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. Ás veces, as dimensións xerais dun produto microfabricado poden ser maiores, pero aínda usamos este termo para referirnos aos principios e procesos implicados. Usamos o enfoque de microfabricación para fabricar os seguintes tipos de dispositivos:

 

 

 

Dispositivos microelectrónicos: exemplos típicos son os chips de semicondutores que funcionan baseándose en principios eléctricos e electrónicos.

 

Dispositivos micromecánicos: son produtos de natureza puramente mecánica, como engrenaxes e bisagras moi pequenas.

 

Dispositivos microelectromecánicos: utilizamos técnicas de microfabricación para combinar elementos mecánicos, eléctricos e electrónicos a escalas de lonxitude moi pequenas. A maioría dos nosos sensores están nesta categoría.

 

Sistemas microelectromecánicos (MEMS): estes dispositivos microelectromecánicos tamén incorporan un sistema eléctrico integrado nun produto. Os nosos produtos comerciais populares nesta categoría son os acelerómetros MEMS, os sensores de airbag e os dispositivos de microespellos dixitais.

 

 

 

Dependendo do produto que se vaia fabricar, implementamos un dos seguintes métodos principais de microfabricación:

 

Micromecanizado a granel: este é un método relativamente máis antigo que utiliza gravados dependentes da orientación sobre silicio monocristal. O enfoque do micromecanizado a granel baséase en gravar nunha superficie e deterse en certas caras de cristal, rexións dopadas e películas gravables para formar a estrutura necesaria. Os produtos típicos que podemos microfabricar mediante a técnica de micromecanizado a granel son:

 

- Pequenos voladizos

 

- Groves en V en silicona para aliñamento e fixación de fibras ópticas.

 

MICROMECANIZADO DE SUPERFICIE: Desafortunadamente, o micromecanizado a granel está restrinxido a materiais monocristalinos, xa que os materiais policristalinos non se mecanizarán a diferentes velocidades en diferentes direccións usando gravadores húmidos. Polo tanto, o micromecanizado de superficies destaca como unha alternativa ao micromecanizado a granel. Un separador ou unha capa de sacrificio como o vidro de fosfosilicato deposítase mediante o proceso CVD sobre un substrato de silicio. En xeral, as capas estruturais de película fina de polisilicio, metal, aliaxes metálicas, dieléctricos deposítanse sobre a capa espaciadora. Usando técnicas de gravado en seco, as capas estruturais de película fina son estampadas e utilízase o gravado en húmido para eliminar a capa de sacrificio, o que resulta en estruturas independentes como cantilevers. Tamén é posible utilizar combinacións de técnicas de micromecanizado a granel e de superficie para converter algúns deseños en produtos. Produtos típicos axeitados para a microfabricación mediante unha combinación das dúas técnicas anteriores:

 

- Microlámparas de tamaño submilimétrico (da orde de tamaño de 0,1 mm)

 

- Sensores de presión

 

- Microbombas

 

- Micromotores

 

- Actuadores

 

- Dispositivos de microfluído

 

Ás veces, para obter estruturas verticais altas, realízase a microfabricación en grandes estruturas planas horizontalmente e despois as estruturas rótanse ou róganse en posición vertical mediante técnicas como a centrifugación ou o microensamblaxe con sondas. Non obstante, pódense obter estruturas moi altas en silicio monocristalino usando enlaces por fusión de silicio e gravado con ións reactivos profundos. O proceso de microfabricación Deep Reactive Ion Etching (DRIE) realízase en dúas obleas separadas, despois aliñadas e unidas por fusión para producir estruturas moi altas que doutro xeito serían imposibles.

 

 

 

PROCESOS DE MICROMANUFACTURA LIGA: O proceso LIGA combina litografía de raios X, electrodeposición, moldeado e, en xeral, implica os seguintes pasos:

 

 

 

1. Sobre o substrato primario deposítanse unha capa de resistencia de polimetilmetacrilato (PMMA) de centos de micras de espesor.

 

2. O PMMA desenvólvese mediante raios X colimados.

 

3. O metal é electrodepositado sobre o substrato primario.

 

4. O PMMA desprázase e queda unha estrutura metálica independente.

 

5. Utilizamos a estrutura metálica restante como molde e realizamos o moldeado por inxección de plásticos.

 

 

 

Se analizas os cinco pasos básicos anteriores, utilizando as técnicas de microfabricación/micromecanizado de LIGA podemos obter:

 

 

 

- Estruturas metálicas independentes

 

- Estruturas plásticas moldeadas por inxección

 

- Usando a estrutura moldeada por inxección como bruto podemos investir pezas de metal fundido ou pezas de cerámica de fundición deslizante.

 

 

 

Os procesos de microfabricación/micromecanizado de LIGA son lentos e caros. Non obstante, o micromecanizado LIGA produce estes moldes de precisión submicrométricos que se poden usar para replicar as estruturas desexadas con distintas vantaxes. A microfabricación LIGA pódese usar, por exemplo, para fabricar imáns en miniatura moi fortes a partir de po de terras raras. Os po de terras raras mestúranse cun aglutinante epoxi e preséntanse no molde de PMMA, curan a alta presión, magnetízanse baixo fortes campos magnéticos e, finalmente, o PMMA disólvese deixando atrás os pequenos imáns fortes de terras raras que son unha das marabillas de microfabricación / micromecanizado. Tamén somos capaces de desenvolver técnicas de microfabricación/micromecanizado MEMS multinivel mediante a unión de difusión a escala de obleas. Basicamente podemos ter xeometrías sobresaíntes dentro dos dispositivos MEMS, utilizando un procedemento de unión e liberación por difusión por lotes. Por exemplo, preparamos dúas capas de PMMA modeladas e electroformadas co PMMA liberado posteriormente. A continuación, as obleas alíñanse cara a cara con pasadores de guía e encaixan nunha prensa en quente. A capa de sacrificio dun dos substratos está gravada, o que dá como resultado unha das capas unidas á outra. Outras técnicas de microfabricación non baseadas en LIGA tamén están dispoñibles para a fabricación de varias estruturas complexas multicapa.

 

 

 

PROCESOS DE MICROFABRICACIÓN DE FORMA LIBRE DE SÓLIDOS: a microfabricación aditiva úsase para a creación rápida de prototipos. Con este método de micromecanizado pódense obter estruturas 3D complexas e non se produce ningunha eliminación de material. O proceso de microestereolitografía utiliza polímeros termoestables líquidos, fotoiniciador e unha fonte láser altamente enfocada a un diámetro tan pequeno como 1 micra e grosores de capa de aproximadamente 10 micras. Non obstante, esta técnica de microfabricación limítase á produción de estruturas poliméricas non condutoras. Outro método de microfabricación, o “enmascaramento instantáneo” ou tamén coñecido como “fabricación electroquímica” ou EFAB, consiste na produción dunha máscara elastomérica mediante fotolitografía. A máscara é presionada contra o substrato nun baño de electrodeposición para que o elastómero se axuste ao substrato e exclúa a solución de recubrimento nas áreas de contacto. As áreas que non están enmascaradas son electrodepositadas como a imaxe especular da máscara. Usando un recheo de sacrificio, microfábricas formas complexas en 3D. Este método de microfabricación/micromecanizado de "enmascaramento instantáneo" tamén permite producir salientes, arcos... etc.