Universitatea tehnică “Gheorghe Asachi” Iași

Facultatea de Electronică, Telecomunicaţii și Tehnologia Informaţie

Surse de radiaţie LASER folosite la MEMS-uri Caracteristici, lungimi de undă emise, construcţie, funcţionare, utilizări,

aplicaţii, utilizări aferente.

Grupa: 55RD

Student: Minea Raluca-Andreea

Îndrumător: Şef lucrări dr.ing. Daniela Ionescu

I. Introducere

De la descoperirea lor la începutul anilor 60, laserele au găsit o mulțime de

aplicații în procesarea industrială. Acest lucru se datorează anumitor

caracteristici ale acestora, cum ar fi puterea, direcționalitatea, coerența,

posibilitățile de focalizare și faptul că un fascicul laser este un flux de energie de

la sursă la țintă. cuvântul LASER (Light Amplification of Stimulated Emission

of Radiation) a fost acceptat de comunitatea ştiinţifică internaţională in anul

1965.

Pe de altă parte, domeniul microsistemelor și nanosistemele a cunoscut o

mare răspândire în ceea ce privește natura materialelor utilizate, pornind de la

silicele inițiale, SiO2 și Si3N4 la polimeri, ceramică și multe alte materiale.

Această mare varietate de materiale a impus utilizarea tehnologiilor care să

poată prelucra astfel de materiale, să fie prietenoase cu mediul și, dacă este

posibil, să fie aplicabile la o varietate de materiale cât mai mari posibil. Prin

depășirea de departe a altor tehnologii concurente (cum ar fi cele bazate pe

plasmă), laserele s-au dovedit a fi un instrument valoros pentru acest tip de

aplicații.

Utilizarea laserelor în domeniul MEMS este multiplă. Pornind de la

caracterizarea, testarea și trecerea la tehnologia și principiul de lucru al

microsistemelor și nanosistemelor, laserele găsesc aplicații în oricare dintre

aceste domenii. În ceea ce privește testarea MEMS, aplicațiile din acest domeniu

sunt enorme, începând cu Microscopia Forței Atomice (AFM), Microscopia

optică de câmp (NFOM), și continuând cu spectroscopia micro- și

nanostructurilor, măsurarea deplasării microsistemelor etc. Un domeniu special

care apare acum este cel al utilizării presiunii ușoare pentru testarea

proprietăților mecanice și optice ale microsistemelor. Studiul MEMS vizează

extinderea avantajelor la dispozitivele și sistemele care, deși încorporează în

general electronice, efectuează și funcții non-electronice. Un exemplu tipic ar fi

un senzor de presiune de siliciu micromascinat.

Aparate și sisteme Domenii de piață

Senzori de presiune și debit Industria auto

Accelerometre și giroscoape Industria aerospațială

Senzori chimici Apărare

Dispozitive de acționare liniare Tehnologia de informație

Micromotoare și microturbine Telecomunicații

Pompe și supape de fluid Biotehnologie

Sisteme de manipulare a fluidelor Industria farmaceutica

Sisteme de analiză microchimică Medicina

Scanarea dispozitivelor sonde Tehnologia proceselor și automatizare

Dispozitive micro-optice Măsurare și microscopie

Micro-relee și comutatoare Tehnologia mediului Tabelul 1

Tabelul 1 prezintă o secțiune transversală a dispozitivelor și sistemelor

aflate în prezent în curs de dezvoltare și a zonelor potențiale de piață ale

acestora.

Studiul MEMS până în prezent a fost dominat de siliciu. Siliconul este un

material atrăgător din cauza costului redus și a calității sale înalte, a

proprietăților electro-mecanice utile și a posibilității de integrare monolitică cu

electronica. Cu toate acestea, procesele de micro-prelucrare de siliciu, în timp ce

sunt în mod clar capabile să producă o gamă enormă de dispozitive utile MEMS,

au limitări. În primul rând, acestea se bazează pe o gamă foarte limitată de

materiale (în special siliciu, dioxid de siliciu, nitrură de siliciu și câteva metale),

în timp ce MEMS solicită, în general, o bază mult mai largă a materialelor,

inclusiv polimeri și materiale funcționale (de ex. magnetice, feroelectrice și

aliaje de memorie de formă). Acesta a fost unul dintre principalele motive ale

dezvoltării procesului LIGA (Lithographie, Galvanoformung, und Abformung),

care înseamnă litografie, electroplastie şi matriţare. Procesele de siliciu sunt de

asemenea puțin potrivite pentru realizarea structurilor 3D (tridimensionale).

