Μικροκατασκευή / Μικροκατασκευή / Μικρομηχανική / 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. Μερικές φορές οι συνολικές διαστάσεις ενός μικροκατασκευασμένου προϊόντος μπορεί να είναι μεγαλύτερες, αλλά εξακολουθούμε να χρησιμοποιούμε αυτόν τον όρο για να αναφερθούμε στις αρχές και τις διαδικασίες που εμπλέκονται. Χρησιμοποιούμε την προσέγγιση μικροκατασκευής για να κατασκευάσουμε τους ακόλουθους τύπους συσκευών:

 

 

 

Μικροηλεκτρονικές Συσκευές: Χαρακτηριστικά παραδείγματα είναι τα τσιπ ημιαγωγών που λειτουργούν με βάση ηλεκτρικές και ηλεκτρονικές αρχές.

 

Μικρομηχανικές συσκευές: Πρόκειται για προϊόντα που έχουν καθαρά μηχανικό χαρακτήρα, όπως πολύ μικρά γρανάζια και μεντεσέδες.

 

Μικροηλεκτρομηχανικές συσκευές: Χρησιμοποιούμε τεχνικές μικροκατασκευής για να συνδυάσουμε μηχανικά, ηλεκτρικά και ηλεκτρονικά στοιχεία σε πολύ μικρές κλίμακες μήκους. Οι περισσότεροι αισθητήρες μας ανήκουν σε αυτήν την κατηγορία.

 

Μικροηλεκτρομηχανικά Συστήματα (MEMS): Αυτές οι μικροηλεκτρομηχανικές συσκευές ενσωματώνουν επίσης ένα ολοκληρωμένο ηλεκτρικό σύστημα σε ένα προϊόν. Τα δημοφιλή εμπορικά προϊόντα μας σε αυτήν την κατηγορία είναι επιταχυνσιόμετρα MEMS, αισθητήρες αερόσακων και ψηφιακές συσκευές μικροκαθρέφτη.

 

 

 

Ανάλογα με το προϊόν που πρόκειται να κατασκευαστεί, εφαρμόζουμε μία από τις ακόλουθες κύριες μεθόδους μικροκατασκευής:

 

ΜΙΚΡΟΜΗΧΑΝΙΚΗ ΧΥΜΑ: Αυτή είναι μια σχετικά παλαιότερη μέθοδος που χρησιμοποιεί χαρακτικά που εξαρτώνται από τον προσανατολισμό σε μονοκρυσταλλικό πυρίτιο. Η προσέγγιση της μικροκατεργασίας χύδην βασίζεται στη χάραξη σε μια επιφάνεια και στο σταμάτημα σε ορισμένες κρυσταλλικές επιφάνειες, περιοχές με πρόσμιξη και χαρακτικά φιλμ για να σχηματιστεί η απαιτούμενη δομή. Τα τυπικά προϊόντα που μπορούμε να κατασκευάσουμε μικροκατασκευές χρησιμοποιώντας την τεχνική χύδην μικρομηχανικής είναι:

 

- Μικροσκοπικοί πρόβολοι

 

- V-groves σε πυρίτιο για ευθυγράμμιση και στερέωση οπτικών ινών.

 

ΜΙΚΡΟΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΕΠΙΦΑΝΕΙΩΝ: Δυστυχώς, η μαζική μικροκατεργασία περιορίζεται σε μονοκρυσταλλικά υλικά, καθώς τα πολυκρυσταλλικά υλικά δεν θα επεξεργαστούν με διαφορετικούς ρυθμούς σε διαφορετικές κατευθύνσεις χρησιμοποιώντας υγρά χαρακτικά. Ως εκ τούτου, η μικροκατεργασία επιφανειών ξεχωρίζει ως εναλλακτική λύση στη μικροκατεργασία χύδην. Ένα διαχωριστικό ή θυσιαστικό στρώμα όπως φωσφοπυριτικό γυαλί εναποτίθεται χρησιμοποιώντας τη διαδικασία CVD σε ένα υπόστρωμα πυριτίου. Γενικά, δομικά στρώματα λεπτής μεμβράνης από πολυπυρίτιο, μέταλλο, κράματα μετάλλων, διηλεκτρικά εναποτίθενται πάνω στο διαχωριστικό στρώμα. Χρησιμοποιώντας τεχνικές ξηρής χάραξης, τα δομικά στρώματα λεπτής μεμβράνης διαμορφώνονται με σχέδια και χρησιμοποιείται υγρή χάραξη για την αφαίρεση του θυσιαζόμενου στρώματος, με αποτέλεσμα να δημιουργούνται ελεύθερες δομές όπως οι πρόβολοι. Είναι επίσης δυνατή η χρήση συνδυασμών τεχνικών μικροκατεργασίας χύδην και επιφανείας για τη μετατροπή ορισμένων σχεδίων σε προϊόντα. Τυπικά προϊόντα κατάλληλα για μικροκατασκευή χρησιμοποιώντας συνδυασμό των δύο παραπάνω τεχνικών:

