Перевод. Обсуждаем трёхмерные микроструктуры для мехатронной технологии

• Название: Обсуждаем трёхмерные микроструктуры для мехатронной технологии
• Дата: 02.10.2019
• Размер: 68 Kb.
• Имя файла: Перевод.doc
• Тип: Документы; #88318

Обсуждаем трёхмерные микроструктуры для мехатронной технологии.

Трехмерные микроструктуры - электромеханические устройства, которые соединяют промежуток между обычными технологиями производства и технологией MEMS.

В то время как двигатель, чтобы построить более сложные электромеханические устройства меньшего размера или продолжаются микроустройства, инженеры-конструкторы изо всех сил пытаются соединить промежуток между обычными методами микромеханической обработки, такими как лазер, струя воды, микроEDM, микромеля и Микро Электромеханические Системы (MEMS). Определенно, инженеры-конструкторы обнаруживают, что многие из продуктов теперь в стадии проектирования являются слишком маленькими, чтобы быть построенными с этими технологиями производства, и не являются кандидатами на технологию MEMS из-за размера, стоимости, или материальных ограничений. Проблема очевидна и для механической, и для электронной соединительной части микроустройств и затрагивает много прикладных областей, включая медицинское, оптическое, основанное на пространстве и полупроводниковое производственное оборудование.

Рисунок 1 - процесс LIGA обшивания металлическими пластинами соединяет промежуток между традиционным машиностроительным производством и структурами MEMS.

Этот процесс должен быть рассмотрен на ранних стадиях проектирования, и он может быть мощным новым инструментом для тех, кто ответственен за проектирование миниатюрных и микроустройств. Технология поддерживает размеры элемента от 5 мкм минимум до 150 мкм максимум в толщине, и в соотношении сторон 30 к 1.

Большая Картина

Как правило, “трехмерные (3D) микроскопии” определены размерными отношениями, где соотношения сторон (высота, разделенная на минимальную возможную ширину), больше единицы. Структуры с соотношением сторон один или менее считают плоским. Это обычно, но не всегда, металлические структуры с точно управляемыми X, Y, и Z измерениями, которые могут колебаться от 0.002 мм до 0.500 мм. В зависимости от приложения, структура может быть простой как плоская шайба в форме пончика или сложной как многоплановое, управляющее устройство, приводимое в действие с помощью магнита. Если структура является достаточно большой, чтобы быть сформированной обычной машиностроительной технологией, её не считают трехмерным микроустройством. Кроме того, MEMS, основанные на кремнии устройства со сверхмалыми измерениями и встроенная электроника, тоже не считаются трехмерными микроустройствами.

Трехмерные микроскопии производятся в нескольких формах. Это могут быть (1) свободные стационарные структуры, или (2) листы связанных структур, которые могут быть singulated(???), (3) структуры, которые присоединяются к жёстким основаниям, (таким как стекло или окись алюминия) или (4) структуры, которые присоединяются к гибким основаням (таким как металлическая фольга или пластмассы).

Приложения для трехмерных микроустройств включают в себя медицинские имплантаты, оптику, микро струйную автоматику и пространственно основанные системы. Медицинские приложения включают микрокапиллярные системы для управляемой жидкой передачи и катушки микроиндукции для устройств сцепления радиочастоты. Такие устройства сцепления могут использоваться, чтобы передать данные снаружи тела к внедренному приемнику.

Оптические приложения включают микролинзы и лазерные крепления, в то время как пространственно основанные приложения включают в себя чистое золото или медную фольгу с определенными толщинами и шириной прорезей, разработанной, чтобы отфильтровать все отобранные длины волны.

Процесс таков, что фактически любая сложная комбинация структурно возможных форм, таких как кривые, спирали и прямые линии, может быть соединена на плоскости X, Y. План Z (толщина) может быть сформирован как единственный слой электрохимически осаждённого металла одной толщины или несколько слоев переменных толщин и измерений X, Y, и измерения Z. Способность управлять X, Y и Z измерениями, независимо и в многократных слоях, позволяет сформировать глухие отверстия или углублённые области, каналы, консольные балки и пружинные структуры. По существу, эти измерения проекции X, Y управляются УФ (ультрафиолетовой) фотолитографией, и измерениями Z управляет толщина металлизации в пределах пропорции УФ фоторезиста. Именно эта свобода дизайна, в пределах определенных пределах, делает эту технологию привлекательной и годной для инженеров-конструкторов.