Astfel de structuri se dovedesc esențiale pentru o gamă tot mai mare de

dispozitive MEMS, în special dispozitive de acționare.

II. Caracteristici

Fasciculele laser au mai multe proprietăți care le diferențiază de lumina

incoerentă produsă, de exemplu, de Soare sau de becul cu incandescență.

1) Coerenţa

Lumina vizibilă este emisă atunci când electronii excitați (electroni cu un

nivel mai ridicat de energie) au sărit în nivelul de energie inferior (starea de

bază). Procesul de electroni care se deplasează de la un nivel de energie mai

mare la un nivel de energie mai scăzut sau un nivel mai scăzut de energie la un

nivel mai ridicat de energie se numește tranziție electronică.

În sursele obișnuite de lumină (lampă, lampă de sodiu și lumină torță),

tranziția electronică are loc în mod natural. Cu alte cuvinte, tranziția electronică

în sursele luminoase obișnuite este aleatoare în timp. Fotonii emiși din surse

luminoase obișnuite au diferite energii, frecvențe, lungimi de undă sau culori.

Prin urmare, undele luminoase ale surselor obișnuite de lumină au multe lungimi

de undă.

Figura 1

În laser, tranziția electronică are loc artificial. Cu alte cuvinte, în laser,

tranziția electronică are loc în anumite momente. Toți fotonii emiși în laser au

aceeași energie, frecvență sau lungime de undă. Prin urmare, undele luminoase

ale lămpii laser au o singură lungime de undă sau culoare. Lungimile de undă

ale lămpii laser sunt în fază în spațiu și timp. În laser, o tehnică numită emisie

stimulată este folosită pentru producerea luminii.

2) Intensitate

În funcție de tipul de laser și de aplicația pentru care a fost construit,

puterea transportată de fascicul poate fi foarte diferită. Astfel, dacă puterea

diodelor laser folosite pentru citirea discurilor compacte este de ordinul a numai

5 mW, dispozitivele laser cu CO2 folosite în aplicații industriale de tăiere a

metalelor pot avea în mod curent între 100 W și 6000 W. În mod experimental

sau pentru aplicații speciale unele dispozitive ajung la puteri mult mai mari; cea

mai mare putere raportată a fost în 1996 de 1,25 PW (petawatt, 1015 W).

În laser, lumina se răspândește în regiuni mici de spațiu și într-o gamă

mică de lungimi de undă. Prin urmare, lumina laser are o intensitate mai mare în

comparație cu lumina obișnuită.

3) Monocromaticitate

Majoritatea emițătorilor laser au un spectru de emisie foarte îngust, ca

urmare a modului lor de funcționare, în care numărul mic de fotoni inițiali este

multiplicat prin „copiere” exactă, producând un număr mare de fotoni identici.

În anumite cazuri spectrul este atât de îngust (lungimea de undă este atât de bine

determinată) încât fasciculul își păstrează relația de fază pe distanțe foarte mari.

Aceasta permite folosirea dispozitivelor laser în metrologie, pentru măsurarea

distanțelor cu o precizie extrem de bună, prin interferometrie. Aceeași calitate

permite folosirea acestor emițători în holografie.

Lumină monocromatică înseamnă o lumină care conține o singură culoare

sau lungime de undă.

În laser, toți fotonii emiși au aceeași energie, frecvență sau lungime de

undă. Prin urmare, undele luminoase ale laserului au o singură lungime de undă

sau culoare și acoperă o gamă foarte limitată de frecvențe sau lungimi de undă.

4) Directivitate

În timp ce lumina unei surse obișnuite (bec cu incandescență,

tub fluorescent, lumina de la Soare) cu greu poate fi transformată într-un

fascicul paralel cu ajutorul unor sisteme optice de colimare, lumina laser este în

general emisă de la bun început sub forma unui fascicul paralel. Aceasta se

explică prin acțiunea cavității optice rezonante de a selecta fotonii care se

propagă paralel cu axa cavității.

În sursele convenționale de lumină (lampă, lampă de sodiu și lanternă),

fotonii vor călători în direcție aleatorie. Prin urmare, aceste surse de lumină emit

lumină în toate direcțiile. În laser, toți fotonii vor călători în aceeași direcție.

