Micromecanizado mediante láseres de femtosegundos de cerámicas LTCC. Fabricación de microcalentadores para un sensor de monóxido de carbono

Abstract

El presente trabajo pretende mostrar la procesabilidad de cerámicas de baja temperatura de sinterizado, LTCC (Low Temperature Co-fired Ceramics) mediante ablación láser con pulsos ultracortos (femtosegundos). Este tipo de material, de indudable interés tecnológico en el desarrollo de microsensores, presenta una alta fragilidad en el estado sinterizado, por lo que la utilización de métodos de contacto (fresado, torneado, etc.) para su mecanizado conduce a la fractura o la aparición de microgrietas y desconchamientos. El trabajo ha sido dividido en dos partes bien diferenciadas. Primeramente, se ha realizado un estudio del proceso, obteniéndose los parámetros fundamentales (el umbral de ablación y el coeficiente de incubación) y se ha procedido a una parametrización de la anchura y altura de microcanales en función de la densidad de energía y el avance relativo en el movimiento muestra-láser. Posteriormente, estos resultados han permitido el micromecanizado de estructuras sencillas, como cajeras, orificios y estructuras en "V". Finalmente, se presenta una aplicación práctica que muestra el interés tecnológico del proceso. Así, se han realizado microcalentadores en LTCC como etapa inicial en el desarrollo de un sensor de monóxido de carbono químico-resistivo. Estos permiten el calentamiento de un área de 1mm x 1mm hasta una temperatura de 490ºC sin apenas disipación de calor al área circundante.Palabras clave: Cerámicas LTCC, micromecanizado láser, sensores de gas. Femtosecond laser micromachining of LTCC ceramics. Fabrication of microhotplates for a carbon monoxide sensorIn present work, the processability of LTCC (Low Temperature Co-fired Ceramics) by means of femtosecond laser ablation is shown. This kind of material, with a clear technological interest in the development of microsensors, possesses a high mechanical fragility in the sintered state and, consequently, contact methods for micromaching (micromilling, microgrinding, etc.) lead to fracture or the appearance of microcracks. The paper has been structured in two different parts. Firstly, a detailed study of the process has been performed, obtaining the fundamental parameters, as ablation threshold and incubation factor and a parametrization of width and height of microchannels as a function of fluence and feedrate. Afterwards, these results have allowed the fabrication of simple structures as boxes, passing-through holes and 2 1 / 2 D structures. Finally, the technological interest of the material and the process is shown. This way, microheaters in LTCC have been fabricated as initial stage of a carbon monoxide chemoresistive sensor. The system allows the heating of a 1mm x 1mm area up to 490ºC with almost no heat dissipation to the surrounding area.Keywords: LTCC ceramics, laser micromachining, gas sensors. INTRODUCCIÓNLas cerámicas de sinterizado a baja temperatura (Low Temperature Cofired Ceramics, LTCC) han despertado gran interés en los últimos años tanto en el mundo de la microelectrónica como en el de las microtecnologías. Esto es debido principal...