Fabricare la microscale / Micromanufacturing / Micromachining / 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. Uneori, dimensiunile generale ale unui produs microfabricat pot fi mai mari, dar folosim totuși acest termen pentru a ne referi la principiile și procesele implicate. Folosim abordarea de microproducție pentru a realiza următoarele tipuri de dispozitive:

 

 

 

Dispozitive microelectronice: Exemple tipice sunt cipurile semiconductoare care funcționează pe baza principiilor electrice și electronice.

 

Dispozitive micromecanice: Acestea sunt produse de natură pur mecanică, cum ar fi angrenaje și balamale foarte mici.

 

Dispozitive microelectromecanice: Utilizăm tehnici de microfabricare pentru a combina elemente mecanice, electrice și electronice la scări foarte mici de lungime. Majoritatea senzorilor noștri sunt în această categorie.

 

Sisteme microelectromecanice (MEMS): Aceste dispozitive microelectromecanice încorporează, de asemenea, un sistem electric integrat într-un singur produs. Produsele noastre comerciale populare din această categorie sunt accelerometrele MEMS, senzorii airbag și dispozitivele digitale cu microoglindă.

 

 

 

În funcție de produsul care urmează să fie fabricat, implementăm una dintre următoarele metode majore de microproducție:

 

MICROMACHINING BULK: Aceasta este o metodă relativ mai veche, care folosește gravuri dependente de orientare pe siliciu monocristal. Abordarea microprelucrarii în vrac se bazează pe gravarea pe o suprafață și oprirea pe anumite fețe de cristal, regiuni dopate și filme gravabile pentru a forma structura necesară. Produsele tipice pe care suntem capabili să le microproducăm folosind tehnica de microprelucrare în vrac sunt:

 

- Console minuscule

 

- Groves in V din silicon pentru alinierea si fixarea fibrelor optice.

 

MICROMALIZAREA SURFACEȚEI: Din păcate, microprelucrarea în vrac este limitată la materiale monocristaline, deoarece materialele policristaline nu se prelucrează la viteze diferite în direcții diferite utilizând agenți de gravare umezi. Prin urmare, microprelucrarea de suprafață se remarcă ca o alternativă la microprelucrarea în vrac. Un distanțier sau un strat de sacrificiu, cum ar fi sticla fosfosilicata, este depus folosind procedeul CVD pe un substrat de siliciu. În general, straturile structurale de film subțire de polisiliciu, metal, aliaje metalice, dielectrici sunt depuse pe stratul distanțier. Folosind tehnici de gravare uscată, straturile structurale de film subțire sunt modelate și gravarea umedă este utilizată pentru a îndepărta stratul de sacrificiu, rezultând astfel structuri de sine stătătoare, cum ar fi consolele. De asemenea, este posibilă utilizarea combinațiilor de tehnici de microprelucrare în vrac și de suprafață pentru a transforma unele modele în produse. Produse tipice potrivite pentru microfabricare folosind o combinație a celor două tehnici de mai sus:

 

- Microlampi de dimensiuni submilimetrice (de ordinul dimensiunii de 0,1 mm)

 

- Senzori de presiune

 

- Micropompe

 

- Micromotoare

 

- actuatoare

 

- Dispozitive de microflux

 

Uneori, pentru a obține structuri verticale înalte, microfabricarea se realizează pe structuri mari plane pe orizontală și apoi structurile sunt rotite sau pliate în poziție verticală folosind tehnici precum centrifugare sau microasamblare cu sonde. Cu toate acestea, structurile foarte înalte pot fi obținute în siliciu monocristal folosind legarea prin fuziune a siliciului și gravarea ionilor reactivi profund. Procesul de microfabricare Deep Reactive Ion Etching (DRIE) este realizat pe două plachete separate, apoi aliniate și legate prin fuziune pentru a produce structuri foarte înalte care altfel ar fi imposibile.

