Proizvodnja v mikrorazsežnosti / Mikroproizvodnja / Mikroobdelava / 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. Včasih so splošne dimenzije mikroizdelanega izdelka lahko večje, vendar še vedno uporabljamo ta izraz za označevanje načel in procesov, ki so vključeni. S pristopom mikroproizvodnje izdelujemo naslednje vrste naprav:

 

 

 

Mikroelektronske naprave: tipični primeri so polprevodniški čipi, ki delujejo na podlagi električnih in elektronskih principov.

 

Mikromehanske naprave: To so izdelki, ki so povsem mehanske narave, kot so zelo majhni zobniki in tečaji.

 

Mikroelektromehanske naprave: uporabljamo tehnike mikroproizvodnje za kombiniranje mehanskih, električnih in elektronskih elementov na zelo majhnih dolžinskih lestvicah. Večina naših senzorjev je v tej kategoriji.

 

Mikroelektromehanski sistemi (MEMS): Te mikroelektromehanske naprave vključujejo tudi integriran električni sistem v enem izdelku. Naši priljubljeni komercialni izdelki v tej kategoriji so MEMS merilniki pospeška, senzorji zračnih blazin in digitalne mikrozrcalne naprave.

 

 

 

Odvisno od izdelka, ki ga želimo izdelati, uvedemo eno od naslednjih glavnih metod mikroproizvodnje:

 

BULK MICROMACHINING: To je razmeroma starejša metoda, ki uporablja orientacijsko odvisno jedkanje na monokristalnem siliciju. Pristop množične mikrostrojne obdelave temelji na jedkanju v površino in ustavljanju na določenih kristalnih ploskvah, dopiranih območjih in jedkanih filmih, da se oblikuje zahtevana struktura. Tipični izdelki, ki jih lahko mikroproizvajamo z uporabo masovne mikroobdelovalne tehnike, so:

 

- Majhne konzole

 

- V-utori v silikonu za poravnavo in pritrditev optičnih vlaken.

 

POVRŠINSKA MIKROMAHINSKA OBDELAVA: Na žalost je masovna mikroobdelava omejena na enokristalne materiale, saj polikristalni materiali ne bodo obdelovali z različnimi hitrostmi v različnih smereh z uporabo mokrih jedkanic. Zato površinska mikroobdelava izstopa kot alternativa množični mikroobdelavi. Distančnik ali žrtvena plast, kot je fosfosilikatno steklo, se nanese s postopkom CVD na silicijev substrat. Na splošno so strukturne tankoplastne plasti polisilicija, kovine, kovinskih zlitin, dielektrikov nanesene na distančni sloj. S tehnikami suhega jedkanja so strukturne plasti tankega filma oblikovane, mokro jedkanje pa se uporablja za odstranitev žrtvene plasti, kar povzroči prostostoječe strukture, kot so konzole. Možna je tudi uporaba kombinacij razsutih in površinskih mikroobdelovalnih tehnik za pretvorbo nekaterih modelov v izdelke. Tipični izdelki, primerni za mikroproizvodnjo z uporabo kombinacije zgornjih dveh tehnik:

 

- Mikrožarnice submilimetrične velikosti (pri velikosti 0,1 mm)

 

- Senzorji tlaka

 

- Mikročrpalke

 

- Mikromotorji

 

- Aktuatorji

 

- Naprave za pretok mikro tekočine

 

Včasih se za pridobitev visokih navpičnih struktur mikroproizvodnja izvaja na velikih ravnih strukturah vodoravno, nato pa se strukture zavrtijo ali zložijo v pokončni položaj z uporabo tehnik, kot je centrifugiranje ali mikrosestavljanje s sondami. Kljub temu je mogoče dobiti zelo visoke strukture v monokristalnem siliciju z uporabo fuzijskega spajanja silicija in globokega reaktivnega ionskega jedkanja. Postopek mikroproizvodnje z globokim reaktivnim ionskim jedkanjem (DRIE) se izvede na dveh ločenih rezinah, nato se poravnata in spojita, da se proizvedejo zelo visoke strukture, ki bi sicer bile nemogoče.

