تولید در مقیاس میکرو / میکروساخت / ریز ماشینکاری / 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. گاهی اوقات ممکن است ابعاد کلی یک محصول میکروساخت بزرگتر باشد، اما ما همچنان از این اصطلاح برای اشاره به اصول و فرآیندهای مرتبط استفاده می کنیم. ما از روش ساخت میکرو برای ساخت انواع دستگاه های زیر استفاده می کنیم:

 

 

 

دستگاه‌های میکروالکترونیک: نمونه‌های معمولی تراشه‌های نیمه‌هادی هستند که بر اساس اصول الکتریکی و الکترونیکی کار می‌کنند.

 

دستگاه های میکرومکانیکی: محصولاتی هستند که ماهیت کاملاً مکانیکی دارند مانند چرخ دنده ها و لولاهای بسیار کوچک.

 

دستگاه‌های میکروالکترومکانیکی: ما از تکنیک‌های ساخت میکرو برای ترکیب عناصر مکانیکی، الکتریکی و الکترونیکی در مقیاس‌های طول بسیار کوچک استفاده می‌کنیم. اکثر سنسورهای ما در این دسته قرار می گیرند.

 

سیستم های میکروالکترومکانیکی (MEMS): این دستگاه های میکروالکترومکانیکی همچنین یک سیستم الکتریکی یکپارچه را در یک محصول ترکیب می کنند. محصولات تجاری محبوب ما در این دسته، شتاب‌سنج‌های MEMS، سنسورهای کیسه هوا و دستگاه‌های میکروآینه دیجیتال هستند.

 

 

 

بسته به محصولی که قرار است ساخته شود، یکی از روش‌های اصلی تولید خرد را به کار می‌گیریم:

 

میکروماشینکاری انبوه: این روش نسبتا قدیمی‌تری است که از اچ‌های وابسته به جهت بر روی سیلیکون تک کریستالی استفاده می‌کند. روش ریزماشین کاری فله بر اساس اچ کردن در یک سطح، و توقف بر روی سطوح کریستالی خاص، مناطق دوپ شده و فیلم های قابل اچ برای تشکیل ساختار مورد نیاز است. محصولات معمولی که ما قادر به تولید میکرو با استفاده از تکنیک ریزماشین کاری فله هستیم عبارتند از:

 

- کنسول های کوچک

 

- V-groves در سیلیکون برای تراز و تثبیت فیبرهای نوری.

 

میکروماشین کاری سطحی: متأسفانه ریزماشین کاری فله به مواد تک کریستالی محدود می شود، زیرا مواد پلی کریستالی با سرعت های مختلف در جهات مختلف با استفاده از اچ های مرطوب ماشین کاری نمی شوند. بنابراین ریزماشین کاری سطحی به عنوان جایگزینی برای ریزماشین کاری فله برجسته می شود. یک لایه جداکننده یا قربانی مانند شیشه فسفوسیلیکات با استفاده از فرآیند CVD بر روی یک بستر سیلیکونی رسوب می‌کند. به طور کلی، لایه های لایه نازک ساختاری پلی سیلیکون، فلز، آلیاژهای فلزی، دی الکتریک ها بر روی لایه اسپیسر قرار می گیرند. با استفاده از تکنیک‌های اچ خشک، لایه‌های لایه نازک ساختاری الگوبرداری می‌شوند و از اچ مرطوب برای برداشتن لایه قربانی استفاده می‌شود، در نتیجه ساختارهای آزاد مانند کنسول‌ها ایجاد می‌شود. همچنین استفاده از ترکیبی از تکنیک‌های ریزماشین کاری فله و سطحی برای تبدیل برخی طرح‌ها به محصول امکان‌پذیر است. محصولات معمولی مناسب برای تولید خرد با استفاده از ترکیبی از دو تکنیک بالا:

 

- میکرولامپ های ساب میلی متری (به ترتیب اندازه 0.1 میلی متر)

 

- سنسورهای فشار

 

- میکروپمپ ها

 

- میکروموتورها

 

- محرک ها

 

- دستگاه های میکرو جریان سیال

 

گاهی اوقات برای به دست آوردن ساختارهای عمودی بالا، ریزساخت بر روی سازه های مسطح بزرگ به صورت افقی انجام می شود و سپس سازه ها با استفاده از تکنیک هایی مانند سانتریفیوژ یا ریز مونتاژ با پروب ها چرخانده یا به حالت عمودی تا می شوند. با این حال، ساختارهای بسیار بلند را می توان در سیلیکون تک کریستال با استفاده از پیوند همجوشی سیلیکونی و حکاکی یون واکنش پذیر عمیق به دست آورد. فرآیند ریز ساخت حکاکی یون واکنشی عمیق (DRIE) روی دو ویفر مجزا انجام می‌شود، سپس با هم تراز و همجوشی می‌شوند تا ساختارهای بسیار بلندی تولید شود که در غیر این صورت غیرممکن بود.