 

 

 

PROCESE DE MICROMANUFACTURARE LIGA: Procesul LIGA combină litografia cu raze X, electrodepunerea, turnarea și, în general, implică următoarele etape:

 

 

 

1. Pe substratul primar este depus un strat rezistent de polimetilmetacrilat (PMMA) de câteva sute de microni.

 

2. PMMA este dezvoltat folosind raze X colimate.

 

3. Metalul este electrodepus pe substratul primar.

 

4. PMMA este decapat și rămâne o structură metalică de sine stătătoare.

 

5. Utilizăm structura metalică rămasă ca matriță și efectuăm turnarea prin injecție a materialelor plastice.

 

 

 

Dacă analizați cei cinci pași de bază de mai sus, folosind tehnicile de microfabricare/microprelucrare LIGA putem obține:

 

 

 

- Structuri metalice independente

 

- Structuri din plastic turnate prin injectie

 

- Folosind structura turnată prin injecție ca semifabricat putem investi piese metalice turnate sau piese ceramice turnate.

 

 

 

Procesele de microproducție / microprelucrare LIGA sunt consumatoare de timp și costisitoare. Cu toate acestea, LIGA micromachining produce aceste matrițe de precizie submicronice care pot fi utilizate pentru a reproduce structurile dorite cu avantaje distincte. Microfabricarea LIGA poate fi folosită, de exemplu, pentru a fabrica magneți miniaturali foarte puternici din pulberi de pământuri rare. Pulberile de pământuri rare sunt amestecate cu un liant epoxidic și presate pe matrița de PMMA, întărite la presiune ridicată, magnetizate sub câmpuri magnetice puternice și, în final, PMMA este dizolvat lăsând în urmă magneții minusculi și puternici din pământuri rare, care sunt una dintre minunile microfabricare / microprelucrare. De asemenea, suntem capabili să dezvoltăm tehnici de microproducție / microprelucrare MEMS pe mai multe niveluri prin lipirea prin difuzie la scară de plachetă. Practic, putem avea geometrii în sus în cadrul dispozitivelor MEMS, utilizând o procedură de lipire și eliberare prin difuzie în lot. De exemplu, pregătim două straturi modelate și electroformate de PMMA cu PMMA eliberat ulterior. Apoi, napolitanele sunt aliniate față în față cu știfturi de ghidare și se potrivesc împreună într-o presă fierbinte. Stratul de sacrificiu de pe unul dintre substraturi este gravat, ceea ce are ca rezultat lipirea unuia dintre straturi de celălalt. Alte tehnici de microfabricare care nu sunt bazate pe LIGA sunt, de asemenea, disponibile pentru fabricarea diferitelor structuri complexe multistrat.

 

 

 

PROCESE DE MICROFABRICARE SOLID FREEFORM: Microfabricarea aditivă este utilizată pentru prototiparea rapidă. Prin această metodă de microprelucrare pot fi obținute structuri 3D complexe și nu are loc îndepărtarea materialului. Procesul de microstereolitografia folosește polimeri lichizi termorigizi, fotoinițiator și o sursă laser foarte focalizată la un diametru de 1 micron și grosimi de strat de aproximativ 10 microni. Această tehnică de microfabricare este totuși limitată la producerea de structuri polimerice neconductoare. O altă metodă de microfabricare, și anume „mascarea instantanee” sau cunoscută și sub denumirea de „fabricare electrochimică” sau EFAB presupune producerea unei măști elastomerice folosind fotolitografie. Masca este apoi presată pe substrat într-o baie de electrodepunere, astfel încât elastomerul să se conformeze substratului și să excludă soluția de placare în zonele de contact. Zonele care nu sunt mascate sunt electrodepuse ca imagine în oglindă a măștii. Folosind o umplutură sacrificială, formele 3D complexe sunt microfabricate. Această metodă de microfabricare/microprelucrare de „mascare instantanee” face posibilă și producerea de protuberanțe, arcade... etc.