11. Struktury mechatroniczne [tryb zgodności]

Projekt współfinansowany przez Uni

Europejsk

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

ynieria wytwarzania

Dr in

. Andrzej Kubiak

Definicje mikro- i nanotechnologii

Zagadnienia utrzymania czysto

ci w procesach mikro- i

nanotechnologii

Materiały półprzewodnikowe – własno

ci, wytwarzanie, obróbka

mechaniczna

Trawienie materiałów półprzewodnikowych

Technologia procesów fotolitografii

Domieszkowanie półprzewodników

Wytwarzanie nowych warstw. Tlenek krzemu

Osadzanie pró

niowe cienkich warstw

Osadzanie chemiczne z fazy lotnej

10. Monta

i hermetyzacja struktur

11. Struktury mechatroniczne

ynieria wytwarzania

Dr in

. Andrzej Kubiak

Definicje mikro- i nanotechnologii

Zagadnienia utrzymania czysto

ci w procesach mikro- i

nanotechnologii

Materiały półprzewodnikowe – własno

ci, wytwarzanie, obróbka

mechaniczna

Trawienie materiałów półprzewodnikowych

Technologia procesów fotolitografii

Domieszkowanie półprzewodników

Wytwarzanie nowych warstw. Tlenek krzemu

Osadzanie pró

niowe cienkich warstw

Osadzanie chemiczne z fazy lotnej

10. Monta

i hermetyzacja struktur

11. Struktury mechatroniczne

11. Struktury mechatroniczne

Mechatronika to nauka interdyscyplinarna, zawieraj

ce elementy takich dziedzin,

jak mechanika, elektronika, informatyka, budowa maszyn, technika, optyka i
metrologia. Celem mechatroniki jest tworzenie multifunkcjonalnych i strukturalnie
zło

onych produktów działaj

cych inteligentnie w zmieniaj

cym si

otoczeniu,

zwanych mikrosystemami.

Mechatronika i mikrosystemy

„

-s

”,

ła

11. Struktury mechatroniczne

Mikrosystem składa si

z nast

puj

cych, współpracuj

cych ze sob

elementów:

podzespołów mikromechanicznych (czujniki, aktuatory)

układu mikroelektronicznego oraz oprogramowania

Mikrosystemy

Mikrosystem

Sensor

Aktuator

Mikrokonstrukcje

mechaniczne

Wzmacniacze

Sterowanie

Układy

analogowe

Zasilanie

µP

I/O

ROM

RAM

Układy

cyfrowe

Bodziec

Praca

Otoczenie

„

-s

”,

ła

11. Struktury mechatroniczne

1. MEMS (Micro-Electro-Mechanical System) – zintegrowane urz

dzenie

mikromechanoelektryczne z cz

ęś

ciami mechanicznymi, elektronicznymi i

oprogramowaniem poł

czonymi w system, wykonane najcz

ęś

ciej z krzemu.

2. MEOMS (Micro-Electro-Opto-Mechanical System) - zintegrowane urz

dzenie

optyczno-mikromechanoelektryczne, najcz

ęś

ciej wykonane z krzemu, obudowie i

funkcjach takich jak MEMS, w którym dodatkowo wykorzystuje si

wiatło

3. µTAS (micro-Total-Analysis System) – zintegrowane, zminiaturyzowane

urz

dzenie w którym mo

na przeprowadza

procesy chemiczne lub analizy

chemiczne, budowane w postaci biochipów (biochemical chip) lub lab-on-chipów
(laboratory-on-the-chip)

4. Mikromaszyna, VSM (Very Small Machine) – miniaturowy, poruszaj

cy si

mechanizm wykonywany za pomoc

technologii mikroelektronicznych i

mikromechanicznych. W najbardziej zaawansowanej postaci mikromaszyna jest
mikrorobotem przemysłowym.

Systematyka mikrosystemów

11. Struktury mechatroniczne

Przykłady mikrosystemów

MEMS

MEOMS

µTAS, lab-on-chip

mikromaszyny

• czujnki ci

nienia,

przyspieszenia
• przepływomierze
•

yroskopy

• protezy zmysłów
(oko, ucho)
• czujniki biomedyczne
• regeneratory nerwów
• mikroskopy tunelowe
sił atomowych,
• mikrosilniki
elektryczne
• twarde dyski
• drukarki
atramentowe
• aktywne rozpylacze
paliwa
• podzespoły elektro-
niczne, mikrofalowe

