Transcript Primena TRIZ metode za unapre*e procesa klasiranja cevi

Autor:
Marko Kovandžić, 121
Mentor:
Dr. Miloš Milošević
Niš, 2013
Uvod
Laser je tehničko sredstvo koje emituje svetlost zahvaljujući procesu
optičkog pojačanja baziranom na stimulisanoj emisiji elektromagnetnog
zračenja.
Veliku primenu u industriji doživeli su zbog svojih pozitivnih osobina:
• veliki intenzitet zračenja
• koherentnosti spektra
• usmerenosti zraka
Mikroelektromehenički sistemi (MEMS) su elektromehaničke naprave
izuzetno malih dimenzija.
Doživljavaju široku primenu zahvljujući prirodi materijala kao što su:
• SiO2
• polimeri
• Si3N4
• keramika
Pored upotrebe u proizvodnji MEMS laseri mogu biti primenjeni za njihovu:
• karakterizaciju
• testiranje
Laserom izazvano taloženje
Koristi se za nanošenje kvalitetnih
filmova materijala na substrat.
• Proces se inicira pogađanjem
materijala fokusiranim laserom
• Ciljani material se topi, isparava,
jonizuje i burno odvaja od površine
• Oslobođeni materijal kondenzuje
se i taloži na površinu substrata.
Sl.1 Postupak laserski izazvanog taloženja
Unutar reakcione komore je ultra vakum, nitrogen ili neki drugi inertan gas.
U slučaju oksidacije komora se puni kiseonikom.
Mehanizam procesa nije dovoljno teoretski opisan jer podrazumeva mnoge
hemijske, termičke i mehaničke procese i sva moguća agregatna stanja
Uticaj parametara na rezultat procesa predviđa se na osnovu velike količine
eksperimentalnih podataka dobijenih pod strogo kontrolisanim uslovima
Uticaj parametara na laserom izazvano taloženje
Na proces najviše utiče frekvencija lasera. Para forimrana na površini
materijala delimično absorbuje zrak pa je potrebno izvršiti preliminarno
ipitivanje uticaja lasera na proces isparavanja za svaki materijal posebno.
U praksi se koristi pulsirajući laserski zrak dužine pulsa koja se kreće u
granicama od fs do μs, frekvencija od nekoliko Hz do nekoliko stotina kHz.
Zavisno od talasne dužine lasera mehanizam isparavanja je različit:
• Kod primene IC lasera isparavanje materijala ima termički karakter.
• Kod primene UV lasera osnovnu ulogu igra pucanje hemijskih veza
Na proces isparavanja takođe utiče dužina laserskog pulsa:
• Ako puls dovoljno traje isparavanje materijala ima termički karakter.
• Ako puls kratko traje osnovnu ulogu igra pucanje hemijskih veza
Bolja kontrola procesa postiže se upotrebom dva laserska pulsa različitih
talasnih dužina između kojih postoji vremensko kašnjenje:
• Pvi puls iz IC spektra vrši prethodno zagrevanje materijala
• Drugi puls je iz UV spektra i za nekoliko ns kasni u odnosu na prvi
Prednosti i mane procesa laserom izazvanog taloženja
Prednosti procesa laserom izazvanog taloženja:
• Tehnika je jednostavna za izvođenje
• Primeljiva na mnoge materijale: silicijum, germanijum, staklo, oksidi,
nitridi, soli, legure, halogenidi, binarni i ternarni složeni materijali, metali…
• Stihiometrija ciljanog materijala se ne narušava
• Malim intenzitetom laserskih zraka postiže se veliki intentzitet taloženja
• Debljina filma može biti jednostavno kontrolisana promenom parametara
• Proces je izuzetno čist jer je izvor zračenja izvan reakcione komore
• Korišćenjem vrteške, omogućeno je efikasno taloženje višeslojnih filmova
Mane procesa laserom izazvanog taloženja:
• Plazmeni mlaz je strogo usmeren tako da pokriva malu površinu
• Plazmeni mlaz sadrži makroskopske kapi istopljenog materijala
• Proces nije u potpunosti teoretski opisan
Lasersko mikrozavarivanje
Koristi se za izradu mikroskopskih
spojeva sa hiruškom preciznošću.
Laser može biti precizno fokusiran,
na usku zonu spoja tako da se
ostvaruje ekstremno precizan spoj.
Zavarivanje se vrši pomoću IC zraka
Energija mikrozavarivanja najviše
zavisi od tačke topljenja materijala.
Sl.2 Proces tačkastog laserskog mikrozavarivanja
Ponekad se predhodno vrši uklanjanje sloja oksida sa površine metala.
