Microscale Manufacturing / 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. Niekedy môžu byť celkové rozmery mikrovyrobeného produktu väčšie, ale tento termín stále používame na označenie princípov a procesov, ktoré sú zahrnuté. Na výrobu nasledujúcich typov zariadení používame prístup mikrovýroby:

 

 

 

Mikroelektronické zariadenia: Typickými príkladmi sú polovodičové čipy, ktoré fungujú na základe elektrických a elektronických princípov.

 

Mikromechanické zariadenia: Ide o produkty, ktoré sú čisto mechanického charakteru, ako sú veľmi malé prevody a pánty.

 

Mikroelektromechanické zariadenia: Používame mikrovýrobné techniky na kombináciu mechanických, elektrických a elektronických prvkov vo veľmi malých dĺžkach. Väčšina našich senzorov patrí do tejto kategórie.

 

Mikroelektromechanické systémy (MEMS): Tieto mikroelektromechanické zariadenia tiež obsahujú integrovaný elektrický systém v jednom produkte. Naše obľúbené komerčné produkty v tejto kategórii sú MEMS akcelerometre, senzory airbagov a digitálne mikrozrkadlové zariadenia.

 

 

 

V závislosti od produktu, ktorý sa má vyrobiť, nasadíme jednu z nasledujúcich hlavných metód mikrovýroby:

 

BULK MICROMACHINING: Ide o relatívne staršiu metódu, ktorá využíva orientáciu závislé lepty na monokryštálovom kremíku. Prístup hromadného mikroobrábania je založený na leptaní do povrchu a zastavení na určitých kryštálových plochách, dotovaných oblastiach a leptateľných filmoch, aby sa vytvorila požadovaná štruktúra. Typické produkty, ktoré sme schopní mikrovyrábať technikou hromadného mikroobrábania, sú:

 

- Drobné konzoly

 

- V-drážky v silikóne na zarovnanie a fixáciu optických vlákien.

 

POVRCHOVÉ MIKROMOBRÁBENIE: Bohužiaľ, hromadné mikroobrábanie je obmedzené na monokryštalické materiály, pretože polykryštalické materiály nebudú obrábať rôznymi rýchlosťami v rôznych smeroch s použitím mokrých leptadiel. Preto povrchové mikroobrábanie vyniká ako alternatíva k hromadnému mikroobrábaniu. Dištančná alebo obetovaná vrstva, ako je fosfosilikátové sklo, sa nanáša pomocou procesu CVD na kremíkový substrát. Všeobecne povedané, na oddeľovaciu vrstvu sú nanesené štrukturálne tenké vrstvy polysilikónu, kovu, kovových zliatin, dielektrika. Pomocou techník suchého leptania sú štruktúrne vrstvy tenkého filmu vzorované a na odstránenie obetovanej vrstvy sa používa mokré leptanie, čím vznikajú voľne stojace štruktúry, ako sú konzoly. Možné je aj použitie kombinácií techník hromadného a povrchového mikroobrábania na premenu niektorých vzorov na produkty. Typické produkty vhodné na mikrovýrobu s použitím kombinácie dvoch vyššie uvedených techník:

 

- Submilimetrické mikrolampy (rádovo veľkosť 0,1 mm)

 

- Senzory tlaku

 

- Mikropumpičky

 

- Mikromotory

 

- Akčné členy

 

- Zariadenia na mikrofluidný prietok

 

Niekedy, aby sa získali vysoké vertikálne štruktúry, mikrovýroba sa vykonáva na veľkých plochých štruktúrach horizontálne a potom sa štruktúry otáčajú alebo skladajú do zvislej polohy pomocou techník, ako je odstreďovanie alebo mikromontáž so sondami. Napriek tomu je možné získať veľmi vysoké štruktúry v monokryštálovom kremíku pomocou kremíkovej fúznej väzby a hlbokého reaktívneho iónového leptania. Mikrovýrobný proces hlbokého reaktívneho iónového leptania (DRIE) sa vykonáva na dvoch samostatných plátkoch, potom sa zarovnajú a spoja fúziou, aby sa vytvorili veľmi vysoké štruktúry, ktoré by inak boli nemožné.

