Fabricación a microescala / Microfabricación / Micromecanizado / 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. A veces, las dimensiones generales de un producto microfabricado pueden ser mayores, pero aún usamos este término para referirnos a los principios y procesos involucrados. Utilizamos el enfoque de microfabricación para fabricar los siguientes tipos de dispositivos:

 

 

 

Dispositivos microelectrónicos: los ejemplos típicos son los chips semiconductores que funcionan según principios eléctricos y electrónicos.

 

Dispositivos micromecánicos: estos son productos de naturaleza puramente mecánica, como engranajes y bisagras muy pequeños.

 

Dispositivos Microelectromecánicos: Utilizamos técnicas de microfabricación para combinar elementos mecánicos, eléctricos y electrónicos en escalas de longitud muy pequeñas. La mayoría de nuestros sensores están en esta categoría.

 

Sistemas microelectromecánicos (MEMS): estos dispositivos microelectromecánicos también incorporan un sistema eléctrico integrado en un solo producto. Nuestros productos comerciales populares en esta categoría son acelerómetros MEMS, sensores de bolsas de aire y dispositivos de microespejos digitales.

 

 

 

Según el producto a fabricar, implementamos uno de los siguientes métodos principales de microfabricación:

 

MICROMAQUINADO A GRANEL: Este es un método relativamente antiguo que utiliza grabados dependientes de la orientación en silicio monocristalino. El enfoque de micromecanizado a granel se basa en grabar en una superficie y detenerse en ciertas caras de cristal, regiones dopadas y películas grabables para formar la estructura requerida. Los productos típicos que somos capaces de microfabricar utilizando la técnica de micromecanizado a granel son:

 

- Diminutos voladizos

 

- Ranuras en V de silicona para alineación y fijación de fibras ópticas.

 

MICROMAQUINADO DE SUPERFICIE: Desafortunadamente, el micromaquinado a granel está restringido a materiales monocristalinos, ya que los materiales policristalinos no se mecanizarán a diferentes velocidades en diferentes direcciones usando grabadores húmedos. Por lo tanto, el micromecanizado de superficies se destaca como una alternativa al micromecanizado a granel. Se deposita una capa espaciadora o de sacrificio, como vidrio de fosfosilicato, mediante un proceso de CVD sobre un sustrato de silicio. En términos generales, las capas estructurales de película delgada de polisilicio, metal, aleaciones metálicas y dieléctricos se depositan sobre la capa espaciadora. Usando técnicas de grabado en seco, las capas de película delgada estructural se modelan y se usa grabado en húmedo para eliminar la capa de sacrificio, lo que da como resultado estructuras independientes como voladizos. También es posible usar combinaciones de técnicas de micromecanizado de superficie y volumen para convertir algunos diseños en productos. Productos típicos adecuados para la microfabricación utilizando una combinación de las dos técnicas anteriores:

 

- Microlámparas de tamaño submilimétrico (del orden de 0,1 mm de tamaño)

 

- Sensores de presión

 

- Microbombas

 

- Micromotores

 

- Actuadores

 

- Dispositivos de flujo de microfluidos

 

A veces, para obtener estructuras verticales altas, la microfabricación se realiza horizontalmente en grandes estructuras planas y luego las estructuras se giran o se pliegan en una posición vertical utilizando técnicas como la centrifugación o el microensamblaje con sondas. Sin embargo, se pueden obtener estructuras muy altas en silicio monocristalino mediante unión por fusión de silicio y grabado profundo con iones reactivos. El proceso de microfabricación de grabado de iones reactivos profundos (DRIE) se lleva a cabo en dos obleas separadas, luego se alinean y se unen por fusión para producir estructuras muy altas que de otro modo serían imposibles.

 

 

 

PROCESOS DE MICROFABRICACIÓN LIGA: El proceso LIGA combina litografía de rayos X, electrodeposición, moldeo y, en general, consta de los siguientes pasos:

 

 

 

1. Se deposita una capa resistente de polimetilmetacrilato (PMMA) de unos pocos cientos de micras de espesor sobre el sustrato principal.

 

2. El PMMA se revela utilizando rayos X colimados.

 

3. El metal se deposita electrolíticamente sobre el sustrato primario.

 

4. Se decapa el PMMA y queda una estructura de metal independiente.

 

5. Utilizamos la estructura metálica restante como molde y realizamos el moldeo por inyección de plásticos.

 

 

 

Si analizamos los cinco pasos básicos anteriores, utilizando las técnicas de microfabricación/micromecanizado LIGA podemos obtener:

 

 

 

- Estructuras metálicas independientes

 

- Estructuras de plástico moldeado por inyección

 

- Usando una estructura moldeada por inyección como pieza en bruto, podemos moldear por inversión piezas de metal o piezas de cerámica fundidas en barbotina.

 

 

 

Los procesos de microfabricación/micromaquinado de LIGA consumen mucho tiempo y son costosos. Sin embargo, el micromaquinado LIGA produce estos moldes de precisión submicrónica que se pueden usar para replicar las estructuras deseadas con distintas ventajas. La microfabricación LIGA se puede utilizar, por ejemplo, para fabricar imanes en miniatura muy fuertes a partir de polvos de tierras raras. Los polvos de tierras raras se mezclan con un aglutinante epoxi y se prensan en el molde de PMMA, se curan a alta presión, se magnetizan bajo fuertes campos magnéticos y, finalmente, el PMMA se disuelve dejando atrás los diminutos imanes fuertes de tierras raras que son una de las maravillas de microfabricación / micromecanizado. También somos capaces de desarrollar técnicas de microfabricación/micromecanizado MEMS multinivel a través de la unión por difusión a escala de obleas. Básicamente, podemos tener geometrías sobresalientes dentro de los dispositivos MEMS, utilizando un procedimiento de liberación y unión por difusión por lotes. Por ejemplo, preparamos dos capas de PMMA estampadas y electroformadas con el PMMA liberado posteriormente. A continuación, las obleas se alinean cara a cara con pasadores de guía y se ajustan a presión en una prensa caliente. La capa de sacrificio en uno de los sustratos se elimina, lo que da como resultado que una de las capas se una a la otra. También disponemos de otras técnicas de microfabricación no basadas en LIGA para la fabricación de diversas estructuras multicapa complejas.

 

 

 

PROCESOS DE MICROFABRICACIÓN DE FORMA LIBRE SÓLIDA: La microfabricación aditiva se utiliza para la creación rápida de prototipos. Se pueden obtener estructuras 3D complejas mediante este método de micromecanizado y no se produce eliminación de material. El proceso de microestereolitografía utiliza polímeros termoendurecibles líquidos, fotoiniciadores y una fuente de láser altamente enfocada a un diámetro tan pequeño como 1 micra y espesores de capa de aproximadamente 10 micras. Sin embargo, esta técnica de microfabricación se limita a la producción de estructuras poliméricas no conductoras. Otro método de microfabricación, a saber, el "enmascaramiento instantáneo" o también conocido como "fabricación electroquímica" o EFAB, implica la producción de una máscara elastomérica mediante fotolitografía. Luego, la máscara se presiona contra el sustrato en un baño de electrodeposición para que el elastómero se adapte al sustrato y excluya la solución de recubrimiento en las áreas de contacto. Las áreas que no están enmascaradas se electrodepositan como la imagen especular de la máscara. Usando un relleno de sacrificio, se microfabrican formas 3D complejas. Este método de microfabricación/micromecanizado de “enmascaramiento instantáneo” permite también producir voladizos, arcos…etc.