Manufatura em Microescala / Micromanufatura / Microusinagem / 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. Às vezes, as dimensões gerais de um produto micromanufaturado podem ser maiores, mas ainda usamos esse termo para nos referirmos aos princípios e processos envolvidos. Usamos a abordagem de microfabricação para fabricar os seguintes tipos de dispositivos:

 

 

 

Dispositivos Microeletrônicos: Exemplos típicos são chips semicondutores que funcionam com base em princípios elétricos e eletrônicos.

 

Dispositivos Micromecânicos: São produtos de natureza puramente mecânica, como engrenagens e dobradiças muito pequenas.

 

Dispositivos Microeletromecânicos: Usamos técnicas de microfabricação para combinar elementos mecânicos, elétricos e eletrônicos em escalas de comprimento muito pequenas. A maioria dos nossos sensores estão nesta categoria.

 

Sistemas microeletromecânicos (MEMS): Esses dispositivos microeletromecânicos também incorporam um sistema elétrico integrado em um produto. Nossos produtos comerciais populares nesta categoria são acelerômetros MEMS, sensores de airbag e dispositivos de microespelhos digitais.

 

 

 

Dependendo do produto a ser fabricado, implantamos um dos seguintes métodos principais de microfabricação:

 

MICROMAQUINAGEM EM MASSA: Este é um método relativamente mais antigo que usa gravuras dependentes de orientação em silício de cristal único. A abordagem de microusinagem em massa é baseada em gravar em uma superfície e parar em certas faces de cristal, regiões dopadas e filmes graváveis para formar a estrutura necessária. Os produtos típicos que podemos microfabricar usando a técnica de microusinagem em massa são:

 

- Cantilevers minúsculos

 

- V-groves em silicone para alinhamento e fixação de fibras ópticas.

 

MICROMAQUINAGEM DE SUPERFÍCIE: Infelizmente, a microusinagem em massa é restrita a materiais monocristais, uma vez que materiais policristalinos não serão usinados em taxas diferentes em direções diferentes usando condicionadores úmidos. Portanto, a microusinagem de superfície se destaca como uma alternativa à microusinagem em massa. Um espaçador ou camada de sacrifício, como vidro fosfosilicato, é depositado usando o processo CVD em um substrato de silício. De um modo geral, camadas de filme fino estrutural de polissilício, metal, ligas metálicas, dielétricos são depositados na camada espaçadora. Usando técnicas de gravação a seco, as camadas de filme fino estrutural são padronizadas e a gravação úmida é usada para remover a camada de sacrifício, resultando em estruturas independentes, como cantilevers. Também é possível usar combinações de técnicas de microusinagem a granel e de superfície para transformar alguns projetos em produtos. Produtos típicos adequados para microfabricação usando uma combinação das duas técnicas acima:

 

- Microlâmpadas de tamanho submilimétrico (na ordem de 0,1 mm de tamanho)

 

- Sensores de pressão

 

- Microbombas

 

- Micromotores

 

- Atuadores

 

- Dispositivos de fluxo de microfluido

 

Às vezes, para obter estruturas verticais altas, a microfabricação é realizada em grandes estruturas planas horizontalmente e, em seguida, as estruturas são giradas ou dobradas na posição vertical usando técnicas como centrifugação ou micromontagem com sondas. No entanto, estruturas muito altas podem ser obtidas em silício de cristal único usando ligação de fusão de silício e ataque de íons reativos profundos. O processo de microfabricação Deep Reactive Ion Etching (DRIE) é realizado em dois wafers separados, depois alinhados e ligados por fusão para produzir estruturas muito altas que de outra forma seriam impossíveis.

 

 

 

PROCESSOS DE MICROMANUFATURA LIGA: O processo LIGA combina litografia de raios X, eletrodeposição, moldagem e geralmente envolve as seguintes etapas:

 

 

 

1. Uma camada resistente de polimetilmetacrilato (PMMA) de algumas centenas de mícrons é depositada sobre o substrato primário.

 

2. O PMMA é desenvolvido usando raios-X colimados.

 

3. O metal é eletrodepositado no substrato primário.

 

4. O PMMA é decapado e uma estrutura metálica independente permanece.

 

5. Utilizamos a estrutura metálica remanescente como molde e realizamos a moldagem por injeção de plásticos.

 

 

 

Se você analisar os cinco passos básicos acima, utilizando as técnicas de microfabricação/microusinagem LIGA podemos obter:

 

 

 

- Estruturas metálicas independentes

 

- Estruturas plásticas injetadas

 

- Usando a estrutura moldada por injeção como uma peça em branco, podemos investir peças metálicas de fundição ou peças cerâmicas de fundição deslizante.

 

 

 

Os processos de microfabricação/microusinagem LIGA são demorados e caros. No entanto, a microusinagem LIGA produz esses moldes de precisão submicrométrica que podem ser usados para replicar as estruturas desejadas com vantagens distintas. A microfabricação LIGA pode ser usada, por exemplo, para fabricar ímãs em miniatura muito fortes a partir de pós de terras raras. Os pós de terras raras são misturados com um aglutinante epóxi e prensados no molde de PMMA, curados sob alta pressão, magnetizados sob fortes campos magnéticos e finalmente o PMMA é dissolvido deixando para trás os pequenos e fortes ímãs de terras raras que são uma das maravilhas do microfabricação / microusinagem. Também somos capazes de desenvolver técnicas de micromanufatura / microusinagem de MEMS multinível através de ligação por difusão em escala de wafer. Basicamente, podemos ter geometrias salientes dentro de dispositivos MEMS, usando um procedimento de ligação e liberação de difusão em lote. Por exemplo, preparamos duas camadas padronizadas e eletroformadas de PMMA com o PMMA liberado posteriormente. Em seguida, os wafers são alinhados face a face com pinos-guia e encaixados em uma prensa a quente. A camada de sacrifício em um dos substratos é gravada, o que resulta em uma das camadas unida à outra. Outras técnicas de microfabricação não baseadas em LIGA também estão disponíveis para a fabricação de várias estruturas multicamadas complexas.

 

 

 

PROCESSOS DE MICROFABRICAÇÃO DE FORMA LIVRE SÓLIDA: A microfabricação aditiva é usada para prototipagem rápida. Estruturas 3D complexas podem ser obtidas por este método de microusinagem e nenhuma remoção de material ocorre. O processo de microestereolitografia usa polímeros termofixos líquidos, fotoiniciador e uma fonte de laser altamente focada para um diâmetro tão pequeno quanto 1 mícron e espessuras de camada de cerca de 10 mícrons. Esta técnica de microfabricação é, no entanto, limitada à produção de estruturas poliméricas não condutoras. Outro método de microfabricação, denominado “instant masking” ou também conhecido como “fabricação eletroquímica” ou EFAB, envolve a produção de uma máscara elastomérica usando fotolitografia. A máscara é então pressionada contra o substrato em um banho de eletrodeposição para que o elastômero se adapte ao substrato e exclua a solução de revestimento nas áreas de contato. As áreas não mascaradas são eletrodepositadas como a imagem espelhada da máscara. Usando um enchimento sacrificial, formas 3D complexas são microfabricadas. Este método de microfabricação / microusinagem de “mascaramento instantâneo” possibilita também a produção de saliências, arcos, etc.