 

 

 

MIKROMIZVODNI PROCESI LIGA: Postopek LIGA združuje rentgensko litografijo, elektrodepozicijo, oblikovanje in na splošno vključuje naslednje korake:

 

 

 

1. Nekaj sto mikronov debel polimetilmetakrilatni (PMMA) uporni sloj se nanese na primarni substrat.

 

2. PMMA je razvit z uporabo kolimiranih rentgenskih žarkov.

 

3. Kovina je elektrodeponirana na primarni substrat.

 

4. PMMA se odstrani in ostane samostoječa kovinska struktura.

 

5. Preostalo kovinsko konstrukcijo uporabimo kot kalup in izvedemo brizganje plastike.

 

 

 

Če analizirate osnovnih pet zgornjih korakov, lahko z uporabo tehnik mikroproizvodnje/mikroobdelave LIGA pridobimo:

 

 

 

- Prostostoječe kovinske konstrukcije

 

- Brizgane plastične strukture

 

- Z uporabo brizgane strukture kot surovca lahko vlijemo kovinske dele ali drsno ulite keramične dele.

 

 

 

Postopki mikroproizvodnje/mikroobdelave LIGA so dolgotrajni in dragi. Vendar mikroobdelava LIGA proizvaja te submikronske natančne kalupe, ki jih je mogoče uporabiti za posnemanje želenih struktur z izrazitimi prednostmi. Mikroproizvodnjo LIGA je mogoče uporabiti na primer za izdelavo zelo močnih miniaturnih magnetov iz prahu redkih zemelj. Praške redkih zemelj zmešajo z epoksidnim vezivom in stisnejo na kalup iz PMMA, strdijo pod visokim pritiskom, magnetizirajo pod močnimi magnetnimi polji in na koncu se PMMA raztopi, za seboj pa ostanejo drobni močni magneti redkih zemelj, ki so eden od čudes mikroproizvodnja / mikrostrojna obdelava. Prav tako smo sposobni razviti večnivojske tehnike mikroproizvodnje/mikroobdelave MEMS z difuzijskim lepljenjem rezin. V bistvu lahko imamo previsne geometrije znotraj naprav MEMS z uporabo postopka šaržnega difuzijskega lepljenja in sproščanja. Na primer, pripravimo dve vzorčeni in elektroformirani plasti PMMA, pri čemer se PMMA naknadno sprosti. Nato se rezine poravnajo z vodilnimi zatiči in jih stisnejo skupaj v vroči stiskalnici. Žrtveni sloj na eni od podlag je jedkan, zaradi česar je ena od plasti povezana z drugo. Za izdelavo različnih kompleksnih večplastnih struktur so nam na voljo tudi druge tehnike mikroproizvodnje, ki ne temeljijo na LIGA.

 

 

 

MIKROFABRIKACIJSKI PROCESI SOLIDNE PROSTE OBLIKE: aditivna mikroproizvodnja se uporablja za hitro izdelavo prototipov. S to metodo mikrostrojne obdelave je mogoče pridobiti kompleksne 3D strukture in pri tem ne pride do odstranjevanja materiala. Postopek mikrostereolitografije uporablja tekoče termoreaktivne polimere, fotoiniciator in visoko fokusiran laserski vir do premera le 1 mikrona in debeline plasti približno 10 mikronov. Vendar je ta tehnika mikroproizvodnje omejena na proizvodnjo neprevodnih polimernih struktur. Druga metoda mikroproizvodnje, in sicer "takojšnje maskiranje" ali znana tudi kot "elektrokemijska izdelava" ali EFAB, vključuje izdelavo elastomerne maske z uporabo fotolitografije. Masko nato pritisnemo na substrat v kopeli za elektrodepozicijo, tako da se elastomer prilagodi substratu in izključi raztopino za nanos na kontaktnih območjih. Področja, ki niso maskirana, so elektrodeponirana kot zrcalna slika maske. Z uporabo žrtvenega polnila so mikrofabricirane kompleksne 3D oblike. Ta metoda mikroproizvodnje/mikroobdelave »takojšnjega maskiranja« omogoča tudi izdelavo previsov, lokov ... itd.