 

 

 

PROCESY LIGA MIKROMANUFAKTURITY: Proces LIGA kombinuje röntgenovú litografiu, elektrolytické nanášanie, formovanie a vo všeobecnosti zahŕňa nasledujúce kroky:

 

 

 

1. Na primárny substrát sa nanesie vrstva polymetylmetakrylátového (PMMA) rezistu s hrúbkou niekoľkých stoviek mikrónov.

 

2. PMMA sa vyvíja pomocou kolimovaných röntgenových lúčov.

 

3. Kov je elektrolyticky nanesený na primárny substrát.

 

4. PMMA sa odstráni a zostane voľne stojaca kovová konštrukcia.

 

5. Zvyšnú kovovú konštrukciu používame ako formu a vykonávame vstrekovanie plastov.

 

 

 

Ak analyzujete päť základných krokov uvedených vyššie, pomocou techník mikrovýroby / mikroobrábania LIGA môžeme získať:

 

 

 

- Voľne stojace kovové konštrukcie

 

- Vstrekované plastové konštrukcie

 

- Použitím vstrekovanej konštrukcie ako polotovaru môžeme zaliať odliate kovové diely alebo odliate keramické diely.

 

 

 

Procesy mikrovýroby / mikroobrábania LIGA sú časovo náročné a drahé. Mikroobrábanie LIGA však produkuje tieto submikrónové presné formy, ktoré možno použiť na replikáciu požadovaných štruktúr s výraznými výhodami. Mikrovýroba LIGA môže byť použitá napríklad na výrobu veľmi silných miniatúrnych magnetov z práškov vzácnych zemín. Prášky vzácnych zemín sa zmiešajú s epoxidovým spojivom a lisujú sa do PMMA formy, vytvrdzujú sa pod vysokým tlakom, zmagnetizujú sa pod silnými magnetickými poľami a nakoniec sa PMMA rozpustí a zanechá za sebou malé silné magnety vzácnych zemín, ktoré sú jedným z zázrakov mikrovýroba / mikroobrábanie. Sme tiež schopní vyvinúť viacúrovňové MEMS mikrovýrobné / mikroobrábacie techniky prostredníctvom difúzneho spájania plátkov. V podstate môžeme mať presahujúce geometrie v rámci zariadení MEMS pomocou postupu dávkového difúzneho spájania a uvoľňovania. Napríklad pripravíme dve PMMA vzorované a elektroformované vrstvy s následne uvoľneným PMMA. Potom sa plátky zarovnajú lícom k sebe pomocou vodiacich kolíkov a zalisujú sa dohromady v horúcom lise. Obetovaná vrstva na jednom zo substrátov sa odleptá, čo vedie k tomu, že jedna z vrstiev sa spojí s druhou. Na výrobu rôznych zložitých viacvrstvových štruktúr máme k dispozícii aj iné mikrovýrobné techniky, ktoré nie sú založené na LIGA.

 

 

 

PROCESY VOĽNEJ MIKROFABRIKÁCIE PEVNÝCH LÁTOK: Aditívna mikrovýroba sa používa na rýchle prototypovanie. Touto metódou mikroobrábania je možné získať zložité 3D štruktúry a nedochádza k žiadnemu úberu materiálu. Proces mikrostereolitografie využíva tekuté termosetové polyméry, fotoiniciátor a vysoko zaostrený laserový zdroj s priemerom menším ako 1 mikrón a hrúbkou vrstvy asi 10 mikrónov. Táto mikrovýrobná technika je však obmedzená na výrobu nevodivých polymérnych štruktúr. Ďalší spôsob mikrovýroby, konkrétne „okamžité maskovanie“ alebo tiež známy ako „elektrochemická výroba“ alebo EFAB, zahŕňa výrobu elastomérnej masky pomocou fotolitografie. Maska sa potom pritlačí na substrát v elektrolytickom kúpeli tak, aby sa elastomér prispôsobil substrátu a vylúčil pokovovací roztok v kontaktných oblastiach. Oblasti, ktoré nie sú maskované, sú elektrolyticky nanesené ako zrkadlový obraz masky. Pomocou obetného plniva sa mikrofabrikujú zložité 3D tvary. Táto metóda mikrovýroby / mikroobrábania „okamžitého maskovania“ umožňuje tiež vyrábať presahy, oblúky atď.