Aceasta se numește direcționalitatea luminii laser. Lățimea unui fascicul laser

este extrem de îngustă. Un fascicul laser poate călători la distanțe lungi fără a se

răspândi.

Figura 2

Dacă o lumină obișnuită călătorește la o distanță de 2 km, se răspândește la

aproximativ 2 km în diametru. Pe de altă parte, dacă o lumină laser se

deplasează la o distanță de 2 km, se extinde la un diametru mai mic de 2 cm.

III. Lungimi de undă emise

Lungimile de undă primare ale radiației laser pentru aplicațiile militare și

comerciale actuale includ regiunile ultra-violete, vizibile și în infraroșu ale

spectrului. Radiația ultravioletă pentru lasere constă în lungimi de undă cuprinse

între 180 și 400 nm. Regiunea vizibilă constă în radiații cu lungimi de undă

cuprinse între 400 și 700 nm. Aceasta este porțiunea numită lumină vizibilă.

Regiunea infraroșie a spectrului constă în radiații cu lungimi de undă cuprinse

între 700 nm și 1 mm. Radiația laser absorbită de piele penetrează numai câteva

straturi. În ochi, radiațiile vizibile și apropiate de infraroșu trec prin cornee și

sunt focalizate și absorbite de retină. Lungimea de undă a luminii determină

senzația vizibilă de culoare: violet la 400 nm, roșu la 700 nm și celelalte culori

ale spectrului vizibil între ele. Când radiația este absorbită, efectul asupra

țesutului biologic absorbant este fie fotochimic, termic sau mecanic: în regiunea

ultravioletă, acțiunea este în principal fotochimică; în regiunea infraroșie,

acțiunea este în principal termică; și în regiunea vizibilă, ambele efecte sunt

prezente. Atunci când intensitatea radiației este suficient de mare, va rezulta

deteriorarea țesutului absorbant

Dioda laser este o diodă cu emisie luminată cu o cavitate optică pentru a

amplifica lumina emisă de decalajul de bandă de energie care există în

semiconductori. Ele pot fi reglate prin variația curentului, temperaturii sau

câmpului magnetic aplicat.

Figura 3

Laserele cu gaz sunt alcătuite dintr-un tub umplut cu gaz, plasat în cavitatea

laserului, așa cum se arată în figura 4. O tensiune (sursa externă de pompă) este

aplicată tubului pentru a excita atomii din gaz la o inversiune a populației.

Lumina emisă de acest tip de laser este în mod normal undă continuă (CW).

Trebuie avut în vedere faptul că dacă ferestrele cu unghi de fabricație sunt

atașate la tubul de evacuare a gazului, unele radiații laser pot fi reflectate pe

partea laterală a cavității laser.

Figura 4

Laserele electronice libere, cum ar fi cele din figura 5, au capacitatea de a

genera lungimi de undă de la cuptorul cu microunde până la regiunea cu raze X.

Acestea funcționează prin faptul că au un fascicul de electroni într-o cavitate

optică care trece printr-un câmp magnetic de tip wiggler. Schimbarea direcției

exercitate de câmpul magnetic asupra electronilor îi determină să emită fotoni.

Figura 5

Tabelul 2 ilustrează diferitele tipuri de materiale utilizate în prezent pentru

laser și lungimile de undă emise de acest tip de laser. Anumite materiale și gaze

sunt capabile să emită mai mult de o lungime de undă. Lungimea de undă a

luminii emise în acest caz depinde de configurația optică a laserului.

Tipuri de lasere Lungimea de

undă(Nanometrii)

Fluorură de argon 193

Clorură de xenon 308 - 459

Fluorură de xenon 353 - 459

Heliu-Cadmiu 325 - 442

Rhodamine 6G 450 - 650

Vapor de cupru 511 - 578

Argon 457 - 528

Frecvență dublată

Neodim:YAG 532

Heliu-Neon 543, 594, 612, 632.8

Kripton 337.5 - 799.3

Rubin 694.3

Diode laser 630 - 950

Ti:Safir 690 - 960

Alexandrit 720 - 780

Nd:YAG* 1064

Fluorură de hidrogen 2600 - 3000

Erbiu:Sticlă 1540

Monoxid de carbon 5000 - 6000

Dioxid de carbon 10600

Tabel 2

*Nd: YAG - un granat de ytriu din aluminiu dopat cu neodim

IV. Construcție

Procedeul de micșorare prin laser - gravarea directă a solidelor prin radiații

laser pulsate - se bazează pe procesul de ablație. Interacțiunile Laser-solid în

timpul ablației sunt complexe și depind atât de material, cât și de parametrii

laserului (în principal lungimea de undă, durata pulsului și intensitatea). Orice

