Tabla 5: Mecanizado de silicio. Reducción del espesor de la oblea, taladrado y corte del silicio.

Transcripción

1 Anexo C Anexo C: Micromecanizado por Introducción Conceptos básicos de la tecnología Tipos de Óptica concentradora Láser pulsados y continuos Aplicaciones de la tecnología de mecanizado Índice de tablas: Mecanizado de metales Mecanizado de polímeros Mecanizado de vidrio Corte de polimeros Transferencia de un patrón al silicio Transferencia de patrones a polímeros Estereolitografía Tabla 1: mecanizado realizados en metales Tabla 2: Mecanizados de polímeros realizados en el laboratorio mediante la utilización del software de control del proyecto fin de carrera en SU-8 utilizando la técnica BETTS Tabla 3: Técnicas de exposición de polímeros a luz para obtener un patrón de polimerización mediante interferencia y mediante transferencia de patrón Tabla 4: Cortes sobre diferentes tipos de polímeros Tabla 5: Mecanizado de silicio. Reducción del espesor de la oblea, taladrado y corte del silicio. Tabla 6: Generación de piezas mediante la técnica de estereolitografía Índice de figuras: Figura 1: fenómenos de absorción y emisión Figura 2: Fenómeno de inversión de población en es de 3 y 4 niveles Figura 3: Modelo de la cavidad resonante Figura 4: Densidad de potencia para diferentes modos TEM Figura 5: Concentración de luz en una lente biconvexa Figura 6: diámetro del spot y campo de profundidad Figura 7: Potencia de salida de un continuo y un pulsado Q-Switch Figura 8: Interacción luz-materia para un continuo, un pulsado de ns y un de ps. Figura 9: Efectos térmicos en el material para un de ns

2 Anexo C: Micromecanizado por Introducción La tecnología de mecanizado por es una tecnología que utiliza una fuente coherente de luz para el mecanizado de materiales que se encuentra ampliamente implantada en la industria hoy en día. Entre las grandes ventajas que ofrece esta técnica se encuentran la posibilidad de realizar una exposición controlada de la cantidad de energía sobre el material con una orientación determinada, la posibilidad de utilizar esta tecnología sobre un amplio rango de materiales utilizando para ello diferentes longitudes de onda, por no hablar de una alta resolución y precisión dentro de los procesos. Además de las propiedades que hemos definido antes resulta, por su carácter secuencial, que una de las aplicaciones más interesantes a nivel de investigación es lo que se conoce como el Rapid Prototyping y el Rapid Manufacturing, como exponentes de porque resulta una tecnología interesante también en labores de investigación y desarrollo, ya que permiten de una manera sencilla y, sobretodo, rápida obtener productos finales sin necesidad de desarrollar una cadena de producción específica para el producto. En este anexo vamos a realizar una breve introducción a la tecnología que permita facilitar la compresión del proyecto fin de carrera del cual forma parte. Conceptos básicos de la tecnología Un está formado por tres elementos, un medio de ganancia óptico, un método de bombeo para excitar el medio de ganancia óptico y un resonador que confina la luz y de la cual solo permite salir de la cavidad resonante una luz coherente. Anexo C: Micromecanizado por Página 2 de 12

3 Existen dos fenómenos en el medio de amplificación óptico en los que se basa el para su funcionamiento. Dichos fenómenos son la absorción y la emisión. En el primero de ellos un fotón que se introduce en un medio que posee dos estados de energía, habiendo electrones que puedan saltar del nivel inferior al superior y siendo la energía del fotón la diferencia entre los dos niveles energéticos, cada vez que un electrón suba del nivel inferior al superior y el fotón sea absorbido, es lo que se conoce como fenómeno de absorción. El fenómeno de emisión puede ocurrir de dos formas diferentes, la primera de ellas de manera espontánea y la segunda de manera estimulada. La primera no resulta interesante ya que no genera una luz coherente. La emisión estimulada ocurre cuando tenemos un electrón en el nivel superior de un medio de dos niveles energéticos y llega un fotón con la energía correspondiente a la diferencia entre los niveles de energía, entonces el electrón baja del nivel superior al inferior liberando un fotón que posee la misma orientación y energía que el que entra en la cavidad resonante. Figura 1: fenómenos de absorción y emisión El sistema de bombeo es una fuente de luz que se encarga de producir lo que se conoce como inversión de población, que se trata de que la mayoría de los electrones se encuentren en los niveles de energía superiores en vez de en los inferiores, para que se pueda producir posteriormente la emisión estimulada de luz coherente. En general, conseguir esta inversión de población con dos o tres niveles energéticos resulta imposible debido a que la población del nivel superior no sería capaz de mantenerse para sostener la emisión Anexo C: Micromecanizado por Página 3 de 12