Рисунок 2 - Это дроссельная шайба с одним отверстием, которое управляет давлением и направленностью, изготовленная процессом LIGA.
Процесс

Процесс построения для трехмерных микроустройств основан на трех дисциплинах: Полупроводник и фотолитография микронного уровня, обработка тонкоплёночного металла (смещение и удаление напыления), и Электрохимическое смещение металла (металлическое покрытие с помощью электричества/электроформовка). Каждая дисциплина использует в своих интересах недавние разработки в химии фотосопротивления полупроводников, электрохимическом металлическом смещении и традиционном тонкоплёночном металлическом покрытии и размалывании иона.

В самой простой форме процесс состоит из:

• Создания фотосопротивляющейся "почвы" намеченной структуры на ранее подготовленном, электрически проводящем основании, обычно на стекле с металлическим покрытием.

• покрытие металлической присадкой обеспечивает электрическую проводимость для того, чтобы она нанесла слой металла гальваническим способом в фотосопротивляющуюся почву.

• Удаления фотосопротивляющейся почвы с проводящего основания.

• Удаления законченных трехмерных микроскопий с проводящего основания.

Далее - более подробное описание модели процесса:

Во-первых, создайте гладкое, плоское, электрически проводящее основание, которое будет использоваться в качестве строительной платформы или основания. Это обычно достигается напылением с внесением тонкоплёночной присадки (<5000 ангстремов) проводящего металла на основной носитель. присадочный слой металла должен хорошо сцепиться с основанием, и граница раздела металла присадки с воздухом должна быть достаточно активной, чтобы вызвать и поддержать связь во время процесса металлизации.

Во-вторых, отложите и отобразите фотосопротивление, используя предопределенную фото маску. Этот шаг процесса определяет измерения плоскости X, Y и создает почву, в которую будет осажден электроформованный металл. Проблемы, которые рассматриваются при выборе фотосопротивляния, это минимально возможный размер, максимальное соотношение сторон (максимальная толщина/минимальный размер элемента), число слоев (Z) и требуемый допуск на размер.

Рисунок 3 - устройство здесь – это катушка 10 x 10 x 25 мкм, рассматривается как трехмерное микроустройство.

Как правило, минимальный размер элемента - 0.002 мм, максимальное соотношение сторон 5/1, и допустимое критическое измерение (КИ) +/-0.001 мм. Однако, эти величины и допуски ограничены относительно требуемых пропорций. Чем выше отношение, тем больший допуск необходим. В зависимости от особой структуры возможны столь маленькие размеры элемента как 0.001 мм и столь большие пропорции как 10/1.

В-третьих, используя напыление осаждённого металла присадки (шаг один) как проводник, электрохимически внесите желаемый металл в фотосопротивляющуюся почву, созданную выше на втором шаге. Металлические опции включают, но не ограничены, никель (Ni), никель кобальт (NiCo), чистое золото (Au), твердое золото, и медь (Cu). Выбор металла для использования зависит от особого применения. Чистое золото важно для вживляемых устройств, но никель кобальт обычно используется там, где важны твердость, чистота поверхности, предел прочности, и упругие качества. Различные комбинации твердого золота и меди наиболее распространены в устройствах, требующих последующей возможности соединения или критических электрических характеристик. Фактический процесс металлического смещения основан на традиционной электрохимической технологии, которая была точно настроена на то, чтобы привести к металлическим отложениям, это близко соответствует основным эксплуатационным характеристикам.

В-четвёртых и в-последних, удалите фоторезистивную почву и в некоторых случаях отделите законченные трехмерные микроструктуры от основной оправки. Этот последний шаг может быть столь же простым как зачистка отдельных структур с основы или может потребовать некоторого химического погружения. Непринужденность выпуска законченной трехмерной микроструктуры из основной оправки связана с поверхностной энергией верхнего слоя металла присадки. Например, чем более активна поверхностная энергия, тем лучше связь между отложением, на который наносят слой металла гальваническим способом, и металлом присадки и тем труднее будет его удалить. Если поверхностная энергия ниже, связь между отложением, на который наносят слой металла гальваническим способом, и металлом присадки будет слабой, что сделает трёхмерную микроструктуру более лёгкой к удалению.