 

- Μικρολαμπτήρες υπομιλιμετρικού μεγέθους (με μέγεθος 0,1 mm)

 

- Αισθητήρες πίεσης

 

- Μικροαντλίες

 

- Μικροκινητήρες

 

- Ενεργοποιητές

 

- Συσκευές ροής μικρορευστού

 

Μερικές φορές, για να ληφθούν υψηλές κατακόρυφες δομές, η μικροκατασκευή πραγματοποιείται σε μεγάλες επίπεδες κατασκευές οριζόντια και στη συνέχεια οι δομές περιστρέφονται ή διπλώνονται σε όρθια θέση χρησιμοποιώντας τεχνικές όπως η φυγοκέντρηση ή η μικροσυναρμολόγηση με ανιχνευτές. Ωστόσο, πολύ ψηλές δομές μπορούν να ληφθούν σε μονοκρυσταλλικό πυρίτιο χρησιμοποιώντας δεσμό σύντηξης πυριτίου και χάραξη βαθιάς αντιδραστικών ιόντων. Η διαδικασία μικροκατασκευής Deep Reactive Ion Etching (DRIE) πραγματοποιείται σε δύο ξεχωριστά πλακίδια, στη συνέχεια ευθυγραμμίζονται και συγκολλούνται με σύντηξη για να παραχθούν πολύ ψηλές δομές που διαφορετικά θα ήταν αδύνατες.

 

 

 

ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΕΣ ΜΙΚΡΟΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ LIGA: Η διαδικασία LIGA συνδυάζει λιθογραφία ακτίνων Χ, ηλεκτροαπόθεση, χύτευση και γενικά περιλαμβάνει τα ακόλουθα βήματα:

 

 

 

1. Στο πρωτεύον υπόστρωμα εναποτίθεται στρώμα ανθεκτικού πολυμεθυλομετακρυλικού (PMMA) πάχους μερικών εκατοντάδων microns.

 

2. Το PMMA αναπτύσσεται χρησιμοποιώντας ευθυγραμμισμένες ακτίνες Χ.

 

3. Το μέταλλο εναποτίθεται ηλεκτρονικά στο πρωτεύον υπόστρωμα.

 

4. Το PMMA απογυμνώνεται και παραμένει μια ανεξάρτητη μεταλλική κατασκευή.

 

5. Χρησιμοποιούμε την υπόλοιπη μεταλλική κατασκευή ως καλούπι και εκτελούμε χύτευση με έγχυση πλαστικών.

 

 

 

Αν αναλύσετε τα βασικά πέντε βήματα παραπάνω, χρησιμοποιώντας τις τεχνικές μικροκατασκευής / μικρομηχανουργικής LIGA μπορούμε να λάβουμε:

 

 

 

- Ανεξάρτητες μεταλλικές κατασκευές

 

- Πλαστικές κατασκευές με έγχυση

 

- Χρησιμοποιώντας τη χυτευμένη με έγχυση δομή ως ακατέργαστο, μπορούμε να επενδύσουμε χυτά μεταλλικά μέρη ή κεραμικά εξαρτήματα χυτού χυτού.

