Produzione su microscala/Microproduzione/Microlavorazione/MEMS

MICROFABBRICAZIONE, PRODUZIONE MICROSCALA, MICROFABBRICAZIONE or MICROMACHINING refers a microdispositivi e prodotti micron. A volte le dimensioni complessive di un prodotto microfabbricato possono essere maggiori, ma usiamo ancora questo termine per riferirci ai principi e ai processi coinvolti. Utilizziamo l'approccio della microproduzione per realizzare i seguenti tipi di dispositivi:

 

 

 

Dispositivi microelettronici: esempi tipici sono i chip semiconduttori che funzionano in base a principi elettrici ed elettronici.

 

Dispositivi micromeccanici: si tratta di prodotti di natura puramente meccanica come ingranaggi e cerniere molto piccoli.

 

Dispositivi microelettromeccanici: utilizziamo tecniche di microproduzione per combinare elementi meccanici, elettrici ed elettronici su scale di lunghezza molto ridotte. La maggior parte dei nostri sensori rientra in questa categoria.

 

Sistemi microelettromeccanici (MEMS): questi dispositivi microelettromeccanici incorporano anche un sistema elettrico integrato in un unico prodotto. I nostri prodotti commerciali più apprezzati in questa categoria sono accelerometri MEMS, sensori airbag e dispositivi a microspecchi digitali.

 

 

 

A seconda del prodotto da fabbricare, utilizziamo uno dei seguenti principali metodi di microproduzione:

 

MICROMACCHIATURA IN MASSA: Questo è un metodo relativamente più vecchio che utilizza incisioni dipendenti dall'orientamento su silicio monocristallino. L'approccio della microlavorazione di massa si basa sull'incisione su una superficie e sull'arresto su determinate facce di cristallo, regioni drogate e film mordenzabili per formare la struttura richiesta. I prodotti tipici che siamo in grado di microfabbricare utilizzando la tecnica della microlavorazione in massa sono:

 

- Piccoli cantilever

 

- Scanalature a V in silicone per allineamento e fissaggio di fibre ottiche.

 

MICROMACCHIATURA DI SUPERFICIE: Sfortunatamente la microlavorazione di massa è limitata ai materiali a cristallo singolo, poiché i materiali policristallini non lavoreranno a velocità diverse in direzioni diverse utilizzando mordenzanti a umido. Pertanto la microlavorazione di superficie si distingue come alternativa alla microlavorazione di massa. Uno strato distanziatore o sacrificale come il vetro fosfosilicato viene depositato mediante processo CVD su un substrato di silicio. In generale, sullo strato distanziatore vengono depositati strati strutturali a film sottile di polisilicio, metallo, leghe metalliche, dielettrici. Usando tecniche di incisione a secco, gli strati di film sottile strutturale vengono modellati e l'incisione a umido viene utilizzata per rimuovere lo strato sacrificale, risultando così in strutture autoportanti come i cantilever. È anche possibile utilizzare combinazioni di tecniche di microlavorazione di massa e di superficie per trasformare alcuni progetti in prodotti. Prodotti tipici adatti alla microfabbricazione utilizzando una combinazione delle due tecniche di cui sopra:

 

- Microlampade di dimensioni submillimetriche (nell'ordine di 0,1 mm)

 

- Sensori di pressione

 

- Micropompe

 

- Micromotori

 

- Attuatori

 

- Dispositivi di microflusso di fluidi

 

A volte, per ottenere strutture verticali elevate, la microfabbricazione viene eseguita su grandi strutture piatte orizzontalmente e quindi le strutture vengono ruotate o piegate in posizione verticale utilizzando tecniche come la centrifugazione o il microassemblaggio con sonde. Tuttavia, è possibile ottenere strutture molto alte in silicio monocristallino utilizzando il legame di fusione del silicio e l'attacco con ioni reattivi in profondità. Il processo di microproduzione di Deep Reactive Ion Etching (DRIE) viene eseguito su due wafer separati, quindi allineati e legati per fusione per produrre strutture molto alte che altrimenti sarebbero impossibili.