Замысел состоит в том, чтобы создать поверхностную энергию достаточно высокую, чтобы поддержать прилипание материала, на который наносят слой металла гальваническим способом, до завершения процесса металлизации, но также и достаточно низкую, чтобы гарантировать легкое удаление от основной оправки. Это достигается с помощью применения соответствующей активации или пассивирующей пропитки как требуется для того, чтобы на материал был нанесен слой металла гальваническим способом.

Иногда замысел состоит в том, чтобы оставить трехмерные микроскопии надолго присоединенными к носителю. В тех случаях непокрытый металл присадки вокруг трехмерных микроскопий может быть удален, чтобы электрически изолировать каждую структуру на основной оправке.

Материальные соображения

Есть много переменных, которые можно обсудить при выборе материала проекта. Как только установлено, что обозначенное устройство - кандидат на трехмерный микропроцесс, следующим пунктом к рассмотрению должен являться материал. Как указано выше, обычно используемые материалы 3D микро - это Ni, NiCo, Au, твердое золото, и медь. Для тех структур, которые предназначены для внедренных медицинских устройств, чистое золото может быть единственным доступным параметром. Можно рассмотреть и другие благородные металлы, но как правило они труднее подвергаются электроформовке.

Приложения, которые требуют большего физического сопротивления, твердости, или более гладкой чистоты поверхности (меньшая структура зерна) и хорошие упругих качеств, использовали бы никель кобальт. Электроформованный NiCo является слоисто (в противоположность столбчатому) выращенным материалом. Этот слоистая молекулярная структура дает NiCo вышеупомянутые установленные уникальные особенности.

Для тех приложений, которые требуют коррозионной стойкости, как чистый Ni, так и Ni, избыточно покрытый золотом, являются приемлемыми вариантами. Нужно также понимать, что сплошное твердое золотое и чистое золото - превосходные варианты для приложений, вовлекающих экстремальные коррозийные условия. Аналогично, приложения, требующие высокую проводимость и низкий импеданс, рассматривали бы медь или медь, избыточно покрытую золотом.

Примеры применения.

Пример применения трёхмерных микроустройств - жидкая гидромеханизация. Возможные конфигурации структуры включают в себя отверстия диафрагмы, как прямо огражденные, так и выполненные в форме воронки, сужающейся к 0.001 мм. В случае жидких систем гидромеханизации диафрагмы в форме воронки с одним отверстием используются, чтобы управлять давлением и направленностью.

В другом, более знакомом применении, в струйной печати, одно 5 мм x 10-миллиметровое множество отверстий может содержать до 300 точно (+/-0.001 мм) сформированных и помещённых отверстий форсунки. Такие множества отверстий обычно производятся в 300-миллиметровых квадратных листах со множествами, связанными легко разделенными связующими звеньями. Способность временно соединить тысячи трехмерных микроструктур во время производственного процесса помогает обработке и сборке.

На медицинском фронте проводящие катушки с большими пропорциями были построены для приложений сцепления радиочастот, использованных в передаче данных внутри и вне человеческого тела и для других областей, где требуется отдаленная передача данных. Преимуществом строительства катушек с этим процессом является квадратное или прямоугольное поперечное сечение трехмерных микроустройств, которое может переносить большие текущие нагрузки и увеличить мощность сигнала над традиционными круглыми проводными намотанными катушками с подобными измерениями.

Рисунок 4 - Груз и устройство замка по сравнению с десятью центами, чтобы получить впечатление от его действительно миниатюрного размера.

В более сложном примере технология трехмерных микроустройств использовалась, чтобы построить многоуровневые автономные магнитно приводимые в действие переключающие устройства. Эти устройства состоят из микропружин, не подчинённых связям, с 0.050-миллиметровым квадратным поперечным сечением и 0.150-миллиметровым вторым слоем для структурной стабильности. Материал для устройства, показанного в рисунке 4, - твердое золото, выбранное, потому что его модуль упругости соответствовал требованию к устройству.

В более общем применении процесс использовался, чтобы сформировать трехмерные микро пружины, используемые для множества систем исследования подкожного чипа. В этом случае, предпочтительным материалом был NiCo из-за своего ресурса прочности и упругих характеристик.

Преимущества и недостатки

Обработка трехмерных микроструктур не происходить без преимуществ и недостатков. Процесс учитывает свободу дизайна в пределах определенных заранее установленных размерных пределах. Рассмотрим повторяемую точность процесса, основанного на литографии, поскольку он последовательно воспроизводит допуск на размер в пределах +,/-0.001 мм. С точки зрения стоимости большинство устройств основано на 150-миллиметровом или 300-миллиметровом квадратном основании носителя. При продаже оснований за себестоимость, устройства меньшего размера означают большее число устройств на одном обработанном листе, таким образом понижают себестоимость основания.