 

 

 

Οι διαδικασίες μικροκατασκευής/μικρομηχανουργικής LIGA είναι χρονοβόρες και δαπανηρές. Ωστόσο, η μικροκατεργασία LIGA παράγει αυτά τα καλούπια ακριβείας υπομικρών που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την αναπαραγωγή των επιθυμητών δομών με διακριτά πλεονεκτήματα. Η μικροκατασκευή LIGA μπορεί να χρησιμοποιηθεί για παράδειγμα για την κατασκευή πολύ ισχυρών μικροσκοπικών μαγνητών από σκόνες σπάνιων γαιών. Οι σκόνες σπάνιων γαιών αναμιγνύονται με ένα εποξειδικό συνδετικό υλικό και συμπιέζονται στο καλούπι PMMA, σκληρύνονται υπό υψηλή πίεση, μαγνητίζονται κάτω από ισχυρά μαγνητικά πεδία και τελικά το PMMA διαλύεται αφήνοντας πίσω τους μικροσκοπικούς ισχυρούς μαγνήτες σπάνιων γαιών που είναι ένα από τα θαύματα του μικροκατασκευή / μικρομηχανική. Είμαστε επίσης σε θέση να αναπτύξουμε πολυεπίπεδες τεχνικές μικροκατασκευής/μικροκατεργασίας MEMS μέσω συγκόλλησης διάχυσης σε κλίμακα γκοφρέτας. Βασικά μπορούμε να έχουμε προεξέχουσες γεωμετρίες εντός συσκευών MEMS, χρησιμοποιώντας μια διαδικασία συγκόλλησης και απελευθέρωσης διάχυσης παρτίδας. Για παράδειγμα, προετοιμάζουμε δύο στρώματα με μοτίβο PMMA και ηλεκτροσχηματισμένα στρώματα με το PMMA στη συνέχεια να απελευθερώνεται. Στη συνέχεια, οι γκοφρέτες ευθυγραμμίζονται πρόσωπο με πρόσωπο με οδηγούς καρφίτσες και πιέζονται μαζί σε μια ζεστή πρέσα. Η θυσιαστική στρώση σε ένα από τα υποστρώματα είναι χαραγμένη με αποτέλεσμα το ένα από τα στρώματα να συνδέεται με το άλλο. Άλλες τεχνικές μικροκατασκευής που δεν βασίζονται σε LIGA είναι επίσης διαθέσιμες σε εμάς για την κατασκευή διαφόρων πολύπλοκων πολυστρωματικών δομών.

 

 

 

ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΕΣ ΜΙΚΡΟΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ ΣΤΕΡΕΑΣ ΕΛΕΥΘΕΡΗΣ ΜΟΡΦΗΣ: Η μικροκατασκευή προσθέτων χρησιμοποιείται για την ταχεία δημιουργία πρωτοτύπων. Πολύπλοκες τρισδιάστατες δομές μπορούν να ληφθούν με αυτήν τη μέθοδο μικρομηχανικής και δεν πραγματοποιείται αφαίρεση υλικού. Η διαδικασία μικροστερεολιθογραφίας χρησιμοποιεί υγρά θερμοσκληρυνόμενα πολυμερή, φωτοεκκινητή και πηγή λέιζερ υψηλής εστίασης σε διάμετρο τόσο μικρή όσο 1 μικρό και πάχος στρώματος περίπου 10 μικρά. Αυτή η τεχνική μικροκατασκευής περιορίζεται ωστόσο στην παραγωγή μη αγώγιμων πολυμερών δομών. Μια άλλη μέθοδος μικροκατασκευής, δηλαδή η «στιγμιαία κάλυψη» ή επίσης γνωστή ως «ηλεκτροχημική κατασκευή» ή EFAB περιλαμβάνει την παραγωγή μιας ελαστομερούς μάσκας χρησιμοποιώντας φωτολιθογραφία. Στη συνέχεια, η μάσκα πιέζεται πάνω στο υπόστρωμα σε ένα λουτρό ηλεκτροαπόθεσης, έτσι ώστε το ελαστομερές να συμμορφωθεί με το υπόστρωμα και να αποκλείει το διάλυμα επίστρωσης στις περιοχές επαφής. Οι περιοχές που δεν είναι καλυμμένες τοποθετούνται ηλεκτρονικά ως κατοπτρική εικόνα της μάσκας. Χρησιμοποιώντας ένα θυσιαστικό υλικό πλήρωσης, σύνθετα τρισδιάστατα σχήματα μικροκατασκευάζονται. Αυτή η μέθοδος μικροκατασκευής/μικροκατεργασίας «στιγμιαίας κάλυψης» καθιστά επίσης δυνατή την παραγωγή προεξοχών, τόξων… κ.λπ.