Mål. Målet för dagen är att kunna förklara principerna hur man skapar rörliga delar. Vi tar kortfattat upp en del problem som kan uppstå på vägen.

Storlek: px

Starta visningen från sidan:

Download "Mål. Målet för dagen är att kunna förklara principerna hur man skapar rörliga delar. Vi tar kortfattat upp en del problem som kan uppstå på vägen."

Mats Berg
för 8 år sedan
Visningar:

1 Ytmönstring Idag ska vi börja använda våra nyvunna kunskaper. Vi kan skapa mönster, vi kan lägga till och dra ifrån material. 1

2 Mål Hur skapar man rörliga mikro-strukturer? -offerlager, strukturlager och passiveringslager Vanliga problem -spänning och stress Micromolding och LIGA Målet för dagen är att kunna förklara principerna hur man skapar rörliga delar. Vi tar kortfattat upp en del problem som kan uppstå på vägen. Avslutar med att närma oss mjukare material. Vi ska skapa gjutformar och på olika vis forma polymerer efter behag. 2

LIGA Målet för dagen är att kunna förklara principerna hur man skapar rörliga delar.

3 Ytmönstring Samlingsnamn på ett antal tekniker som bygger på mikromönstring av filmer pålagda på substrat. Ytmönstring ger möjlighet att lossa strukturer från substratet och därigenom göra rörliga delar. Accelerometers Rotors Gyroscopes Temperatur sensorer Flödessensorer Vakuum och tryck sensorer 3

Ytmönstring ger möjlighet att lossa strukturer från substratet och

4 Accelerometer 2009 Exempel accelerometer, endast några mm2 stor, fungerar genom att massan, alltså den stora fyrkanten rör sig vid en acceleration pga av dess tröghet. När den rör sig kommer piezoresistorer känna av en förlängning eller förkortning som går att uppmäta. Viktigt är alltså att massan hänger fritt och att luften kan passera på sidorna. Hur gör vi detta då?

När den rör sig kommer piezoresistorer känna av en förlängning eller förkortning som går att

5 Tillverknings Metoder Tillverkningsmetoder o CVD o Fotolitografi o Torr etsning o Våt (selektiv) etsning Processteg o Passiveringslager o Offerlager o Strukturlager Använder oss av våra grundtekniker (CVD, litografi och etsning) Belägger vårt substrat med lager med olika funktioner: Passiveringslager -deltar inte i processen Offerlager- används mest i byggprocessen, tas bort efteråt Strukturlagetr- själva materialet systemet ska var uppbyggt av Rita en process 5

Belägger vårt substrat med lager med olika funktioner: Passiveringslager -deltar inte i processen Offerlager-

6 Principer för ytmönstring Simplest form Addition anchor Tunna filmer då det tar lång tid att tillverka bra filmer tex 10 h för 10µM poly SI 6

7 Vidhäftning Viktig för strukturens funktionaliteten Scotch tape test Skrapning Ultrasonikering Böjning 7

8 Mätmetoder för stress Disk method: radius of curvature Elongation beam Suspended membrane Ring cross bar 8

9 Mätmetoder för stress Clamped-Clamped beam Cantilever beams Cantilever spirals 9

10 Material för ytmönstring Strukturmaterial Poly Si: Hög deponeringshastighet, Lätt att göra strukturer i SiO 2 : Isolator, medium etshastighet i HF Si 3 N 4 : Låg etshastighet Polyimide Tungsten Offer/spacer material SiO 2 PSG (Phospho Silicate glass): Hög etshastighet BPSG (Boron doped PSG): Hög etshastighet Al Exempel på olika material 10

etshastighet Polyimide Tungsten Offer/spacer material SiO 2 PSG (Phospho Silicate

