Tribologie Mikro a nanotribologie materiály, výroba a pohon MEMS vypracoval: Tomáš Píza
Obsah - Co je to MEMS - Materiály pro MEMS - Výroba MEMS - Pohon MEMS
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,
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
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 2330 129-187 4000 Oxid křemičitý 2200 73 1000 Nitrid křemičitý 3300 304 1000 Nikl 8900 207 500 Hliník 2710 69 300 Oxid hlinitý 3970 393 2000 Karbid křemíku 3300 430 2000 Diamant 3510 1035 1000 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 0,43 92 0,30 0,10 23 0,06 0,54 25 0,11 0,75 99 0,50 0,228 130 0,303 0,208 295 0,28 0,31
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
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,
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)
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
Děkuji za pozornost