solid poate fi prelucrat cu laser în condițiile corecte și s-au stabilit procese

pentru o gamă extrem de largă de materiale. Laserele Excimer ArF (193 nm) și

KrF (248 nm) au fost utilizate pentru majoritatea lucrărilor de prelucrare laser cu

laser MEMS până în prezent. Datorită lungimii lor scurte de undă, aceste lasere

oferă o rezoluție ridicată a imaginii, în ciuda lățimii lor relativ largi. Mai mult,

absorbția puternică la lungimi de undă UV conduce la o viteză scăzută de

îndepărtare a materialelor pentru majoritatea dintre acestea, de obicei între 0,1 și

1 mm pe puls; acest lucru permite un control precis pur și simplu prin numărarea

impulsurilor. Aceste atribute fac lasere Excimer în general mai potrivite pentru

aplicațiile MEMS decât laserele cu lungime de undă mai lungă, în care

caracteristicile minime sub 10 mm și toleranțele sub 1 mm sunt obișnuite.

O dimensiune tipică a câmpului la piesa de prelucrat ar putea fi de 5x5mm2, în

funcție de material și de energia laserului. Structurile din această zonă sunt

procesate în paralel, permițând o expunere în fiecare etapă litografică; zonele

mai mari pot fi procesate și cu modele care nu se repetă prin mișcarea

sincronizată a măștii și piesei de prelucrat. În contrast, laserele Nd: YAG cu

frecvență triplă sau cvadruplică au în mod obișnuit o energie pulsată mai mică,

cu o calitate a fasciculului mult mai mare, și astfel au tendința de a funcționa în

modul serial de scanare.

Figura 6

Instrumentele pentru prelucrarea cu laser sunt acum foarte dezvoltate. Figura

6, de exemplu, prezintă elementele cheie ale unei stații de lucru tipice cu laser de

excimer (ex. Exitech 7000 Series). Înainte de a ajunge la mască, fasciculul laser

trece printr-o serie de elemente, incluzând un obturator, un atenuator variabil, un

formator de grindă și un omogenizator. Formatorul de grinzi transformă pur și

simplu secțiunea transversală a fasciculului, făcându-l aproximativ pătrat.

Omogenizatorul împarte apoi fasciculul într-un număr mare de surse, fiecare

dintre acestea luminează masca dintr-o direcție diferită (Figura 6b). Acest lucru

îmbunătățește uniformitatea iluminării la nivelul măștii (esențială datorită

calității slabe a fasciculului laser brut) și introduce, de asemenea, componentele

în afara axei în iluminare.

V. Funcționare

O alternativă la fabricarea directă prin microprocesarea cu laser este

adoptarea unei abordări bazate pe LIGA, unde laserul este utilizat pentru a defini

un master de polimer pentru replicarea ulterioară în metal, plastic sau ceramică.

În procesul inițial (figura 7a), polimerul principal se formează pe un substrat

conductiv prin litografia cu raze X utilizând radiația sincrotronică. Lungimea de

undă scurtă a luminii sincrotronice permite structuri profunde cu rapoarte de

înaltă precizie și de aspect extrem. Masterul de polimer este replicat printr-o

etapă de galvanizare în care cavitățile sunt umplute din fund cu metal, de obicei

nichel. Prin continuarea galvanizării până când o grosime de placă de susținere a

crescut pe întreaga suprafață, se poate realiza o sculă de turnare prin injecție sau

de relief. Replicarea în masă este esențială pentru viabilitatea economică a

acestui proces deoarece litografia cu raze X este foarte costisitoare; permite, de

asemenea, o gamă largă de materiale.

Costul ridicat al LIGA cu raze X a dus la investigarea unor metode mai

ieftine, de rezoluție inferioară pentru producerea de masterat. Acestea includ

litografia optică (așa-numitele UV-LIGA), gravarea cu plasmă și micromasarea

cu laser (Laser-LIGA). Primul proces laser-LIGA complet a fost raportat în

1995.