11 Olika material har olika etshastigheter R R s > R m och R i Selektiv etsning (R s =offerlager, R m =strukturmaterialet, R i = isolatormaterialet) Kan även skilja i hastighet för horisontell och vertikal riktning Fulständig underetsning endast våtetsning Etsmedlet kan påverka mikrostrukturern Ex. HF påverkar polykisels mekaniska egenskaper Naturligtvis viktigt att man 11

för horisontell och vertikal riktning Fulständig underetsning endast våtetsning Etsmedlet

12 Kombinera rätt! Olika kombination av etsmedel, offerlager och strukturlager, se boken! 12

13 Adsorption (Stiction) Ytenergin hos vätska kan orsakar defekter 13

14 Spänningar (Stress) Spänningar orsakar: Buckling Delaminering Sprickbildning Effektförlust p.g.a. defekter Ex Ökad resistans Resonansfrekvensändring i tunna filmer Med mera 14

15 Intrinsic Tillväxt orsakad Orenheter i materialet gitter oregelbundheter Fas övergångar Svällning eller torkning Dopning Innestängd gas Extrinsic Termisk expansion Icke uniform plastisk deformation Spänningar Residual Intrinsic spänning som orsakats av en pålagd kraft 15

Innestängd gas Extrinsic Termisk expansion Icke uniform plastisk

16 Intrinsic Spänning Intrinsic spänning är i allmänhet större än extrinsic Faktorer som påverkar intrinsic spänningar Tjocklek (ackumulation) Depositionshastighet (låg hastighet, låg stress) Depositionstemperatur (högt T, hög stress: expansionskoefficienten) Omgivande tryck (microvoids) Depositionsmetod/Film release Substrattyp (gitter missmatch) Inbyggnad av föroreningar i filmen (och doping; mindre atom tensile och vice versa) 16

(högt T, hög stress: expansionskoefficienten) Omgivande tryck (microvoids) Depositionsmetod/Film release

17 Exempel 17

18 Tyckmätare 2009 Lite tillämpningar: tryckmätare från Radi i Uppsala, sitter i mm-stor spets på kateter som kan föras in i blodådror

19 Hur gör man ett gångjärn? 19

20 Resultat Poly 2 Oxide Poly 1 Poly 2 Poly 1 Poly 2 staple holding poly 1 plate 20

21 Yt- jämfört med bulkmönsting 21

22 Exempel 22

23 Mikrogjutning/micromolding Process där strukturer kan replikeras genom att använda polymera material som i visst tillstånd formar sig efter templatet. En exakt spegelbild skapas. Kostnadseffektiv teknik. Templat kan användas många gånger och gjutmaterialen är relativt billiga. Processer för gjutning som kan kombineras med mikrostrukturer: Reaction Injection Molding Injection Molding Compression molding (Hot embossing) Casting 2009 Lämnar vi Si och alla metaller bakom oss och närmar oss det som är mer användbart i ett biologiskt perspektiv. Enkel princip: skapa ett templat i ett hårt material och forma polymeren efter denna. Några olika varianter

24 LIGA Tjockt lager av X-ray resist mikro- till centimeter Högenergi exponering och framkallning av resiststruktur Metalldeponering i resiststrukturen Ta bort resisten -> fristående metallstruktur Eventuellt gjutsteg Hög aspect ratio! Lithographie, Galvanoformung, Abformung (Lithography, Electroplating, and Molding) 24

25 LIGA Tjockt lager av X-ray resist mikro- till centimeter Högenergi exponering och framkallning av resiststruktur Metalldeponering i resiststrukturen Ta bort resisten -> fristående metallstruktur Eventuellt gjutsteg Hög aspect ratio! Lithographie, Galvanoformung, Abformung (Lithography, Electroplating, and Molding) 25

26 Resist för strukturerna PMMA vanlig Positiv resist + God processbarhet och stabilitet + Bra kontrast Låg känslighet mot korta våglängder (2J/cm vid 8,35 Å). Kan ta mer än 90 minuter att exponera en 500 um tjockt lager av PMMA. Känslig för Sprickbildning (speciellt för metallsubstrat) SU-8 Negativ resist Lägre aspect ratio + Kortare exponeringstider 26

27 Färdig struktur eller mall? 27

28 2009 Processgången: Från en ide designar i te x CAD, får fram fotomasker, använd diverse tekniker för att skapa en master med en 3D struktur, belägg med metall för att slutligen använda templatet för att forma plast.

