La microfabricación tridimensional (3D) se refiere a técnicas de fabricación que implican la superposición de materiales para producir una estructura tridimensional a escala microscópica. [1] Estas estructuras suelen estar en la escala de micrómetros y son populares en microelectrónica y sistemas microelectromecánicos .
Al igual que su análogo macroscópico, las microestructuras se pueden producir utilizando métodos de creación rápida de prototipos. Estas técnicas generalmente implican la aplicación de capas de resina, cada una de las cuales es mucho más delgada que la utilizada en los procesos convencionales para producir componentes microscópicos de mayor resolución. Las capas en procesos como la fabricación electroquímica pueden ser tan delgadas como de 5 a 10 μm. [2] La creación de estructuras microscópicas es similar a las técnicas de fabricación aditiva convencionales en el sentido de que un modelo de diseño asistido por computadora se corta en un número apropiado de capas bidimensionales para crear una trayectoria de herramienta. Luego, esta trayectoria de herramienta es seguida por un sistema mecánico para producir la geometría deseada.
Una aplicación popular es la estereolitografía (SLA), que implica el uso de una luz ultravioleta o un rayo láser sobre una superficie para crear una capa, que luego se baja a un tanque para que se pueda formar una nueva capa encima. Otro método comúnmente utilizado es el modelado por deposición fundida (FDM), en el que un cabezal móvil crea una capa fundiendo el material del modelo (generalmente un polímero) y extruye el material fundido sobre una superficie. Otros métodos, como la sinterización selectiva por láser (SLS), también se utilizan en la fabricación aditiva de microestructuras 3D. [1]
Las técnicas basadas en láser son el enfoque más común para producir microestructuras. Las técnicas típicas implican el uso de láseres para agregar o quitar material de una muestra a granel. Las aplicaciones recientes de láseres implican el uso de pulsos ultracortos de láseres enfocados en un área pequeña para crear un patrón que se superpone para crear una estructura. El uso de láseres de esta manera se conoce como escritura láser directa (DLW) o litografía multifotónica . Los elementos mecánicos microscópicos como micromotores, microbombas y otros dispositivos microfluídicos se pueden producir utilizando conceptos de escritura directa. Además de los procesos aditivos y sustractivos, la DLW permite la modificación de las propiedades de un material. Los mecanismos que permiten estas modificaciones incluyen sinterización, microstereolitografía y procesos multifotónicos. Estos utilizan láseres de femtosegundos pulsados para administrar una dosis precisa para inducir la absorción de energía, lo que lleva a un estado excitado que puede resultar en el recocido y la estructuración de la superficie de un material. [3] Los cambios específicos causados por la irradiación dependen de parámetros como la energía del pulso, la duración del pulso o la frecuencia de repetición del pulso.
La microestereolitografía es una técnica común basada en los principios de la estereolitografía. Los componentes 3D se fabrican mediante la aplicación repetida de capas de resina fotopolimerizable y su curado bajo un láser ultravioleta. Los sistemas anteriores que empleaban esta técnica utilizaban un principio de escaneo en el que un haz de luz enfocado se fija en una ubicación y la etapa de traslación se mueve para fabricar cada capa vector por vector. Una alternativa más rápida implica el uso de un principio de proyección en el que la imagen se proyecta sobre la superficie de la resina de modo que la irradiación de una capa se realiza en un solo paso. Los resultados de alta resolución permiten la fabricación de formas complejas que de otro modo serían difíciles de producir a escalas tan pequeñas. [1]
La litografía multifotón , por ejemplo, la polimerización de dos fotones (2PP), se puede utilizar para imprimir estructuras en 3D con una resolución submicrométrica. El proceso utiliza el punto focal de un láser para fotopolimerizar la resina o el vidrio en un punto específico. Para lograr altas corrientes de fotones en el rango de 10 31 fotones s -1 cm -2 se utilizan láseres de femtosegundos con anchos de pulso de 100 fs. [4] En 2PP, dos fotones se encuentran en el punto focal, duplicando la energía de excitación del láser y curando un vóxel de resina 2PP mientras tiene un efecto mínimo en el material alrededor del vóxel/punto focal. Al mover el punto focal en el espacio tridimensional y solidificar el medio en diferentes puntos, la geometría 3D deseada se puede fabricar de forma aditiva con un tamaño de característica de hasta 100-160 nm a partir de 2023. [5] Los límites de la fabricación de 2PP dependen del equipo utilizado (servo, espejos y resolución láser) y la lente seleccionada (enfoque láser), así como del material (perfil de absorción UV y reactividad). [3] Recientemente, una lista de materiales impresos 2PP se ha expandido activamente e incluye polímeros duros y flexibles, vidrio, elastómeros blandos, lo que permite la microfabricación de varios MEMS y microbóticos blandos. [6]
Los procesos aditivos implican la superposición de materiales en un patrón determinado. Entre ellos se encuentra la deposición química en fase de vapor por láser (LCVD), que utiliza precursores orgánicos para escribir patrones en una estructura o material a granel. Esta aplicación se puede encontrar en el campo de la electrónica, en particular en la reparación de matrices de transistores para pantallas. Otro proceso aditivo es la transferencia directa inducida por láser (LIFT), que utiliza láseres pulsados dirigidos a un sustrato recubierto para transferir material en la dirección del flujo láser. [1] La LIFT se ha utilizado para producir materiales termoeléctricos de transferencia, polímeros [7] y se ha utilizado para imprimir cables de cobre. [8]
En la actualidad, nos centramos en las microestructuras 3D, que se han aplicado a muchos microsistemas, como los sistemas electrónicos, mecánicos, microópticos y de análisis. Y cuando esta tecnología se desarrolló, descubrimos que las tecnologías de micromecanizado tradicionales y convencionales, como el micromecanizado de superficies, el micromecanizado en masa y el proceso GIGA, no son suficientes para fabricar o producir microestructuras 3D oblicuas y curvas. [9]
La configuración básica de la exposición UV inclinada consta de una fuente UV convencional, una platina de contacto y una platina de inclinación. Además, colocamos una fotomáscara y un sustrato recubierto de fotorresistencia entre las placas superior e inferior de la platina de contacto, y se fija empujando hacia arriba la placa inferior con un tornillo. Luego, podemos exponer la fotorresistencia a la luz UV inclinada.