Figura 7

Laser-LIGA poate produce artefacte de înaltă calitate în materiale care nu

sunt foarte potrivite pentru microprelucrarea laser direct. De asemenea, permite

producția de masterat cu profiluri 3D complexe. Replicarea masteratelor 3D este

în mod obișnuit realizată prin depunerea unui strat subțire de metal, urmată de

galvanizare (Figura 7b). Utilizarea laser-LIGA nu a fost larg răspândită până

acum.

Laserul gravat asistat

Laserul de gravare chimică (LCE) se bazează pe intensificarea locală a

unei reacții chimice de gravare cu laser. Această operație se poate datora

activării termice a reacției prin încălzirea substratului. De exemplu, gravarea

asistată de laser a siliciului cu clor este bine cunoscută. Dezvoltat inițial în anii

1980, această tehnică a fost utilizată în fabricarea diferitelor dispozitive MEMS.

Ca o tehnică pur și simplu pentru producerea de structuri profunde în siliciu,

LCE a fost depășită în ultimii ani prin gravarea ionilor cu reacție profundă;

totuși, aceasta rămâne relevantă pentru aplicații cum ar fi prototiparea 3D și

prelucrarea substraturilor structurate anterior. Alte procese LCE în fază gazoasă

și lichidă au fost de asemenea exploatate pentru fabricarea MEMS. De exemplu,

coroziunea cu hidroxid de potasiu KOH a fost utilizată pentru a produce

structuri hidrodinamice pentru utilizarea în microprelucrarea rotativă.

Aplicarea prin laser

Cele mai cunoscute procedee de depunere asistate de laser sunt

pulverizarea ablativă și LCVD (depunerea chimică cu vapori chimici). În

pulverizarea ablativă (denumită și depunere laser pulsată sau PLD), materialul

este ablat de la o țintă solidă în vid parțial și este re-depus pe piesa de prelucrat.

La fel ca pulverizarea convențională și spre deosebire de cele mai multe procese

laser, PLD este neselectivă, ceea ce înseamnă că piesa este acoperită peste tot.

Tehnica este utilă în special pentru depozitarea materialelor cu punct de topire și

a materialelor multi-element care sunt dificil de depozitat prin alte căi. În

contextul MEMS, acesta a fost utilizat în principal pentru a depune filme PZT

(zirconat-titanat de plumb) pentru actuatoare piezoelectrice și aliaje de memorie

sub formă de film subțire.

În LCVD, radiația laser facilitează o reacție în fază gazoasă care are ca

rezultat depunerea materialului. De exemplu, metalele pot fi depozitate prin

disocierea indusă de laser a precursorilor organici metalici, în timp ce reacțiile

mai complexe pot fi utilizate pentru depunerea compușilor cum ar fi oxizii și

nitrurile. LCVD a fost utilizat în principal pentru a depozita filme subțiri, deși a

produs, de asemenea, niște structuri 3D impresionante în picioare. La fel ca și

gravura asistată de laser, LCVD este localizată în regiunea iluminată, permițând

ca trăsăturile de conducere să fie definite pe substraturi plane prin litografie

directă. Cu toate acestea, utilitatea sa reală pentru MEMS constă în capacitatea

sa de a depune material selectiv pe suprafețe neplanare. După aplicarea stratului

protector de nichel prin acoperirea electrolitică, a fost utilizat un procedeu

LCVD (utilizând același laser cu excimer KrF) pentru a depune o mască Cr care

definește plăcuțele de contact în interiorul sloturilor și pentru a conecta șinele

de-a lungul laturilor tubului. În cele din urmă, nichelul expus a fost îndepărtat

prin gravarea umedă.

Stereolitografia

Stereolitografia pentru MEMS a fost raportată pentru prima dată în 1993.

Această tehnică, care se bazează pe solidificarea cu UV a unui fotopolimer

lichid, permite construirea unor structuri 3D complexe pe bază de strat-cu-strat.

Procesul original a fost bazat pe metoda "suprafeței constrânse", unde

fotopolimerul este expus printr-o placă transparentă, așa cum se arată în figura

8a. În fiecare etapă a procesului, fasciculul concentrat dintr-o sursă de lumină

UV (de exemplu un laser HeCd) este utilizat pentru a întări selectiv polimerul

imediat sub placă; placa este apoi ridicată, introducând un nou strat de polimer

neexpus. Acest proces se repetă până când se obține structura dorită. Sunt

posibile și alte strategii de expunere, cum ar fi abordarea "suprafață liberă"

prezentată în figura 8b.