 

 

 

PROCESSI DI MICROPRODUZIONE LIGA: Il processo LIGA combina litografia a raggi X, elettrodeposizione, stampaggio e generalmente prevede le seguenti fasi:

 

 

 

1. Sul substrato primario viene depositato uno strato di resist di polimetilmetacrilato (PMMA) spesso alcune centinaia di micron.

 

2. Il PMMA viene sviluppato utilizzando raggi X collimati.

 

3. Il metallo viene elettrodepositato sul substrato primario.

 

4. Il PMMA viene spogliato e rimane una struttura metallica autoportante.

 

5. Usiamo la struttura metallica rimanente come stampo ed eseguiamo lo stampaggio a iniezione di materie plastiche.

 

 

 

Se si analizzano i cinque passaggi di base di cui sopra, utilizzando le tecniche di microproduzione / microlavorazione LIGA possiamo ottenere:

 

 

 

- Strutture metalliche autoportanti

 

- Strutture in plastica stampata ad iniezione

 

- Utilizzando la struttura stampata a iniezione come grezzo, possiamo investire parti in metallo pressofuse o parti in ceramica slip-cast.

 

 

 

I processi di microproduzione / microlavorazione LIGA richiedono tempo e sono costosi. Tuttavia, la microlavorazione LIGA produce questi stampi di precisione submicronici che possono essere utilizzati per replicare le strutture desiderate con evidenti vantaggi. La microproduzione LIGA può essere utilizzata ad esempio per fabbricare magneti in miniatura molto potenti da polveri di terre rare. Le polveri di terre rare vengono mescolate con un legante epossidico e pressate sullo stampo in PMMA, polimerizzate ad alta pressione, magnetizzate sotto forti campi magnetici e infine il PMMA viene sciolto lasciando dietro di sé i minuscoli potenti magneti di terre rare che sono una delle meraviglie di microproduzione / microlavorazione. Siamo anche in grado di sviluppare tecniche di microproduzione / microlavorazione MEMS multilivello attraverso il legame a diffusione su scala di wafer. Fondamentalmente possiamo avere geometrie sporgenti all'interno di dispositivi MEMS, utilizzando una procedura di incollaggio e rilascio a diffusione batch. Ad esempio, prepariamo due strati modellati ed elettroformati in PMMA con il PMMA successivamente rilasciato. Successivamente, i wafer vengono allineati faccia a faccia con i perni guida e si adattano a pressione insieme in una pressa a caldo. Lo strato sacrificale su uno dei substrati viene attaccato, il che si traduce in uno degli strati legato all'altro. Sono disponibili anche altre tecniche di microfabbricazione non basate su LIGA per la fabbricazione di varie strutture multistrato complesse.

 

 

 

PROCESSI DI MICROFABBRICAZIONE SOLIDI A FORMA LIBERA: La microproduzione additiva viene utilizzata per la prototipazione rapida. Strutture 3D complesse possono essere ottenute con questo metodo di microlavorazione e non avviene alcuna rimozione di materiale. Il processo di microstereolitografia utilizza polimeri termoindurenti liquidi, un fotoiniziatore e una sorgente laser altamente focalizzata con un diametro di appena 1 micron e uno spessore dello strato di circa 10 micron. Questa tecnica di microfabbricazione è tuttavia limitata alla produzione di strutture polimeriche non conduttive. Un altro metodo di microfabbricazione, ovvero la "mascheratura istantanea" o anche noto come "fabbricazione elettrochimica" o EFAB prevede la produzione di una maschera elastomerica mediante fotolitografia. La maschera viene quindi premuta contro il substrato in un bagno di elettrodeposizione in modo che l'elastomero si adatti al substrato ed escluda la soluzione di placcatura nelle aree di contatto. Le aree non mascherate vengono elettrodeposte come immagine speculare della maschera. Utilizzando un riempitivo sacrificale, le forme 3D complesse vengono microfabbricate. Questo metodo di microfabbricazione / microlavorazione a "mascheramento istantaneo" consente anche di produrre sporgenze, archi, ecc.