TECNOLOGIAS DE MICROFABRICACION

Sistemas Avanzados de Manufactura. Luz Karime Hernandez Gegen

TECNOLOGIAS DE MICROFABRICACION

1. Productos de microsistemas2. Procesos de microfabricación


Tamaños relativos en microtecnología


Desarrollo del diseño y terminología

Miniaturización de productos con tamaños de características en micrones(10-6 m)

Algunos de los términos: Microelectromechanical systems (MEMS) –

enfatiza la miniaturización en componentes tanto eléctricos como mecánicos

Microsystem technology (MST) – que hace referencia a los productos así como a las tecnologías de fabricación

Nanotechnology – que se refiere a dispositivos semejantes cuyas dimensiones se miden en nanómetros (10-9 m)


Ventajas de los productos de microsistemas

Uso de menos material Requerimientos de energía mas bajos Mayor funcionalidad por unidad de espacio Accesibilidad a regiones que están vedadas

para productos más grandes En la mayoría de los casos, los productos más

pequeños pueden significar precios más bajos, debido a que se usa menos material


Tipos de dispositivos de microsistema

Microsensores Microactuadores Microestructuras y microcomponentes Microsistemas y microinstrumentos


Microsensores

Un sensor es un dispositivo que mide algún fenómeno físico, como el calor o la presión

La mayoría de los microsensores se fabrican con un sustrato de silicio usando las mismas tecnologías de procesamiento que usan los circuitos integrados

Los sensores de tamaño microscópico se han creado para medir fuerza, presión, posición, velocidad, aceleración, temperatura, flujo y diferentes variables ópticas, químicas, ambientales y biológicas


Microactuadores

Un actuador convierte una variable física de un tipo a otro, pero por lo general la variable convertida involucra una acción mecánica

Un actuador causa un cambio en la posición o la aplicación de la fuerza.

Los ejemplos de microactuadores incluyen válvulas, posicionadores, interruptores, bombas y motores rotativos y lineales


Microestructuras y Microcomponentes

Parte con un tamaño microscópico que no es un sensor ni actuador

Ejemplos engranes, lentes, espejos, boquillas y haces microscópicos

Estos artículos deben combinarse con otros componentes con el fin de proporcionar un fin util


Engrane microscopico y cabello humano

Figura 37.3 Un engrane microscópico y un cabello humano. La imagen se realizó usando un microscopio electrónico de exploración. El engrane es de polietileno de alta densidad moldeado mediante un proceso similar al LIGA excepto porque la cavidad del molde se fabricó usando un haz de iones enfocado (photo courtesy of W. Hung, Texas A&M U., and M. Ali, Nanyang Tech. U).


Microsistemas y microinstrumentos

Integración de varios de los componentes anteriores con el empaque para electrónicos adecuado a un sistema miniatura

Los microsistemas y microinstrumentos tienden a ser muy específicos para determinada aplicación

Por el aspecto económico de estos tipos de sistemas ha tendido a hacer difícil su comercialización


Aplicaciones industriales de los microsistemas

Cabezas de inyección por tinta Cabezas magnéticas de película delgada Discos compactos Productos automotrices Aplicaciones medicas Química y ambiente Otras aplicaciones


Cabezas de inyección de tinta

Es la más comun de las aplicaciones de MST Una impresora de intyección de tinta usa

varios cartuchos al año Hoy estas impresoras poseen resolución de

1200 dots per inch (dpi) Lo cual corresponde a una separación de

boquilla 21 um, que está en el rango de los microsistemas


Figure 37.3 Diagrama de una impresora de inyección de tinta.

Cabeza de inyector de tinta


Cabezas magnéticas de pelicula delgada

Las cabezas de lectura y escritura son componentes claves en los dispositivos de almacenamiento magnético

Debido a que los medios magnéticos de lectura y escritura con densidades de bits más altas están limitados por el tamaño de la cabeza de lectura-escritura.

La creación de cabezas de película delgada fue un momento importante en la tecnología de almacenamiento digital


Figure 37.4 Cabeza de lecto-escritura magnética de película delgada (Esquema simplificado).

Thin-Film Magnetic Read-Write Head

Cabeza de lecto-escritura magnética


Compact Disks (CDs) and DVDs

Son productos importantes, de almacenamiento para audio, video, juegos y software.