Figura 8

Microstereolitografia oferă o capacitate 3D excepțională și poate realiza

rezoluții de până la câteva microni, făcându-o deosebit de relevantă pentru

dispozitivele de acționare și dispozitivele fluidice. De asemenea, poate produce

structuri integrate atât cu piesele fixe cât și cu cele libere. Ca proces de fabricare

directă, este destul de lent, deși o capacitate mai mare poate fi realizată prin

utilizarea mai multor grinzi sau prin proiecția tiparului. O altă abordare

interesantă este combinarea stereolitografiei cu alte metode de structurare mai

rapidă a polimerilor, cum ar fi litografia UV.

Montajul monolitic

Un număr de procese de montaj monolitic au fost demonstrate până în

prezent. În special, s-au dezvoltat metode pentru rotirea structurilor în afara

planului în care rotația este antrenată fie de acționări electrostatice, fie de forțele

de tensiune de suprafață generate în plăcuțele topite. Astfel de procese permit

reconfigurarea substanțială a părților, extindând în mod semnificativ gama de

structuri care pot fi realizate prin prelucrare plană. Au fost raportate și alte

procese care permit reconfigurarea minoră a pieselor. Acestea includ procese de

asamblare termică în care încălzirea rezistivă este utilizată pentru separarea,

sudarea sau deformarea pieselor micromașate. Un proces laser care ar putea avea

un impact semnificativ în această zonă este microbondarea cu laser. Acest

proces se bazează pe faptul că încălzirea asimetrică a unei structuri metalice prin

expunerea la laser generează solicitări termice care, dacă sunt suficient de mari,

produc deformări plastice.

Ansamblu hibrid

Pentru asamblarea hibridă, sunt necesare metode pentru transferul pieselor

de la un substrat la altul. În general, aceasta implică eliberarea pieselor de pe o

placă de sursă, transportul acestora în locurile specifice pe o placă țintă și fixarea

acestora pe poziție. Scopul este de a găsi procese care să poată efectua simultan

aceste operații pe mai multe părți. Utilizarea cu laser a microparticulelor

utilizând capcane optice a fost investigată ca un mecanism de transport pentru

asamblarea hibridă. Această tehnică elegantă, care se bazează pe presiunea

radiațiilor, se poate aplica, în principiu, atât pieselor dielectrice, cât și pieselor

metalice. În figura 9, componentele fabricate pe un purtător transparent sunt

eliberate și transferate către o placă țintă adiacentă prin ablația cu excimer cu

laser a unui strat de sacrificare a polimerului, utilizând lumină care intervine

prin purtător. Procesul prezentat este unul paralel; cu toate acestea, transferul

secvențial al componentelor individuale sau grupurilor de componente poate fi

realizat, de asemenea, prin expunere mascată. Folosind procesul paralel,

reuniunile micromotoarelor electrostatice au fost asamblate din părți fabricate pe

substraturi separate de către UV-LIGA.

Figura 9

VI. Aplicații

Microprelucrarea laser pentru fabricarea directă a MEMS

Microprelucrarea cu laser excimer a fost folosită pe scară largă în

fabricarea de capete de imprimare cu jet de cerneală, care sunt printre cele mai

de succes produse legate de MEMS până în prezent. În această aplicație,

microprelucrarea cu laser a permis o distanțare redusă a duzelor (și, prin urmare,

o rezoluție mai mare a imprimării), un control mai bun asupra formei duzei și un

randament îmbunătățit comparativ cu forarea mecanică sau electroformarea.

Caracteristicile excelente de prelucrare a polimerului și capacitățile 3D ale

procesării cu laser sunt, de asemenea, foarte relevante pentru alte dispozitive

fluidice. Elementele cheie ale sistemelor microfluidice, cum ar fi canalele,

filtrele, mixerele și reactoarele, necesită structurarea 3D (sau cel puțin 2.5D).

Mai mult, polimerii sunt mai potriviți decât materiale pe bază de siliciu în multe

cazuri. De exemplu, transportul se bazează adesea pe electroforeză (mai degrabă

decât pe presiune hidrostatică), care necesită un canal dielectric. Procesarea cu

laser poate fi de asemenea utilizată pentru modelarea electrozilor subțiri de film

subțire, permițând o abordare unificată de fabricație. Un exemplu deosebit de

bun al potențialului de prelucrare cu laser pentru bio-MEMS a fost construirea

unor structuri metalice/polimere pe mai multe niveluri pe substraturi de sticlă, cu

un laser de excimer KrF folosit pentru a modela fiecare strat.