• lustra i zwierciadła
• soczewki statyczne i
dynamiczne
• modulatory wi

zek

• przeł

czniki

optyczne
• skanery
• projektory
•suiatki dyfrakcyjne i
maski fotolitograficzne
• interferometry i
monochromatory
• spektrofotometry
• czujniki ci

nienia

• czujniki
przyspieszenia
• detektory optyczne

• mikro- i nanoreaktory
• mieszalniki, filtry i
separatory
• dozowniki płynów,
lekarstw
• dozownik insuliny
• inteligentne pigułki
• chromatografy
gazowe i cieczowe
• czujniki bio, pH,
analizatory bio, DNA,
analizatory chemiczne
• mikropompy, zawory
• manipulatory
komórkowe

•

ruby, spr

ęż

yny, koła

bate

• przekładnie liniowe,
obrotowe, planetarne
• mikrosilniki
obrotowe, liniowe,
parowe
• pneumatyczne
turbiny do udra

niania

naczy

krwiono

nych

• narz

dzia, chwytaki

• mikrosiłowniki
• sterowane i
inteligentne
mikropojazdy
diagnostyczne,
naprawcze, militarne

Jan A. Dziuban „Technologia i zastosowanie mikromechanicznych struktur

krzemowych i krzemowo-szklanych w technice mikrosystemów”, Wrocław 2004

11. Struktury mechatroniczne

Budowa mikrosystemów

Obecnie mikrosystemy s

najcz

ęś

ciej całkowicie wykonywane z krzemu lub krzemu

poł

czonego ze szkłem w postaci jedno- lub wielowarstwowego chipu,

zawieraj

cego ró

ne trójwymiarowe konstrukcje mechaniczne (membrany, rowki,

belki, wgł

bienia, otwory). Obok nich, na tym samym podło

u krzemowym mog

zosta

wykonane przyrz

dy półprzewodnikowe o ró

nym stopniu integracji,

tworz

ce analogowe i cyfrowe układy elektroniczne.

Miernik przyspieszenia ze zintegrowanym

cyfrowym systemem obróbki danych

(Analog Devices)

11. Struktury mechatroniczne

Podstawowe struktury MEMS

Sensory:

– efekt piezorezystywny

(zmiana rezystywno

pod wpływem

ciskania/rozci

gania)

efekt pojemno

ciowy

(przyspieszeniomierze)

Aktuatory:

elektrostatyczne

cieplne (drukarki
atramentowe)

piezoelektryczne

11. Struktury mechatroniczne

Podstawowe metody wytwarzania mikrostruktur:

•

Technologia powierzchniowa (surface micromachining), wykorzystuj

ca procesy

wytwarzania warstwy po

conej (sacrified layer), osadzania i trawienia

polikrzemu oraz trawienia warstwy po

conej. Stosowana do budowy

mikroczujników.

•

Technologia obj

ciowa (bulk micromachining), wykorzystuj

ca gł

bokie

trawienie krzemu monokrystalicznego poł

czone z wytwarzaniem i usuwaniem

warstw materiału. Stosowana m.in. do wytwarzania przeł

czników optycznych.

•

Technologia wytłaczania litograficzno-galwanicznego (LIGA - Lithographie,
Galvanformung, Abformung) – wykorzystuj

ca fotolitografi

i selektywne

trawienie oraz wypełnianie za pomoc

osadzania galwanicznego. Uzyskany

trójwymiarowy wzorzec mo

e stanowi

produkt ko

cowy b

e zosta

wypełniony innym materiałem, np. metalem lub tworzywem organicznym.
Stosowana m.in. do budowy miniaturowych anten wielkiej cz

stotliwo

ci,

mikromotorów, precyzyjnych dozowników odczynników chemicznych.

Metody wytwarzania mikrostruktur

11. Struktury mechatroniczne

Wytwarzanie belki (nie-krzemowej) z polikrzemu
• Lokalnie wytworzony obszar łatwy do trawienia

(sucrificial layer)

• Osadzanie warstwy – materiał przyszłej belki
• Fotolitografia i trawienie – kształtowanie belki
• Selektywne wytrawienie obszaru łatwego do

trawienia uwalnia uformowan

belk

Technologia powierzchniowa

wykorzystywane s

technologie stosowane w mikroelektronice

uwalnianie struktur realizowane jest za pomoc

tzw. warstwy po

conej

Elementy

yroskopu wykonane z polikrzemu

technologiami powierzchniowymi

11. Struktury mechatroniczne

Technologia obj

ciowa

Technologia obj

ciowa

Krzem krystalizuje w postaci kubicznej,
charakteryzuje si

silnie anizotropowymi

własno

ciami

W mikromechanice zintegrowanej najcz

ęś

ciej

wykorzystuje si

podło

a o powierzchni zgodnej z

orientacj

krystalograficzn

(100) lub (110)

