Mikro a nanotribologie materiály, výroba a pohon MEMS

Transkript

1 Tribologie Mikro a nanotribologie materiály, výroba a pohon MEMS vypracoval: Tomáš Píza

2 Obsah - Co je to MEMS - Materiály pro MEMS - Výroba MEMS - Pohon MEMS

3 Co to je MEMS - zkratka z anglických slov Micro-Electro-Mechanical-Systems -začínají se stále více uplatňovat v mnoha oblastech elektronika, robotika, strojnictví, chemie, medicína, letectví, automobilový průmysl, - mechanické elementy, senzory, akční členy, řídící a vyhodnocovací elektronika jsou integrovány na jednom čipu - miniaturní až mikroskopické rozměry několik milimetrů až několik mikrometrů - mikro-mechanické elementy ozubená kola, ložiska, péra a pružiny, pružné elementy, pohyblivé elementy,

4 Materiály pro MEMS - volba materiálu závisí na několika faktorech: - na výrobní technologii - na charakteristických vlastnostech materiálu - na použití výsledného MEMS systému - velmi malé rozměry dovolují použití materiálů, které by nešlo použít u větších zařízení (využívá se závislosti meze kluzu na velikosti součásti) - MEMS jsou vytvářeny na polovodičovém substrátu (destičce) nejčastěji z jednokrystalového Si (Ge) - polykrystalický Si se používá jako odporový materiál -na vodiče se používá Al, Cu -na různé izolace oxid křemičitý, nitrid křemičitý nebo nitrid titanu - na mechanické elementy se používá Si, polykrystalický Si a nitrid křemíku

5 Materiály pro MEMS - materiály pro mechanické elementy - membrány pro tlakové senzory, vysokovibrační elementy pro gyroskopy a rotační disky čerpadel a turbín - pevnost v lomu, Youngův modul pružnosti a hustota Materiálové vlastnosti vybraných materiálů ρ (kg/m 3 ) E (GPa) σ f (MPa) Křemík Oxid křemičitý Nitrid křemičitý Nikl Hliník Oxid hlinitý Karbid křemíku Diamant E/ρ (GN/kg.m) σ f /ρ (MN/kg.m) σ f 3/2 /E (Mpa -1/2 ) 72 1,7 1,5 36 0,45 0, ,30 0, ,06 0, ,11 0, ,50 0, ,303 0, ,28 0,31

6 Materiály pro MEMS - materiály pro snímací elementy - snímací elementy mění vstupní mechanickou energii na výstupní elektrickou energii nebo naopak - využívá se v nich např. změny kapacitního odporu nebo elektrostatické síly k měření posuvů - piezoelektrické materiály nejčastěji směsný oxid olova, zirkonia a titanu, dále oxid zinečnatý, nitrid hlinitý, - slitiny pamatující si svůj tvar (shape memory alloy) - magnetostrikční materiály

7 Výroba MEMS - výroba MEMS je převzata z výroby integrovaných obvodů (CMOS) - výroba podkladů (substrátů) - výroba tenkých destiček zejména pak z Si - maskování a leptání - tvorba šablon pomocí litografie, jejich následné přenesení na materiál a leptání tohoto materiálu - fotolitografie polymery citlivé na světlo - leptání vodnými roztoky, reakční iontové leptání (RIE), leptání plasmou,

8 Výroba MEMS - aditivní procesy - nanášení (depozice) vrstev materiálu - CVD chemická depozice z plynné fáze nízkotlaké LPCVD, plasmaticky aktivované PECVD, - PVD fyzikální depozice rozprášených nebo odpařených částic - spojovací procesy - vytváření struktur různých tvarů pomocí vrstvení tenkých vrstev materiálů - tepelné spojování za působení tlaku, anodické spojování, spojování místním natavením, eutektické spojování zlatem, - tvorba rovných povrchů (planarization) - používá se chemicko mechanické leštění (CMP)

9 Pohon MEMS - zdroje energie odpovídající velikosti -používajíse: - miniaturní klasické nebo solární baterie - vodíkové palivové články - zařízení využívající radioaktivitu - tento zdroj energie nemusí být nijak dobíjen, dlouhá životnost minimálně polovina poločasu rozpadu použitého izotopu (50 let) - použití piezoelektrických materiálů -při zátěži produkují elektrickou energii - získávání energie např. z vibrací podlahy - 3D mikrobaterie -20µW až 40mW

10 Děkuji za pozornost