4 estimulada, por lo que suelen usarse sistemas de al menos cuatro niveles energéticos. Dos de ellos, E 2 y E 4 que tienen una recombinación rápida de los electrones y uno de ellos, E 3, con la dinámica más lenta que serán los que produzcan la emisión. Figura 2: Fenómeno de inversión de población en es de 3 y 4 niveles La cavidad resonante está formada por un medio con una región activa donde se genera la ganancia óptica. En los extremos del medio se posicionan dos espejos, uno de ellos perfecto y el otro, por donde sale la emisión, con un índice de refracción algo inferior a la unidad. Figura 3: Modelo de la cavidad resonante La coherencia de la luz, lo cual implica una longitud de onda concreta, se relaciona con la longitud de la cavidad resonante. Para que la luz a una longitud de onda se sume de manera constructiva debe existir una relación entre la longitud de la cavidad y la longitud del medio que se expresa como: Anexo C: Micromecanizado por Página 4 de 12

5 2 L = nλ Por último, acabaremos mencionando que los haces de luz poseen unos patrones de densidad de potencia que puede ser gaussianos o rectangulares, como el caso del excimer. En el primer caso, que es el que a nosotros se nos presenta en el laboratorio de microsistemas, el modo transversal que utiliza el es el TEM 00, que posee una forma como se muestra en la figura 4. Tipos de Figura 4: Densidad de potencia para diferentes modos TEM Los tipos de se suelen catalogar en función del tipo de medio de amplificación óptica que poseen. Entre los diferentes tipos de medios tenemos: Láser de gas: se trata de un laser por el cual una corriente eléctrica atraviesa un gas para producir luz coherente. Estos son los primeros laseres continuos que se desarrollaron y los primeros que funcionaron a partir del principio de conversión de energía eléctrica a luz en la salida. El primero que se desarrolló fue el de He-Ne en el año También es muy usado el de CO2, que con una potencia de salida del orden de los KW que se usa a nivel industrial para el corte y fundición de materiales. Láser químico: se trata de un que obtiene la energía a través de una reacción química. Estos tipos de permiten obtener una salida de onda continua con una potenica de salida del orden de los MW. Se utilizan en la industria para el corte y el perforado. Láser de metal-vapor: son es donde el medio amplificador óptico es un metal en estado gaseoso o una mezcla de un metal en estado gaseoso con He o Ne. Utilizan como los es de gas una descarga eléctrica como mecanismo de bombeo. En general solo se suelen utilizar en ámbitos de investigación. Anexo C: Micromecanizado por Página 5 de 12

6 Láser de estado sólido: se trata de un donde el medio amplificador óptico posee un estado sólido, en vez de líquido o gaseoso. En general suelen ser cristales o materiales cristalinos que están dopados con materiales tales como el Nd, Cr, Er o tierras raras. Existen multitud de medios amplificadores ópticos dentro de esta familia, pero el principal es el de Nd:YAG (Neodymium-doped Yttrium Aluminium Garnet), del cual el grupo de microsistemas de la es poseedor de uno. Además este tipo de es posee un amplio rango de aplicaciones como son la medicina, fabricación, odontología, dinámica de fluidos, etc. Láser de semiconductor: esta última familia utiliza un semiconductor como medio amplificador óptico similar al utilizado en un diodo emisor de luz (LED). Estos es se suelen utilizar en aplicaciones de telecomunicaciones ya que se pueden usar y acoplar de una manera sencilla a las redes de fibra óptica para las comunicaciones. Óptica concentradora El tamaño del haz varía en función del dispositivo usado. Pero en general posee un orden de magnitud de milímetros que para su uso en micromecanizado resulta muy elevado. En general, se suele utilizar una etapa de concentración mediante lentes biconvexas que permiten la reducción del tamaño del spot en torno al foco de la óptica. Figura 5: Concentración de luz en una lente biconvexa El límite de divergencia máxima por difracción del haz se define como: Anexo C: Micromecanizado por Página 6 de 12

