ale stále tento termín používáme k označení principů a procesů, které jsou součástí. K výrobě následujících typů zařízení používáme přístup mikrovýroby:

 

 

 

Mikroelektronická zařízení: Typickými příklady jsou polovodičové čipy, které fungují na základě elektrických a elektronických principů.

 

Mikromechanická zařízení: Jedná se o produkty, které jsou čistě mechanické povahy, jako jsou velmi malá ozubená kola a závěsy.

 

Mikroelektromechanická zařízení: Používáme mikrovýrobní techniky ke kombinaci mechanických, elektrických a elektronických prvků ve velmi malých délkách. Většina našich senzorů je v této kategorii.

 

Mikroelektromechanické systémy (MEMS): Tato mikroelektromechanická zařízení také obsahují integrovaný elektrický systém v jednom produktu. Naše oblíbené komerční produkty v této kategorii jsou MEMS akcelerometry, senzory airbagů a digitální mikrozrcadlová zařízení.

 

 

 

V závislosti na produktu, který má být vyroben, používáme jednu z následujících hlavních metod mikrovýroby:

 

BULK MICROMACHINING: Jedná se o relativně starší metodu, která využívá orientaci závislé lepty na monokrystalickém křemíku. Přístup hromadného mikroobrábění je založen na leptání do povrchu a zastavení na určitých plochách krystalů, dotovaných oblastech a leptaných filmech, aby se vytvořila požadovaná struktura. Typické produkty, které jsme schopni mikrovýroby pomocí hromadného mikroobrábění, jsou:

 

- Drobné konzoly

 

- V-drážky v silikonu pro vyrovnání a fixaci optických vláken.

 

POVRCHOVÉ MIKROMOBRÁBĚNÍ: Bohužel hromadné mikroobrábění je omezeno na monokrystalické materiály, protože polykrystalické materiály nebudou obráběny různými rychlostmi v různých směrech pomocí mokrých leptadel. Mikroobrábění povrchu proto vyniká jako alternativa k hromadnému mikroobrábění. Distanční nebo obětovaná vrstva, jako je fosfosilikátové sklo, je nanesena pomocí procesu CVD na křemíkový substrát. Obecně řečeno, na distanční vrstvě jsou naneseny strukturní tenké vrstvy z polysilikonu, kovu, kovových slitin, dielektrik. Pomocí technik suchého leptání jsou strukturní vrstvy tenkého filmu vzorovány a k odstranění obětované vrstvy se používá mokré leptání, což vede k volně stojícím strukturám, jako jsou konzoly. Možné je také použití kombinací hromadných a povrchových mikroobráběcích technik pro přeměnu některých vzorů na produkty. Typické produkty vhodné pro mikrovýrobu pomocí kombinace dvou výše uvedených technik:

 

- Submilimetrické mikrolampy (řádově velikost 0,1 mm)

 

- Tlakové senzory

 

- Mikropumpy

 

- Mikromotory

 

- Akční členy

 

- Mikrofluidní zařízení

 

Někdy se za účelem získání vysokých vertikálních struktur provádí mikrovýroba na velkých plochých strukturách horizontálně a poté se struktury otočí nebo složí do vzpřímené polohy pomocí technik, jako je odstřeďování nebo mikrosestavení se sondami. Přesto lze získat velmi vysoké struktury v monokrystalovém křemíku pomocí křemíkové fúzní vazby a hlubokého reaktivního iontového leptání. Mikrovýrobní proces Hlubokého reaktivního iontového leptání (DRIE) se provádí na dvou samostatných plátcích, poté se zarovnají a spojí fúzí, aby se vytvořily velmi vysoké struktury, které by jinak nebyly možné.

 

 

 

LIGA MIKROMANUFACTURING PROCESY: Proces LIGA kombinuje rentgenovou litografii, elektrolytické nanášení, lisování a obecně zahrnuje následující kroky:

 

 

 

1. Na primární substrát je nanesena vrstva polymethylmetakrylátu (PMMA) silná několik stovek mikronů.

 

2. PMMA je vyvinut pomocí kolimovaného rentgenového záření.

 

3. Kov je elektrolyticky nanesen na primární substrát.

 

4. PMMA se odizoluje a zůstane volně stojící kovová konstrukce.

 

5. Zbývající kovovou konstrukci používáme jako formu a provádíme vstřikování plastů.

 

 

 

Pokud analyzujete výše uvedených pět základních kroků, pomocí technik mikrovýroby / mikroobrábění LIGA můžeme získat:

 

 

 

- Volně stojící kovové konstrukce

 

- Vstřikované plastové konstrukce

 

- Použitím vstřikované konstrukce jako polotovaru můžeme zatavit lité kovové díly nebo lité keramické díly.

 

 

 

Procesy mikrovýroby / mikroobrábění LIGA jsou časově náročné a drahé. Mikroobrábění LIGA však produkuje tyto submikronové přesné formy, které lze použít k replikaci požadovaných struktur s výraznými výhodami. Mikrovýroba LIGA může být použita například k výrobě velmi silných miniaturních magnetů z prášků vzácných zemin. Prášky vzácných zemin jsou smíchány s epoxidovým pojivem a stlačeny do formy z PMMA, vytvrzeny pod vysokým tlakem, zmagnetizovány pod silnými magnetickými poli a nakonec se PMMA rozpustí a zanechá za sebou malé silné magnety vzácných zemin, které jsou jedním z divů mikrovýroba / mikroobrábění. Jsme také schopni vyvinout víceúrovňové MEMS mikrovýrobní / mikroobráběcí techniky prostřednictvím difúzního spojování plátků. V zásadě můžeme mít přesahující geometrie v rámci zařízení MEMS pomocí dávkového difúzního spojování a uvolňování. Například připravíme dvě PMMA vzorované a galvanoplastické vrstvy s následně uvolněným PMMA. Dále jsou plátky vyrovnány lícem k líci pomocí vodicích kolíků a lisovány dohromady v horkém lisu. Obětní vrstva na jednom ze substrátů je odleptána, což vede k tomu, že jedna z vrstev je spojena s druhou. Pro výrobu různých složitých vícevrstvých struktur máme také k dispozici další mikrovýrobní techniky, které nejsou založeny na LIGA.

 

 

 

PROCESY VOLNÉ MIKROFABRIKACE SOLID FORMA: Aditivní mikrovýroba se používá pro rychlé prototypování. Touto metodou mikroobrábění lze získat složité 3D struktury a nedochází k žádnému úběru materiálu. Proces mikrostereolitografie využívá kapalné termosetové polymery, fotoiniciátor a vysoce zaostřený laserový zdroj do průměru 1 mikronu a tloušťky vrstvy asi 10 mikronů. Tato mikrovýrobní technika je však omezena na výrobu nevodivých polymerních struktur. Další mikrovýrobní metoda, konkrétně „okamžité maskování“ nebo také známá jako „elektrochemická výroba“ nebo EFAB, zahrnuje výrobu elastomerní masky pomocí fotolitografie. Maska je poté přitlačena k substrátu v lázni pro elektrolytické nanášení tak, aby se elastomer přizpůsobil substrátu a vyloučil pokovovací roztok v kontaktních oblastech. Oblasti, které nejsou maskovány, jsou elektrolyticky naneseny jako zrcadlový obraz masky. Pomocí obětního plniva se mikrofabrikují složité 3D tvary. Tato metoda mikrovýroby / mikroobrábění „okamžitého maskování“ umožňuje také vyrábět převisy, oblouky atd.