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MICROMECÂNICA MICROMÁQUINAS MICROSISTEMAS Luiz Otávio Saraiva Ferreira Laboratório Nacional de Luz Síncrotron - LNLS.

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1 MICROMECÂNICA MICROMÁQUINAS MICROSISTEMAS Luiz Otávio Saraiva Ferreira Laboratório Nacional de Luz Síncrotron - LNLS

2 Sumário Revisão Histórica –Tecnologia de Silício e suas aplicações Tecnologia LIGA Dispositivos e Aplicações

3 Campus do L N L S Escritórios Prédio do Acelerador Fábrica

4 L N L S Laboratório Nacional Multidisciplinar Tecnologia Ciência

5 História da Microfabricação Descendente da Microeletrônica. Primeiro Dispositivo - Anos 60: Resonistor.

6 Microusinagem de Substrato Anos Cavidades de Silício.

7 Cromatógrafo de Gas

8 Coluna de Eletroforese Injeção Separação Lab Oakridge

9 Membranas de Silício Sensor de Pressão.

10 HasteMassa Hastes em Balanço Acelerômetros

11 Barras de Torsão 25mm

12 Receita de Microusinagem (1) Substrato: Si Máscara protetora: filme de SiO 2 de 1µm. Corrosivo: KOH : H 2 O 25 : 100 em massa. Equipamento: –béquer de 1 litro com tampa. –termômetro. –chapa-quente com agitador magnético.

13 Receita de Microusinagem (2) Abrir janelas de corrosão no SiO 2. (alinhar as janelas com o chanfro da bolacha) Aquecer o corrosivo a 80 o C. Mergulhar a bolacha de Si no corrosivo. (colocar a bolacha na vertical) A taxa de corrosão é de aprox. 1µm por minuto. Remover do corrosivo e lavar em água corrente.

14 Início da Microusinagem

15 Fim da Microusinagem

16 Caracterização do Scanner

17 Scanner no Eletroimã

18 Varredura de Frequência

19 Microusinagem em Superfície (1) Sandia

20 Microusinagem em Superfície (2) Sandia

21 Microusinagem em Superfície (3) Sandia

22 Microusinagem em Superfície (4) Sandia

23 Microusinagem em Superfície (5) Sandia

24 Microusinagem em Superfície (6) Sandia

25 Anos 80 (Alemanha) - Tecnologia LIGA Resiste Substrato EXPOSIÇÃO Substrato Estrutura de resiste (Molde Primário) REVELAÇÃO Luz Síncrotron Máscara para raios-x Padrão Absorvedor LITOGRAFIA

26 Anos 80 (Alemanha) - Tecnologia LIGA ELETROFORMAÇÃO Metal Estrutura de resiste Substrato MOLDE SECUNDÁRIO Cavidade do Molde ELETROFORMAÇÃO

27 Anos 80 (Alemanha) - Tecnologia LIGA ENCHIMENTO DO MOLDE Molde Secundário Material Moldado Placa de Injeção Orifício de Injeção DESMOLDAGEM Microestruturas de Polímero MOLDAGEM POLÍMEROS

28 TERMO-MOLDAGEM Molde p/ Termo Moldagem Material Moldado Estrutura de Polímero (Molde Perdido) DESMOLDAGEM APLICAÇÃO DE LAMA Lama Cerâmica Estrutura de Polímero (Molde Perdido) Anos 80 (Alemanha) - Tecnologia LIGA QUEIMA Microestrutura de Cerâmica MOLDAGEM CERÂMICA

29 ELETROFORMAÇÃO Metal Estrutura de Polímero Placa com orifícios Orifícios de Injeção POLIMENTO Microestrutura Metálica Anos 80 (Alemanha) - Tecnologia LIGA MOLDAGEM METAIS

30 Microfabricação e Luz Síncrotron Aplicação tecnológica direta mais importante da luz síncrotron. LITOGRAFIA PROFUNDA POR RAIOS-X

31 Litografia Profunda É a base da tecnologia LIGA de microfabricação. Resistes desde 5 microns até milhares de microns de espessura. Litografia por UV ou por Raios-X. –UV: razão de aspecto < 20. –Raios-X: razão de aspecto <150.

32 Litografia Profunda por Raios-X Elevada Razão-de-Aspecto: mais de 100:1 Grande Precisão: erro de verticalidade típico de 0,1 m para cada 200 m de espessura do filme. Superfícies com qualidade óptica: rugosidade da ordem de 30nm. Filmes de até vários centímetros, dependendo da energia dos raios-x.