Materijal, u zoni zagrevanja, prolazi kroz više procesa kao što su:
• Zagrevanje
• Topljenje
• Ponovno očvršćavanje
Priroda procesa je veoma kopleksna jer uključuje različite fenomene :
• Provođenje toplote u višefaznom sistemu
• Dinamiku gasa
• Dinamiku protoka fluida
• Efekte plazme
Prednosti i mane laserskog mikrozavarivanja
Prednosti laserskog mikrozavarivanja u odnosu da standardne tehnike
zavarivanja:
• Prilikom zavarivanja nema kontakta
• Velika čvrstoća
• Minimalno zagrevanje zone vara
• Velika brzina zavarivanja
• Velika preciznost zavarivanja
• Kontinualnost procesa
• Dobar odnos između veličine i nosivosti vara
• Pouzdanost
• Primenljivost na materijale teške za zavarivanje standardnim tehnikama:
a) visoko reflektivni i provodni materijali (aluminijum, bakar i njihove legure)
b) materijali sa visokom tačkom topljenja (molibden, volfram i tantal)
c) Termoplastični materijali
Zbog velikog broja fizičkih fenomena i agregatnih stanja, koje prate proces,
teoretsko opsivanje mikrozavarivanja je izuzezno komplikovano. Problem se
delimično prevazilazi uzimanjem u razmatranje samo jednog od fenomena
ali i pored toga suštinski predstavlja najveću manu ovog procesa.
Laserska (Re) kristalizacija i planarizacija
(Re) kristalizacija, pod uticajem laserskih zraka, upotrebljava se u cilju
transformacije amorfnog materijala u njegovo kristalno stanje.
Proces može da ima dva razčličita mehanizma:
1. Termički proces, gde se materijal lokalno zagreva uz pomoć lasera,
nakon čega se hladi i prelazi u kristalno ili amorfno stanje zavisno od
uslova zagrevanja, hlađenja i karakteristika materijala. Ovakav
mehanizam je uobičajen za amorfni silicijum, germanijum i metale.
2. Pucanje hemijskih veza pod uticajem laserskih zraka, usled čega
klasteri dobijaju više slobode da se reorjentišu i formiraju mikroristalne
zone. Mehanizam je uobičajen za halogenidna stakla.
Još jedna primena laserskog zračenja, sa sličnom fizičkom i hemijskom
prirodom procesa, je planarizacija halogenidnih stakala. Ostvaruje se
izlaganjem halogenidnih stakala laserskim UV zracima usled čega ona
dobijaju ravnu topografiju. Najveća primena ove tehnike je u proizvodnji
senzora koji svoju funkciju obavljaju na bazi optičkih fenomena.
Laserska izazvano dopiranje
Predstavlja efikasan način usađivanja
atoma jedne supstance (dopant) u
strukturu druge (podloga ili substrat).
Cilj dopiranja je promena električnih ili
optičkih karakteristika materijala.
Najčešće se koristi u poluprovodničkoj
tehnologiji za proizvodnju integrisanih
kola ali se može odnositi na difuziju
metala(Ag) u neka halogenidna stakla.
Proces dopiranja odvija se u fazama:
• Pulsirajući laser pogađa substrat
usled čega se on zagreva i topi.
Sl.3 Faze laserskog dopiranja silicijuma
• Pošto se proces odvija u atmosferi dopanta, njegovi atomi prodiru u
rastopljeni substrat po principu termičke difuzije.
• Substrat se hladi, očvršćava i atomi dopanta ostaju zarobljeni u njemu
Lasersko mikrostrukturianje
Predstavlja efikasnu tehniku za
izradu topografskih mikrostruktura
na različitim podlogama.
Primenjuje se za proizvodnju:
• Integrisanih kola
• Mikromehanički sistema
• U nanotehnologiji
Glavna metoda mikrostrukturiranja
je fotolitografija. Princip je sledeći:
Sl.4 Različite primene miktorstrukture dobijene fotolitografijom
UV laserom se osvetljava susbstrat prekriven fotoosetljivom materijom.
Između lasera i podloge nalazi maska sa odgovarajućim modelom. U
osvetljenim zonama odvija se polimerizacija nakon čega se substrat
izlaže hemijskim supstancama i na substratu ostaje mikrostruktura.
Izrađeni mikrostruktura koristiti se neposredno, za dalje umnoževanje
hemijskim graviranjem ili pravljenje otisaka u elastomerima.
Parametri i prednosti procesa
Parametri koji utiču na proces:
• Talasna dužina lasera
• Trajanje pulsa
• Modalna struktura
• Energija pulsa
• Frekvencija pulseva
• Radna atmosfera
Sl.5 Primeri mikrostruktura izrađenih fotolitografijom
Prednosti ove tehnike mikrostrukturiranja:
• Mogu se tretirati gotovo svi materijali
• Ne nanose se nikakve nečistoće na površinu substrata
• Nema zagađivanja
• Ekonomski je isplativa
Dosadašnja iskustva nisu pokazala značajnije nedostatke ove tehnike.