Un CD se moldea con policarbonato Diámetro D = 120 mm y espesor= 1.2 mm Los datos consisten en pequeños agujeros en

una pista helicoidal que comienza con un diámetro de D = 46 mm y termina con D = 117 mm Las separación entre pistas1.6 m Cada agujero es 0.5 µm ancho y longitud

0.8 µm to 3.5 µm long


Productos automotrices

Microsensores y otros microdispositivos se usan ampliamente en los dispositivos modernos

Hay entre 20 y 100 microsensores en un vehículo Las funciones incluyen el control electrónico

del motor, el control de crucero, los sistemas antibloqueantes de frenos, air-bags, activación de sistemas de seguridad

En 1970 no había sensores en el tablero


Medicina

Una de las fuerzas conductoras detrás del uso de los dispositivos microscópicos es la terapia de mínima invasión Incisiones muy pequeñas o incluso orificios

corporales disponibles Se emplean exámenes endoscópicos

acompañados con cirugías laparoscopias para tratar hernias y retirar órganos.

Se espera procedimientos similares para tratar el cerebro, operando a través de pequeños orificios taladrados en el cerebro.


Microfabrication Processes

Many MST products are based on silicon Reasons why silicon is a desirable material:

Microdevices often include electronic circuits, so both the circuit and the device can be made on the same substrate

Silicon has good mechanical properties: High strength and elasticity, good

hardness, and relatively low density Techniques to process silicon are well-

established


Silicon Layer ProcessesProceso con capas de silicio

La primera aplicación del silicio en la tecnología de microsistemas fue en la fabricación de sensores piesoresistivos de silicio para la medición del esfuerzo y la deformación.

El silicio se usa para producir circuitos integrados

Sin embargo, debe observarse que existen ciertas diferencias entre el procesamiento de los CI y la fabricación de los microdispositivos.


Formación de una membrana delgada en un sustrato de silicio: 1) el sustrato de silicio se dopa con boro 2) se aplica una capa gruesa de silicio sobre la capa dopada mediante deposición epitaxial, 3) ambos lados se oxidan térmicamente para formar una resistencia de SiO2 sobre las superficies, 4) el resistente se forma mediante litografía y 5) se usa ataque químico anisotrópico para remover el silicio, excepto en la capa dopada con boro.

Bulk Micromachining of Thin Membrane


LIGA Process

Una importante tecnología de MST Desarrollada en Alemania a principios de

1980s LIGA se debe a los términos en Alemán

LIthographie (in particular X-ray lithography) Galvanoformung (translated

electrodeposition or electroforming) Abformtechnik (plastic molding)

Las letras también la secuencia de procesamiento LIGA


Figure 37.10 pasos del procesamiento LIGA : (1) aplicación de una capa gruesa de material resistente y exposición a los rayos X a través de una mascarilla, 2) remoción de los posiciones expuestas de el resistente, 3) electrodeposición para llenar las aberturas en el resistente 4) desprendimiento del resistente para obtener a) un molde b) una pieza metálica

Pasos del procesamiento en LIGA


Ventajas de LIGA

LIGA es un proceso versátil Son posibles altas proporciones dimensionales

(grandes relaciones de altura sobre sobre anchura en la pieza fabricada)

Es posible un rango amplio en los tamaños de las piezas, con alturas que van de los micrómetros a los centímetros

Pueden satisfacerse tolerancias estrechas.


Desventajas de LIGA

LIGA es un proceso muy costoso Por lo que se requieren grandes cantidades

para justificar su utilización LIGA usa exposición a rayos x

Afecta la salud humana


Ultra-High Precision Machining

Trends in conventional machining include taking smaller and smaller cut sizes

Enabling technologies include: Single-crystal diamond cutting tools Position control systems with resolutions

as fine as 0.01 m Applications: computer hard discs,

photocopier drums, mold inserts for compact disk reader heads, high-definition TV projection lenses, and VCR scanning heads


Figure fresado de ultraalta precisión para realizar surcos en un recubrimiento de aluminio.

Ultra-High Precision Machining

Maquinado de ultra alta precisión

Documents

TECNOLOGIAS DE MICROFABRICACION