33 Características da Fonte do LNLS Energia de Injeção:120MeV. Energia Final:1.37GeV. Abertura Vertical do Feixe: 5mRad. Abertura Horizontal do Feixe: Até 30mRad, limitada por janela em 10mRad na linha de litografia (XRL).

34 Características da Fonte do LNLS Comprimento-de-onda crítico: – c = 1,37GeV. Energia crítica: c = 1,37GeV, onde

35 Geração dos Raios-X no Síncrotron Feixe eletrônico de alta energia acelerado por campo magnético. Feixe de Elétrons Dipolo Luz Síncrotron

36 Máscaras Absorvedor: 3-15 m de Au. Substrato: membrana de Si, Si 3 N 4, Kapton, etc. SilícioDifusão Boro Corrosão KOHFilme metálico ResisteLitografiaEletrodeposiçãoMoldura

37 Máscara de Kapton Absorvedor: 2 m de Au. Substrato: membrana de Kapton de 25 m.

38 Eletrodeposição Filmes de –Au, –Ni, –Cu. Banhos ácidos ou neutros. Espessuras de até 500 m. Requer processo de baixo stress.

39 A Tecnologia LIGA do LNLS Inicialmente à base de resiste SU-8. Litografia profunda por UV. Litografia profunda por raios-x. Processo de um nível de litografia. Dispositivos de polímero (SU-8). Dispositivos de metal (cobre).

40 Engrenagem de Polímero - 1 Projeto do Disposistivo

41 Engrenagem de Polímero - 2 Desenho da Máscara

42 Engrenagem de Polímero - 3 Espalhamento do resiste (SU-8) Resiste Base condutora Silício

43 Engrenagem de Polímero - 4 Esposição a UV ou raios-x Resiste não exposto Base condutora Silício Resiste exposto

44 Engrenagem de Polímero - 5 Revelação Resiste exposto Base condutora Silício

45 Engrenagem de Polímero - 6 Resultado Final (Litografia Profunda UV) Resiste exposto Feita no BRASIL - LNLS 470µm

46 Engrenagem de Polímero - 7 Resultado Final (Litografia Profunda por raios-x) Resiste exposto Feita no BRASIL - LNLS 470µm

47 Engrenagem de 1mm (SU-8)

48 Resultados SU-8 de 125µm com RX Engrenagens(detalhe) Espiral(detalhe) Peneira(detalhe) Postes(detalhe) Molde de fieira(detalhe) Tubo vertical

49 Resultados SU-8 125µm com UV Engrenagens(detalhe) Peneira(detalhe) Postes(detalhe) Tubos(detalhe) Moldes p/ fios(detalhe) Engrenagens2mm e 4mm Espiral Turbina Micromáquinas

50 MICROMÁQUINAS 1

51 MICROMÁQUINAS 2

52 Sistemas Químicos - 1

53 Sistemas Químicos - 2

54 Dispositivos de Polímero MUSA99/01

55 Eletroformação

56 Formas para Eletroformação

57 Dispositivos de Metal (cobre) 1

58 Dispositivos de Metal (cobre) 2 MUSA99/01

59 Outros Dispositivos LIGA Extraidos do livro Fundamentals of Microfabrication, de Marc Madou, Acelerômetros Fluxômetros Lentes de Fresnel Fieiras Conectores Guias de Ondas Fieiras

60 Micro Turbina Hidráulica Feita na Alemanha - IMT

61 Micro Relé Contatos Bobina Feito no IMT - Alemanha

62 Chave Opto-Mecânica Feito no IMT Alemanha

63 Micro Bomba de Diafragma Feita na Alemanha - IMT

64 Microlentes de PMMA Feito no IMT Alemanha

65 Micro Motor Elétrico 1 Feito no IMT - Alemanha

66 Micro Motor Elétrico 2 Feito no IMT Alemanha

67 Transdutor de Ultrasom Matriz de 70x70 colunas de PZT com 100µm de lado por 400µm de altura. Feito no IMT - Alemanha

68 Tecnologia LIGA no Brasil O LNLS tem uma estação de litografia profunda por raios-x à disposição dos usuários. Já temos processo para produção de microestruturas de polímero SU-8 e cobre. Foi realizada a primeira rodada do Projeto Multiusuário LIGA do LNLS (Projeto MUSA), que terá uma rodada semestral.

69 Conclusão Um novo campo de trabalho. Grandes oportunidades de inovação. Requer infraestrutura mais barata que microeletrônica. Mercado crescendo quase 20% ao ano. 34 bilhões de dólares em Área multidisciplinar.


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