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MICROMECÂNICAMICROMÁQUINAS MICROSISTEMASLuiz Otávio Saraiva Ferreira
Laboratório Nacional de Luz Síncrotron - LNLS
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Sumário
• Revisão Histórica
– Tecnologia de Silício e suas aplicações
• Tecnologia LIGA
• Dispositivos e Aplicações
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Campus do L N L S
Escritórios
Prédio do Acelerador
Fábrica
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L N L S
•Laboratório Nacional•Multidisciplinar•Tecnologia•Ciência
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História da Microfabricação• Descendente da Microeletrônica.
• Primeiro Dispositivo - Anos 60: Resonistor.
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Microusinagem de Substrato
• Anos 60 - 70.
• Cavidades de Silício.
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Cromatógrafo de Gas
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Coluna de Eletroforese
InjeçãoSeparação Lab Oakridge
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Membranas de Silício
Sensor de Pressão.
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Haste Massa
Hastes em Balanço
• Acelerômetros
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Barras de Torsão
25mm
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Receita de Microusinagem (1)
• Substrato: Si <100>
• Máscara protetora: filme de SiO2 de 1µm.
• Corrosivo: KOH : H2O 25 : 100 em massa.
• Equipamento:– béquer de 1 litro com tampa.– termômetro.– chapa-quente com agitador magnético.
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Receita de Microusinagem (2)
• Abrir janelas de corrosão no SiO2.
• (alinhar as janelas com o chanfro da bolacha)
• Aquecer o corrosivo a 80oC.
• 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.
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Início da Microusinagem
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Fim da Microusinagem
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Caracterização do Scanner
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Scanner no Eletroimã
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Varredura de Frequência
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Microusinagem em Superfície (1)
Sandia
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Microusinagem em Superfície (2)
Sandia
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Microusinagem em Superfície (3)
Sandia
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Microusinagem em Superfície (4)
Sandia
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Microusinagem em Superfície (5)
Sandia
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Microusinagem em Superfície (6)
Sandia
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Anos 80 (Alemanha) - Tecnologia LIGA
Resiste
Substrato
EXPOSIÇÃO
Substrato
Estrutura de resiste (Molde Primário)
REVELAÇÃO
Luz Síncrotron
Máscara para raios-x
Padrão Absorvedor
LITOGRAFIA
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Anos 80 (Alemanha) - Tecnologia LIGA
ELETROFORMAÇÃO
Metal
Estrutura de resiste
Substrato
MOLDE SECUNDÁRIO
Cavidade do Molde
ELETROFORMAÇÃO
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Anos 80 (Alemanha) - Tecnologia LIGA
ENCHIMENTO DO MOLDE
Molde Secundário
Material Moldado
Placa de Injeção
Orifício de Injeção
DESMOLDAGEM
Microestruturas de Polímero
MOLDAGEM POLÍMEROS
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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
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ELETROFORMAÇÃO
Metal
Estrutura de Polímero
Placa com orifícios
Orifícios de Injeção
POLIMENTOMicroestrutura Metálica
Anos 80 (Alemanha) - Tecnologia LIGA
MOLDAGEM METAIS
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Microfabricação e Luz Síncrotron
• Aplicação tecnológica direta mais importante da luz síncrotron.
LITOGRAFIA PROFUNDA POR RAIOS-X
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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.
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Litografia Profunda por Raios-X
Elevada Razão-de-Aspecto: mais de 100:1
Grande Precisão: erro de verticalidade típico de 0,1m 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.
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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).
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Características da Fonte do LNLS
• Comprimento-de-onda crítico: c = 5.9Å @ 1,37GeV.
cc
c
• Energia crítica:c = 2,08keV @ 1,37GeV,
onde
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Geração dos Raios-X no Síncrotron
• Feixe eletrônico de alta energia acelerado por campo magnético.
Feixe de Elétrons Dipolo
Luz Síncrotron
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Máscaras
Absorvedor: 3-15m de Au.
Substrato: membrana de Si, Si3N4, Kapton, etc.
SilícioDifusão Boro
Corrosão KOH
Filme metálico
ResisteLitografiaEletrodeposição
Moldura
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Máscara de KaptonAbsorvedor: 2m
de Au.
Substrato: membrana de Kapton de 25m.
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Eletrodeposição
• Filmes de– Au,– Ni,– Cu.
Banhos ácidos ou neutros.
Espessuras de até 500m.
Requer processo de baixo stress.
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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).
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Engrenagem de Polímero - 1
Projeto do Disposistivo
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Engrenagem de Polímero - 2
Desenho da Máscara
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Engrenagem de Polímero - 3
Espalhamento
do resiste (SU-8)
Resiste
Base condutora
Silício
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Engrenagem de Polímero - 4
Esposição a UV
ou raios-x
Resiste não exposto
Base condutora
Silício
Resiste exposto
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Engrenagem de Polímero - 5
Revelação
Resiste exposto
Base condutora
Silício
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Engrenagem de Polímero - 6
Resultado Final
(Litografia Profunda UV)
Resiste exposto
Feita no BRASIL - LNLS
470µm
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Engrenagem de Polímero - 7
Resultado Final
(Litografia Profunda por raios-x)
Resiste exposto
Feita no BRASIL - LNLS
470µm
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Engrenagem de 1mm (SU-8)
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Resultados SU-8 de 125µm com RX
Engrenagens (detalhe)
Espiral (detalhe)
Peneira (detalhe)
Postes (detalhe)
Molde de fieira (detalhe)
Tubo vertical
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Resultados SU-8 125µm com UV
Engrenagens (detalhe)
Peneira (detalhe)
Postes (detalhe)
Tubos (detalhe)
Moldes p/ fios (detalhe)
Engrenagens 2mm e 4mm
Espiral
Turbina
Micromáquinas
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MICROMÁQUINAS 1
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MICROMÁQUINAS 2
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Sistemas Químicos - 1
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Sistemas Químicos - 2
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Dispositivos de Polímero
MUSA99/01
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Eletroformação
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Formas para Eletroformação
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Dispositivos de Metal (cobre) 1
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Dispositivos de Metal (cobre) 2
MUSA99/01
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Outros Dispositivos LIGA• Extraidos do livro “Fundamentals of
Microfabrication”, de Marc Madou,
Acelerômetros
Fluxômetros
Lentes de Fresnel
Fieiras
Conectores
Guias de Ondas Fieiras
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Micro Turbina Hidráulica
Feita na Alemanha - IMT
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Micro Relé
Contatos
BobinaFeito no IMT -
Alemanha
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Chave Opto-Mecânica
Feito no IMT Alemanha
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Micro Bomba de Diafragma
Feita na Alemanha - IMT
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Microlentes de PMMA
Feito no IMT Alemanha
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Micro Motor Elétrico 1
Feito no IMT - Alemanha
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Micro Motor Elétrico 2
Feito no IMT Alemanha
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Transdutor de UltrasomMatriz de 70x70 colunas de PZT com 100µm de lado por 400µm de altura.
Feito no IMT - Alemanha
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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.
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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 2002.
• Área multidisciplinar.