Design, fabrication and integration of 3D micro-structures using self-folding techniques for ultraminiaturization of smart microsystems

Abstract

Devido aos avanços recentes na área das microtecnologias, são cada vez menores as dimensões dos microdispositivos o que permite a sua utilização em aplicações até aqui impossíveis. Surgem assim, cada vez mais os dispositivos médicos implantáveis com potencial para introduzir benefícios significativos no âmbito do diagnóstico e do tratamento localizado. A integração de tais dispositivos é assim um processo muito complexo pois estes precisam de ser pequenos e biocompatíveis. Para tal, novas tecnologias de integração são atualmente investigadas para conseguir transformar projetos de investigação em produtos que podem ser produzidos em grandes quantidades em centros microfabricação. Na investigação, a integração manual de diferentes dispositivos é muito comum, dificultando muitas vezes o processo fabrico e a própria funcionalidade do dispositivo. Consequentemente, muitos projetos de investigação não avançam para a produção e o dispositivo nunca chega a ser utilizado para o fim que foi desenvolvido. A integração é então, um processo fundamental que afeta não só a funcionalidade do dispositivo mas também o seu processo de fabrico. Para tal, esta integração deve ser considerada desde o início de cada projeto para facilitar a escalabilidade do produto final. Esta tese foca-se neste problema e teve como objetivo a criação de um processo novo para integrar estruturas 3D com substratos de silício. Utilizando apenas este processo a integração de sensores e atuadores complexos com os seus circuitos de controlo e gestão de energia é uma realidade. Este processo é obtido através da combinação de diferentes técnicas de fabrico de sala limpa. Utilizando técnicas comuns promove-se assim a escalabilidade do processo. Para obter tais estruturas o processo passa por três litografias e três eletrodeposições, seguidas de um processo de self-folding que converte padrões 2D em estruturas 3D. Para prova de conceito, um micro atuador 3D foi desenhado e simulado. A simulação elétrica, mecânica e térmica foi realizada para perceber todo o funcionamento do dispositivo. Após fabricação os resultados simulados são semelhantes aos resultados medidos. O micro atuador fora do plano foi fabricado em cima de um substrato de silício como requerido, permitindo assim que estes dispositivos sejam facilmente integrados com outros sistemas complexos. O objetivo desta tese foi concluído com sucesso e a sua principal contribuição foi a criação de um processo complexo para integrar estruturas 3D em cima de substratos de silício utilizando apenas técnicas padrão de sala limpa.

Recent advances in micro technology, are delivering complex devices that can measure and actuate in places that were thought unreachable. Implantable devices are a reality that will bring forth great, new opportunities in medical field, both in treatment and diagnostics. Such devices are required to be as small as possible, creating the necessity for new complex integration technologies that can be used in the industry. In research, the handmade ad hoc integration of different devices and different systems is quite common. When these very small devices need some reproducibility to be implemented at an industrial scale, such methodology does not work properly. Integration has, in fact, an important role in today’s creations, because it will affect the device volume, characteristics, performance and its own fabrication process. In this way, the integration process should be considered a part of full devices’ development process, since it will ultimately limit the achievable features. This thesis addresses this problem and creates a new integration process to fabricate and attach 3D structures on silicon wafers. Such fabrication technology allows the integration of complex 3D sensors and actuators with their control circuitry and power management in a single process. The fabrication process gathered a lot of different cleanroom standard techniques that allow the scalability of the process into big fabrication centres. Three lithographies followed by three electrodepositions gave way to the device, and a new technology called self-folding, transforms the 2D patterns in 3D complex structures. For proof of concept, an out-of-plane 3D antennas and a micro actuator were designed and fabricated within this PhD. At last, the 3D actuator electrical, mechanical and thermal simulations were compared with the measurement results, leading to a very good match between them. After the fabrication process, the micro actuator is out-of-plane on top of a silicon substrate, as intended. With such fabrication process, these devices can be easily tested and used in complex systems. The main objective of this thesis was achieved with success, delivering its main contribution: a complex process to integrate 3D structures on top of silicon substrates using only standard cleanroom techniques.