29 2009 Samma sak en gång till, rita på tavla från mask till templat

30 Microgjutning Process där strukturer kan replikeras genom att använda polymera material som i visst tillstånd formar sig efter templatet. En exakt spegelbild skapas. Kostnadseffektiv teknik. Templat kan användas många gånger och gjutmaterialen är relativt billiga. Processer för gjutning som kan kombineras med mikrostrukturer: Reaction Injection Molding Injection Molding Compression molding (Hot embossing) Casting 30

31 Compression Molding (Hot Embossing) 1. Rigitt polymerlager formas efter ett templat 2. Polymerlagret värms över T g 3. Tryck anbringas (storleksordningen g till ton) 4. Kyls under T g separation från templat Pressliknade maskin Återkommer i mjuk litografi 31

32 Hot embossing 2009 EN enkel press med värmehållning

33 Enkel 2009

34 Hot embossing 2009 Några exempel, fresner lins, massa mikrolinser mm, inte särskilt djupa/höga strukturer

35 Injection Molding (IM) Injektionsbehållaren trycker in polymeren formen. Formen Värms över T g för polymeren men < T M Kan hålla något högre temperatur för avgjutning av små strukturer Skin-formation Högre insprutningshastighet minskar skin-tjockleken Fig

36 Injection molding Typical conditions for working with polycarbonate (PC): Glass transition temp 145 C Mold temperature 85 C Molten PC temp 330 C Clamping force 60 tons Injection time 1 s Cooling time 2 s 2009 Värmer upp plasten till vätska, ofta som granulat, trycker in den i en uppvärmd form, trycks ihop och kyls av. Visa CD-tillverkningsvideo

37 Snabb 2009

38 2009 Exempel på möjl användning, Åmic höll på med detta, vet faktiskt inte vart projektet tog vägen. Lägg till bloddroppe som dras in av kappilärkrafter. Pelarskog som sörjer för att vätskan drivs framåt

39 Demolding Användbara trix vid högt aspect ratio, ex LIGA Använder material med låg adhesionskraft som templat Elastiska egenskaper underlättar separationen, men minskar struktur beständigheten Mycket jämn yta på templat Hindra form-locking Något lutande väggar underlättar separationen Release agent kan behövas Sprayas på templatet innan avgjutning Kemisk modifiering 39

40 Molding Att tänka på Avgasning Krympning Uniform mixning Fyllhastighet (stress) 40

41 Reaction Injection Molding (RIM) Två- eller flerkomponentsystem Komponenterna bladas innan injektion, initierar reaktionen härdprocessen startar direkt. T.ex. upphettning eller UV-exponering kan användas för att snabba på eller starta härdprocessen Blandingen aktiverar polymeriseringen Blandas innan injektion, värme- och UV-aktiveras 41

42 Casting 1. Applicering på templatet utan externa krafter Viskositeten tillräckligt låg för att följa strukturerna 1. Härdning med värme eller UV 2. Separering från templat Behandling av templatet kan vara nödvändig för separation Yttre ytan svår kontrollerbar (ev sandwichstruktur Ex mjuk litografi SU-8 templat och PDMS 42

43 Ordlista LIGA, molding, compression molding, injection molding, offerlager, passiveringslager, strukturlager 43

Relevanta dokument

Litografi. Föreläsningens mål: Introducera följande begrepp:

Litografi. Föreläsningens mål: Introducera följande begrepp: Litografi Litografi Föreläsningens mål: Introducera följande begrepp: Litografi, speciellt fotolitografi Material inom litografi, speciellt fotoresister Exponeringsmetoder Nya metoder inom litografi -