Indeksy Millera

100

110

111

44’

110

111

16’

111

ty pomi

dzy podstawowymi płaszczyznami w krysztale krzemu

11. Struktury mechatroniczne

Technologia obj

ciowa

Technologia obj

ciowa

Uło

enie płaszczyzn krystalograficznych (111), (100) i (110)

w podło

ach (100) i (110)

11. Struktury mechatroniczne

Obróbka przestrzenna krzemu

Podstawowe kształty mikrostruktur zrealizowane za pomoc

trawienia

anizotropowego:

AA’ – otwór, membrana, zagł

bienie

BB’ – belka (cantilever)

11. Struktury mechatroniczne

Izotropowe trawienie krzemu

Stosuje si

mieszanin

HF:HNO

O (lub CH

COOH)

Mechanizm trawienia:

• HNO

utlenia lokalnie Si,

• HF usuwa lokalnie tlenek,

• H

O lub CH

COOH spełniaj

rol

rozcie

czalnika

Cechy charakterystyczne:

• je

li proces kontrolowany jest przez HNO

, pozostaje cienka warstwa tlenku

• je

li proces kontrolowany jest przez HF, pozostaje gruba (3-5nm) warstwa

tlenku, który nadaje si

do polerowania

• proces jest bardzo szybki

maska

anizotropowe izotropowe

11. Struktury mechatroniczne

Anizotropowe trawienie krzemu

Cechy charakterystyczne:

•

szybko

ść

trawienia zale

y od orientacji krystalograficznej oraz

domieszkowania borem (wykorzystywane do kontrolowanego zatrzymywania
trawienia)

•

Poprawnie zorientowane podło

e (100) daje łatwe do przewidzenia kształty

•

Odchylenia od orientacji poprawnej przynosi wiele kłopotów

•

Podło

a (110) jest ju

zdecydowanie trudniejsze do opanowania

11. Struktury mechatroniczne

Anizotropowe trawienie krzemu

1. Roztwory KOH (NaOH) – procesy bezpieczne i dobrze poznane, lecz

niekompatybilne z technologi

CMOS, trawienie prowadzone w ok. 80

Anizotropia trawienia (111):(110):(100)=1: 600 : 400. Szybko

ci trawienia:

- Si (100) ~ 1

m/min

- SiO

~ 2.0nm/min

- Si

~ 1.4nm/godz (!)

2. TMAH (wodorotlenek tetrametyloamoniowy) – wywoływacz rezystów

negatywowych, procesy bezpieczne i kompatybilne z technologi

CMOS.

Anizotropia trawienia (111):(100) ~ 1:10 ÷ 1:35. Szybko

ci trawienia:

- Si (100) ~ 1

m/min

- SiO

< 5 nm/min

- Si

< 2 nm/min

3. EDP (etylenodiamina + pyrokatehol + pyrazyna) – roztwór bardzo korozyjny i

bardzo kancerogenny, zgodny z technologi

CMOS, nie trawi Al.

4. Hydrazyna (N

) – paliwo rakietowe, rzedko stosowana ze wzgl

du na silne

własno

ci kancerogenne i wybuchowe

11. Struktury mechatroniczne

Elektrochemiczne trawienie krzemu

Przyło

enie zewn

trznego potencjału do układu krzem-elektrolit pozwala na

precyzyjn

kontrol

procesu trawienia krzemu. Elektrolitem mo

e by

roztwór

kwa

ny (HF) lub zasadowy (KOH). Wykorzystuje si

układy dwu-, trój- i

czteroelektrodowe, pozwalaj

ce na wykorzystanie efektu stopowania procesu

trawienia na zł

czu p-n.

Przy niskich st

ęż

eniach HF w elektrolicie zachodzi polerowanie

(elektropolerowanie) powierzchni krzemu, za

przy wysokich st

ęż

eniach HF w

elektrolicie krzem trawi si

miejscami, przez co powstaje krzem porowaty (kryształy

fotoniczne).

Trawienie elektrochemiczne stosuje si

głównie w technologii bardzo cienkich

membran krzemowych.