Îmbinarea cu laser

Procesele de îmbinare cu laser, în special sudarea și lipirea, sunt bine stabilite

în industrie, cu aplicații atât în domeniul ingineriei grele, cât și al celor ușoare.

La sfârșitul luminii, disponibilitatea diodelor laser cu infraroșu de mare putere

face ca lipirea cu laser să devină din ce în ce mai atrăgătoare pentru fabricarea

de electronice. În special, abilitatea de a depozita căldură local, curată și cu o

mare precizie este deosebit de utilă pentru reprelucrarea și lipirea componentelor

mici. Bugetul termic redus și timpul scurt de proces sunt, de asemenea, utile

atunci când se îmbină piesele sensibile la temperatură. Cu aceste atribute, lipirea

prin laser este probabil să fie o tehnică importantă pentru asamblarea și

ambalarea MEMS în viitor. Sudarea cu laser a fost utilizată într-o gamă largă de

aplicații de asamblare de precizie. Procesele de microprocesare cu laser se

bazează în mod obișnuit pe lasere cu impulsuri mai lungi (ms) Nd: YAG, deși

pot fi utilizate și alte lasere IR. O aplicație promițătoare în zona MEMS este

sudarea in plastic. În acest proces, se produce o sudură la interfața dintre doi

polimeri, una transparentă la radiație, cealaltă la absorbție. Lumina este

incidentă pe interfață din partea transparentă.

VII. Utilizări aferente

În acest caz, laserele nu sunt folosite la prelucrarea substratului pentru a face

diferite tipuri de MEMS, ci la excitarea și caracterizarea acestor structuri. În

ceea ce privește caracterizarea, există mai multe tehnici: deflecția fasciculului,

interferometria laser, heterodiena laser optică, vibrometria cu laser Doppler.

Deformarea fasciculului este utilizată atunci când MEMS are o mișcare de

rotație când un anumit stimul este aplicat pe acesta. Prin măsurarea deflexiei

unghiulare se poate determina unghiul de rotație și, prin urmare, răspunsul

MEMS la stimul poate fi estimat. O aplicație importantă a acestei tehnici este

microscopia Forței Atomice, unde consola care sesizează topografia de suprafață

este deflectată sau torsionată în funcție de ceea ce se întâlnește la suprafață.

Deformarea este măsurată de un fascicul laser care se află în partea de sus a

acesteia, care se reflectă într-o matrice fotodetector. Interferometria cu laser este

folosită în principal pentru determinarea mișcării de translație. Acest lucru este

util în cazul micro-podurilor sau micro-membranelor, atunci când tipul principal

de mișcare este traducerea MEMS. Din nou, în acest fel se estimează modul în

care MEMS răspunde unui stimul. Acesta poate fi folosit pentru studierea

răspunsului la starea de echilibru, precum și a răspunsului dinamic al MEMS.

Heterodyna optică laser, precum și vibrometria cu laser Doppler sunt utilizate

pentru măsurarea răspunsului dinamic al MEMS, pentru a determina

amplitudinea mișcării, frecvența oscilantă, intervalul de fază dintre stimul și

răspunsul MEMS, viteza instantanee. În ceea ce privește excitația MEMS,

presiunea luminii bazată pe momente este factorul utilizat pentru excitarea

structurii. De exemplu, presiunea ușoară a unui impuls de lumină ultra-scurt este

utilizată pentru a excita vibrația mecanică a unei micro-membrane circulare.

Pulsul de lumină este suficient de scurt în comparație cu timpul de răspuns al

micro-membranei, astfel încât acesta poate fi considerat un puls Dirac ideal. Un

astfel de impuls este aplicat și vibrația micro-membranei este citită optic sau

electric, în funcție de dorința experimentatorului.

Avantajele utilizării fasciculelor de lumină pentru a atrage mecanic MEMS

sunt:

- este o tehnică fără contact;

- este simplu și nu necesită electrozi sau alte elemente care ar putea complica

tehnologia;

- impulsurile scurte pot fi asimilate impulsurilor Dirac ideale;

- un număr mare de moduri de excitație sunt disponibile;

- intensitatea luminii poate fi controlată cu precizie, astfel încât să se obțină

efectul necesar.