7 Θ D 2λ = πω 0 Mientras que el diámetro del spot se define como: d = Θf = 2 fλ = 1.27 πω fλ D donde D es el diámetro del haz de luz incidente. Además se tiene que para todos los es existe un parámetro de fabricación conocido como M 2 que es el número de veces la difracción límite, por lo que podemos expresar el ancho del spot concentrado y la profundidad de focalización como: d fλm 1.27 D 8 f λm πd 2 2 = DoF = 2 2 Figura 6: diámetro del spot y campo de profundidad Láser pulsados y continuos Dentro de los diferentes tipos de clases de podemos diferenciar entre los es continuos y los pulsados. En los primeros la potencia a la salida a la que se expone el material es igual durante todo el tiempo, mientras que en los segundos tiene una forma de pulso. Anexo C: Micromecanizado por Página 7 de 12

8 Figura 7: Potencia de salida de un continuo y un pulsado Q-Switch La principal diferencia entre estos tipos de es que los es pulsados tienen menos efectos térmicos que los es continuos ya que el tiempo de exposición es menor, llegando en algunos casos como los es de fentosegundos en los que los efectos técnicos son despreciables. También poseen un área afectada por el calor (HAZ) inferior a los continuos Figura 8: Interacción luz-materia para un continuo, un pulsado de ns y un de ps. En la figura 8 se puede observar como un continuo supone una mayor área afectada por el calor y una zona mayor de material que sería eliminado. En el caso de los es de nanosegundos la zona afectada por calor es inferior y la zona en la que se produce la ablación se encuentra localizada en el interior de la HAZ. Para el caso de es de pico o fento segundos podemos observar como los Anexo C: Micromecanizado por Página 8 de 12

9 efectos térmicos desaparecen y que no existe por lo tanto un HAZ. Además la zona de ablación en menor y con un perfil de eliminación de material más vertical. Figura 9: Efectos térmicos en el material para un de ns En la figura 9 podemos observar para el caso de un de nanosegundos la HAZ y como se produce una transferencia del calor que aparece en esta zona hasta el resto del material. Se puede observar como el resultado, sobretodo en la parte superficial será mucho peor que para casos donde el tiempo del pulso sea inferior. La ablación es la eliminación de un material de estado sólido a estado gaseoso o de fusión por la interacción del mismo a la luz. Este fenómeno nos permite realizar procesos sobre materiales como son el corte, el taladrado, la limpieza o la transferencia de un patrón al material. La relación entre material fundido y material evaporado dependerá del tiempo del pulso para el material y para el caso del del laboratorio que es del orden de 5 ns, el 50% del material eliminado por cada mecanismo de eliminación. Anexo C: Micromecanizado por Página 9 de 12

10 Diseño de una aplicación de control para el desarrollo de una herramienta de micromecanizado por Aplicaciones de la tecnología de mecanizado En este apartado se mostrarán una serie de imágenes de diferentes procesos de mecanizado por para ilustrar sobre las posibilidades que permite esta tecnología. Mecanizado de metales Tabla 1: mecanizado realizados en metales Mecanizado de polímeros Tabla 2: Mecanizados de polímeros realizados en el laboratorio mediante la utilización del software de control del proyecto fin de carrera en SU-8 utilizando la técnica BETTS Anexo C: Micromecanizado por Página 10 de 12

11 Exposición de polímeros Tabla 3: Técnicas de exposición de polímeros a luz para obtener un patrón de polimerización mediante interferencia y mediante transferencia de patrón Corte de polímeros Tabla 4: Cortes sobre diferentes tipos de polímeros Anexo C: Micromecanizado por Página 11 de 12

12 Diseño de una aplicación de control para el desarrollo de una herramienta de micromecanizado por Transferencia de un patrón al silicio Tabla 5: Mecanizado de silicio. Reducción del espesor de la oblea, taladrado y corte del silicio. Estereolitografía Tabla 6: Generación de piezas mediante la técnica de estereolitografía Anexo C: Micromecanizado por Página 12 de 12