Un ejemplo del proceso de fabricación: SU-8 es una fotorresistencia gruesa negativa, que se utiliza en un nuevo método de microfabricación 3D con litografía UV inclinada/rotada. Durante el proceso, recubrimos SU-8 50 sobre una oblea de silicio con un espesor de aproximadamente 100 μm. Luego, horneamos suavemente la resistencia en una placa caliente a 65 °C durante 10 minutos y en una placa a 95 °C durante 30 minutos. Se pone en contacto con una fotomáscara utilizando la plataforma de contacto. Esta plataforma, se apoya contra la plataforma de inclinación y la resistencia se expone a la radiación UV. La dosis de radiación UV de 365 nm es de 500 mJ/cm2 . Después de la exposición, la resistencia se hornea después de la exposición en una placa caliente a 65 °C durante 3 minutos y en una placa a 95 °C durante 10 minutos. Finalmente, la resina se revela en el SU-8 durante unos 10 a 15 minutos a temperatura ambiente con agitación suave y luego se enjuaga con alcohol isopropílico. Además de eso, puede haber muchos otros procedimientos. Por ejemplo, litografía UV inclinada, litografía UV inclinada y rotada y litografía con UV reflejado.
Cuando el rastro de la radiación UV incidente con un ángulo recto se encuentra en una línea recta, los patrones de una fotomáscara se transcriben a la resistencia. Cuando hablamos de procesos de exposición a la radiación UV inclinada, la radiación UV se refracta y se refleja, lo que permite fabricar diversas estructuras 3D. Las microestructuras fabricadas mediante la tecnología de microfabricación 3D se pueden aliar a una gran cantidad de microsistemas directamente. Además, se pueden utilizar como moldes para la galvanoplastia. Como resultado, esta tecnología se puede aplicar a una variedad de campos como filtros, mezcladores, chorros, microcanales, paneles de guía de luz de monitores LCD y más.
El diseño de microestructuras 3D complejas puede ser una tarea muy complicada para el desarrollo de nuevos materiales para la óptica, la biotecnología y la micro/nanoelectrónica. Los materiales 3D se pueden fabricar utilizando muchos métodos, como la fotolitografía de dos fotones, la litografía de interferencia y el moldeado. Pero la estructuración 3D utilizando estas técnicas es muy complicada, experimentalmente. Esto puede limitar su escalabilidad y su amplia aplicabilidad.
La naturaleza ofrece una gran cantidad de ideas para el diseño de nuevos materiales con propiedades superiores. El autoensamblaje y la autoorganización, que son los principios básicos de la formación de estructuras en la naturaleza, despiertan un interés considerable como conceptos prometedores para el diseño de materiales inteligentes.
Los hidrogeles sensibles a estímulos imitan el comportamiento de hinchamiento/contracción de las células vegetales y producen una actuación macroscópica en respuesta a una pequeña variación de las condiciones ambientales. En la mayoría de los casos, la expansión o contracción homogénea en todas las direcciones puede dar lugar a un cambio de condiciones. Además, la expansión y contracción no homogéneas pueden dar lugar a un comportamiento más complejo, como flexión, torsión y plegado, y pueden ocurrir con diferentes magnitudes en diferentes direcciones. La utilización de estos fenómenos para el diseño de materiales estructurados puede ser muy atractiva porque permiten la fabricación sencilla y sin plantillas de patrones repetitivos 2D y 3D muy complejos. Sin embargo, no se pueden preparar utilizando métodos de fabricación sofisticados como la fotolitografía de dos fotones y de interferencia, como se mencionó anteriormente. Existe una ventaja del enfoque de autoplegado: la posibilidad de una fabricación rápida, reversible y reproducible de objetos huecos 3D con propiedades químicas controladas y morfología tanto del exterior como del interior.
Una aplicación experimental de los materiales autoplegables es la pasta, que se envía plana pero se pliega en la forma deseada al entrar en contacto con agua hirviendo. [10]
Un factor que limita la amplia aplicabilidad de las películas de polímeros autoplegables es el costo de fabricación. En realidad, el polímero se puede depositar mediante centrifugación y recubrimiento por inmersión en condiciones ambientales; la fabricación de películas de polímeros autoplegables es sustancialmente más barata que la fabricación de películas inorgánicas, que se producen mediante deposición al vacío. En otras palabras, no existe ningún método que sea barato y la producción a gran escala de películas de polímeros autoplegables limite sustancialmente su aplicación.
Para resolver estos problemas, la investigación futura debe centrarse en una investigación más profunda del plegado para permitir el diseño de estructuras tridimensionales complejas utilizando únicamente formas bidimensionales. Por otra parte, la búsqueda de una forma de fabricar de forma económica y rápida una gran cantidad de películas autoplegables puede resultar de gran ayuda. [11]