Напротив, Вы можете найти, что полные толщины обычно ограничиваются 0.250 мм (но в крайних случаях, возможна толщина в 0.500 мм), и активные электронные устройства не включены. Хотя конечный продукт может привести к большему количеству устройств за более низкую себестоимость единицы продукции, оригинальный набор инструментов иногда может быть дорогостоящим.

Энергия ветра - Развиваться, Медленно

Преобразование энергии из ветряной в электрическую является огромной мехатронной проблемой. Множество мелких изобретателей пробует себя в этой области. В конце концов, это сведется к тому, что работает экономно.

Проблема в том, что Вы должны преобразовать кинетическую энергию ветра, которая очень низка, в зависимости от того, где Вы находитесь, в механическую энергию, достаточную, чтобы повернуть что-то, что повернет генератор. Кажется простым, и это просто, в какой-то степени.

Часть ветра можно представлять как энергию в Ваттах на Квадратный метр. Таким образом, мы должны придумать что-то, у чего есть очень большая площадь поверхности и очень легкий вес. Приходит на ум парусная технологии. И есть огромный диапазон производительности, основанной на аэродинамике, из-за которой есть такое большое усилие около дизайна лезвия в нынешнем поколении ветряных двигателей.

Но на энергетических уровнях в 150 Вт/м², требуется много квадратных метров, чтобы достигнуть достаточного количества полезной энергии. Если бы Вы обдумываете, “маленький ветер” для жилых применений с максимальной мощностью 2000-3000 ватт потребовал бы 20 квадратных метров площади поверхности. Это мог быть ротор более десяти футов в диаметре и восемнадцать футов высотой. Это очень большая механическая структура для жилого здания. И её нелегко надежно поддержать от сильных ветров.

2000 - 3000 ватт неустойчивой энергии могут сократить вполовину ваши счета за электроэнергию за год, если ветер дует сильно. В противном случае возможно 1/4 вашего ежегодного счета за электроэнергию, если не будет много ветра. Таким образом, вы все еще нуждаетесь в энергетической компании, пока вы не сделаете турбину в 4 раза более крупной.

И продукт не может стоить больше, чем вы сейчас платите за электричество. В таких штатах, как Нью-Джерси, Нью-Йорк или Калифорния, где затраты на электричества высоки, стоимость продукта может составлять 1500$ при оценке для стоимости ежегодно используемой части мощности. В штатах, где затраты электричества составляют 11 центов/кВтч, это действительно не играет роли.

Располагающиеся на земле ветряные фермы до сих пор не сделаны очень хорошими. Подумайте о сложности построения коробок передач на мегаваттном уровне, которые должны противостоять внезапным изменениям направления ветра. Это ничто для индустриального мира. Сообщается, что исторические затраты на операции и обслуживание (O&M) на 20 и 30 % были из-за преждевременного отказа коробок передач, воспламенения электрических систем, лезвий, ломающиеся из-за отказов системы управления. Список продолжается.

Таким образом, энергия ветра все еще является главной мехатронной проблемой.

Какова надлежащая роль правительства в деле ветряной энергетики? Президент Обама говорит, что занимается тем, что продвигает ветряную энергию в этой стране. Энергия ветра принесет рабочие места в Америку. Ну, возможно для некоторых из строительных парней. До сих пор, существенное количество ветряных двигателей, проданных в США, прибывает от иностранных поставщиков. И даже для внутренних ветряных двигателей, много частей прибывает от оффшорных поставщиков.

Если вы посмотрите на всю новую создаваемую бюрократию, ну, будет удивительно, если что-нибудь когда-либо будет сделано. Недавно сформированное Бюро Океанского энергетического управленческого Регулирования и Осуществления было создано, чтобы наблюдать за продажей арендных договоров относительно федеральных Вод, где оффшорный ветер, как ожидают, будет мигрировать. Кажется, что единственные создаваемые рабочие места являются федеральными рабочими местами. Между прочим, у них есть 14 открытий прямо сейчас, и некоторые из них – нефтяные инженеры и инженеры окружающей среды, и, если вы не заняты, проверяйте их.

Процесс получения арендного договора от БОЭМРЕ займёт по крайней мере 2-3 года перед тем, как вы сможете даже думать о выпуске оборудования.