11. Struktury mechatroniczne

Gł

bokie trawienie krzemu

Gł

bokie trawienie krzemu

DRIE (Deep Reactive Ion Etching, „Bosch Process”) polega na
naprzemiennym stosowaniu dwóch procesów plazmowych:

– reaktywne trawienie jonowe (RIE) pozwalaj

ce na usuwanie

krzemu na pewn

gł

boko

ść

– osadzanie warstwy polimeru na

ciankach trawionego profilu

(PECVD), którego efektem jest zabezpieczenie przed trawieniem
w kierunku poziomym

Technika ta umo

liwia uzyskanie bardzo gł

bokich i stromych

cian profilu trawienia

11. Struktury mechatroniczne

Technologia LIGA

Promienie rtg z synchrotronu przechodz

przez specjaln

mask

na grub

warstw

fotorezystu pokrywaj

materiał przewodz

cy (a). Na

wietlony fotorezyst jest

selektywnie usuwany (b), a otrzymany wzór jest wypełniany metalem w procesie
galwanizacji (c,d). Powstała w ten sposób struktura metalowa mo

e by

gotowym elementem, jednak mo

e by

wykorzystana do tworzenia struktur z innych

tworzyw (e,f).

Metoda ta jest wysoce precyzyjna w tworzeniu płaszczyzn struktury, przy
jednoczesnej du

ej powtarzalno

ci kształtów poszczególnych elementów. LIGA

pozwala wytwarza

elementy o rozmiarach od 100

m do kilku milimetrów i

poziomych si

gaj

cych pojedynczych mikronów.

11. Struktury mechatroniczne

Technologia LIGA

Uchwyty do monta

wiatłowodów

wykonane w technologii LIGA,

AXSUN Technologies

11. Struktury mechatroniczne

czenie anodowe

Umo

liwia pewne ł

czenie poło

y o gładkich powierzchniach np. szkło-krzem,

szkło-szkło (jedno z podło

y musi by

ródłem anionów)

Parametry procesu:

– ci

nienie atmosferyczne lub pró

nia

– temperatura 300-500°C

– nacisk rz

du 20 N

– napi

cie stałe < 2kV

– pr

d < 40mA

Przyło

one napi

cie powoduje pojawienie si

warstwy zubo

onej, w której

wyst

puje silne pole elektr. Na styku krzem-szkło pojawia si

siła

elektrostatyczna skutkuj

ca przepływem jonów tlenu ze szkła krzemu, czyli

zachodzenie reakcji anodowej Si+O- = SiO

i powstanie stałego poł

czenia

materiałów.

11. Struktury mechatroniczne

czenie dyfuzyjne

W przypadku poł

czenia podło

y o bardzo gładkich powierzchniach powstaj

siły van der Waals’a zapewniaj

ce wst

pne poł

czenie obu płytek. Takie

poł

czenie jest wzmacniane przez wygrzewanie w odpowiedniej temperaturze,

w której powstaj

zania chemiczne i pełnie poł

czenie mi

dzy płytkami.

Zastosowanie ł

czenia dyfuzyjnego:

– krzem-krzem

– tlenek krzemu – krzem

– tlenek krzemu – tlenek krzemu

– krzem - azotek galu

– krzem - azotek indu

– ...

Metod

czenia dyfuzyjnego produkowane s

komercyjnie podło

a Silicon-On-

Insulator (SOI)

11. Struktury mechatroniczne

Elementy elektroniczne w technologii MEMS

Cewka RF, kondensator strojony, filtr RF

11. Struktury mechatroniczne

Miernik napr

ęż

Miernik napr

ęż

ile

11. Struktury mechatroniczne

Technologia DLP

Zastosowanie technologii mikrosystemów: chip DMD (Digital Micromirror Device)
firmy Texas Instruments stosowany w projektorach multimedialych pracuj

cych w

technologii DLP (Digital Light Processing).

- układ DLP zawiera setki tysi

cy kwadratowych mikrolusterek o boku 16µm i

przerw

dzy nimi 1µm.

- lusterka umocowane s

na mikrozawiasach, pod którymi znajduj

komórki

pami

ci RAM. Ka

de lusterko mo

e si

wychyla

o 10 stopni od poło

enia 0.

Texas Instruments

11. Struktury mechatroniczne

Technologia DLP

Texas Instruments

11. Struktury mechatroniczne

Technologia DLP

- elektroniczne adresowanie komórek pami

ci cyfrowym sygnałem 0/1 wyznacza

poło

enie ka

dego lusterka odpowiednio je wychylaj

c (lusterko w pozycji wł

czonej

wył

czonej)

- lusterka s

zdolne do wychylania si

pomi

dzy pozycjami wł/wył ponad 1000 razy

na sekund

- tak du

a pr

dko

ść

umo

liwia uzyskanie bardzo szerokiego pasma

cyfrowo modulowanych odcieni szaro

ci oraz zapewnia wierno

ść

odwzorowania

kolorów.

Texas Instruments

11. Struktury mechatroniczne

Mikropensety

ile

11. Struktury mechatroniczne

Lab-on-chip

Przykład struktury µTAS

-e