Laserski izazvano taloženje hemijskim reakcijama iz parne faze
Ovo je tehnika dobijanja složenih
mikrostruktura bez upotrebe maski.
Reaktanti se u inicijalnoj fazi nalaze
u parnom ili gasovitom stanju. Pod
uticajem lasera inicira se hemijska
reakcija među reaktantima. Dobija
se željena komponente koja se
taloži na površini substrata.
Reakcija odvija samo u zoni uticaja
lasera tako da se vršenjem složenih
kretanja dobijaju složene sturkture.
Sl.6 Poprečni presek LCVD reaktora
Postoje dva mehanizma uticaja lasera na hemijsku reakciju:
1. Termički (Foto-termički), kod koga je reakcija pokrenuta lokalnim
povećanjem temperature nastalim pod uticajem laserskog snopa
2. Fotolitiči ili aktivacioni tj. kidanje hemijskih veza pod uticajem lasera
Prednosti laserskog taloženje hemijskim reakcijama iz parne faze
Prednosti ove tehnike su brojni, naročito u slučaju prmene UV lasera:
• Selektivnost procesa (reakcija se odvija samo u zoni uticaja lasera).
• Mogućnost nanošenja izotopno čistih supstanci
• Nema termičkih efekata na substrat (u slučaju UV lasera)
• Ova tehnika je posebno primenljiva za proizvodnju nanopraha
Laserski izazvana oksidacija
Specijalni slučaj optički aktivirane hemijske reakcije je proces fotooksidacije.
Rezultujući sloj kiseonika je veoma tanak (nekoliko desetina nanometra).
Oksidacija se postiže osvetljavanjem površine substrata laserskim zracima
simultano sa izlaganjem atmosferi kiseonika.
Prednost ove tehnike je što se proces oksidacije odvija na sobnoj
temperaturi pa je temperaturni stres materijala minimalan.
Multifotonska absorbcija
Ovo je tehnika za kreiranje
prototipa koja koristi princip
dvofotonske absorbcije za
polimerizaciju smola.
Proces se inicira isključivo
kada fotoosetljivi materijal
istovremeno absorbuje više
od jednog fotona (2 ili 3).
Sl.7 Fluorescencija u debelim slojevima materijala osvetljenih laserom
Osnovna razlika u odnosu na jednofotonsku absorbciju je nelinearnost
multifotonske absorbcije. Prednost ove nelinearnosti je u daleko većoj
lokaliziranosti pobuđivanja polimerizacije. Intenzitet lasera se podešava
tako da se polimerizacija vrši jedino u tački fokusa lasera. Pomeranjem
fokusa, za vreme odvijanja procesa, dobijaju se složene mikrostrukture.
Prednosti multifotonske apsorpcije leže u većoj rezoluciji i mogućnosti
trodimenzionalnog strukturiranja a mane u maloj brizini polimerizacije i
zahteanoj velikoj snazi pulsirajućih lasera.
Tehnike multifotonske absorbcije
Postoje dve tehnologije za dobijanje
mikrostruktura ovim postupkom:
1. Fokusiranjem laserskog zraka uz
pomoć širokougaonog objektiva
na fotoosetljivu smolu. Ovako se
dobja tačka u fokusu zraka koja
se tokom procesa pomera u cilju
dobijanja 3D mirkostrukture. Ova
tehnika ima malu produktivnost je
se proces odvija serijski.
Sl.7 Proces multifotonske absorbcije sa difrakcionom maskom
2. Korišćenjem kompjuterski generisanih difrakcionih (holografskih) maski
koje obezbeđuju željeni obrazac raspodele intenziteta laserske svetlosti
na većoj površini. Svi delovi strukture prave se paralelno.
Multifotonska absorbcija, u odnosu na klasične tehnike, ima prednost u
većoj rezoluciji i mogućnosti trodimenzionalnog strukturiranja a mane u
maloj brizini i zahtevanoj velikoj snazi pulsirajućih lasera.
Netehnološke primene lasera
Najznačajnije tehnike primene lasera
za karakterizaciju mikrostruktura su:
1. Skretanje snopa koristi se za
detekciju rotacionog kretanje pod
dejstvom nekog uticaja.
2. Laserska interferometrija koristi
se za određivanje translatornog
mikrokretanja.
3. Laserska optička heteroidnost i
laserska vibrometrija zasnovana
na Doplerovom efektu mere
dinamički odziv mikrostema.
Sl.8 Blok dijagram mikroskopa atomskih sila
Za bezkontaktno mehaničko pobuđivanje pokretnih delova mikrosturkture
koristi se sila koja potiče od svetlosnog pritiska lasera.
Autor:
Marko Kovandžić, 121
Mentor:
Dr. Miloš Milošević
Niš, 2013