 

 

 

فرآیندهای تولید ریز LIGA: فرآیند LIGA ترکیبی از لیتوگرافی اشعه ایکس، رسوب الکتریکی، قالب گیری است و به طور کلی شامل مراحل زیر است:

 

 

 

1. چند صد میکرون لایه مقاوم پلی متیل متاکریلات (PMMA) بر روی بستر اولیه رسوب می کند.

 

2. PMMA با استفاده از اشعه ایکس همسو شده ایجاد می شود.

 

3. فلز بر روی زیرلایه اولیه رسوب داده می شود.

 

4. PMMA کنده شده و یک ساختار فلزی مستقل باقی می ماند.

 

5. از ساختار فلزی باقیمانده به عنوان قالب استفاده می کنیم و قالب گیری تزریقی پلاستیک ها را انجام می دهیم.

 

 

 

اگر پنج مرحله اصلی بالا را تجزیه و تحلیل کنید، با استفاده از تکنیک های ریز ساخت / ریزماشینکاری LIGA می توانیم به دست آوریم:

 

 

 

- سازه های فلزی مستقل

 

- ساختارهای پلاستیکی تزریقی

 

- با استفاده از ساختار قالب‌گیری تزریقی می‌توان قطعات فلزی ریخته‌گری شده یا قطعات سرامیکی ریخته‌گری شده را سرمایه‌گذاری کرد.

 

 

 

فرآیندهای ریز ساخت / ریز ماشینکاری LIGA زمان بر و گران هستند. با این حال ریز ماشینکاری LIGA این قالب‌های دقیق زیر میکرونی را تولید می‌کند که می‌توانند برای تکرار ساختارهای مورد نظر با مزایای مشخص استفاده شوند. میکروساخت LIGA می تواند به عنوان مثال برای ساخت آهنرباهای مینیاتوری بسیار قوی از پودرهای خاکی کمیاب استفاده شود. پودرهای خاکی کمیاب با یک بایندر اپوکسی مخلوط شده و به قالب PMMA فشرده می شوند، تحت فشار بالا پخته می شوند، تحت میدان های مغناطیسی قوی مغناطیسی می شوند و در نهایت PMMA حل می شود و آهنرباهای ریز و قوی خاکی کمیاب را پشت سر می گذارد که یکی از شگفتی های جهان است. میکروساخت / ریز ماشینکاری. ما همچنین می‌توانیم تکنیک‌های ریز ساخت / میکروماشینکاری MEMS چند سطحی را از طریق پیوند انتشار در مقیاس ویفر توسعه دهیم. اساساً ما می‌توانیم هندسه‌های آویزان را در دستگاه‌های MEMS با استفاده از پیوند انتشار و رهاسازی دسته‌ای داشته باشیم. به عنوان مثال، ما دو لایه PMMA الگودار و الکتروفرم شده را آماده می کنیم که PMMA متعاقبا آزاد می شود. در مرحله بعد، ویفرها رو به رو با پین های راهنما تراز می شوند و در یک پرس داغ به هم چسبیده می شوند. لایه قربانی روی یکی از زیرلایه ها حک می شود که منجر به اتصال یکی از لایه ها به دیگری می شود. سایر تکنیک‌های تولید ریز مبتنی بر LIGA نیز برای ساخت ساختارهای پیچیده چند لایه در دسترس ما هستند.

 

 

 

فرآیندهای میکروساخت فرم آزاد جامد: میکروساخت افزودنی برای نمونه سازی سریع استفاده می شود. ساختارهای سه بعدی پیچیده را می توان با این روش ریزماشینکاری به دست آورد و هیچ ماده ای حذف نمی شود. در فرآیند میکروسترئولیتوگرافی از پلیمرهای گرما سخت مایع، آغازگر نور و یک منبع لیزر بسیار متمرکز به قطری به اندازه 1 میکرون و ضخامت لایه حدود 10 میکرون استفاده می‌شود. با این حال، این تکنیک ساخت ریز محدود به تولید ساختارهای پلیمری نارسانا است. یکی دیگر از روش‌های ساخت میکرو، یعنی «پوشش فوری» یا «ساخت الکتروشیمیایی» یا EFAB، شامل تولید یک ماسک الاستومری با استفاده از فوتولیتوگرافی است. سپس ماسک در یک حمام رسوب الکتریکی بر روی بستر فشار داده می شود تا الاستومر با بستر مطابقت داشته باشد و محلول آبکاری در مناطق تماس را حذف کند. مناطقی که پوشانده نشده اند، به عنوان تصویر آینه ای ماسک به صورت الکترود رسوب می شوند. با استفاده از پرکننده قربانی، اشکال سه بعدی پیچیده میکروساخت می شوند. این روش ریزساخت / ریزماشینکاری "پوشش فوری" امکان تولید برآمدگی ها، قوس ها و غیره را نیز فراهم می کند.