За последние несколько лет широкое распространение по всему миру получили датчики, основанные на микроэлектромеханических системах, так называемых МЭМС. Популярность данных устройств обусловлена рядом причин, основными из которых являются простота их использования, относительно низкая цена и малые габариты. МЭМС-датчики, как правило, оснащаются интегрированной электроникой обработки сигнала и не имеют движущихся частей. Этим обуславливается их высокая надежность и способность обеспечивать стабильные показания в достаточно жестких условиях окружающей среды (перепады температур, удары, влажность, вибрация, электромагнитные и высокочастотные помехи). Совокупность данных преимуществ побуждает производителей систем для различных сфер применения (от авиа - и автомобилестроения до бытовой техники) использовать в своих разработках те или иные МЭМС-сенсоры.

В данной статье будут рассмотрены МЭМС-датчики для измерения ускорения (акселерометры) и угловой скорости (гироскопы). Данные устройства активно используются в системах управления летательными аппаратами, для обеспечения безопасности движения автомобилей, в сельскохозяйственной технике, изделиях специального назначения и др. В настоящее время существует достаточно много различных решений по исполнению МЭМС-устройств. В их числе - одноосевой МЭМС-гироскоп с вибрирующим кольцом и трехосевой емкостной МЭМС-акселерометр.

Одноосевой МЭМС-датчик угловой скорости (гироскоп) с вибрирующим кремниевым кольцом

Данный кремниевый цифровой гироскоп разработан с учетом требований к низкой стоимости изделия и экономичному энергопотреблению для систем навигации и наведения нового поколения. Он способен измерять угловую скорость до ± 1,0 є/с и имеет два режима вывода: аналоговый сигнал напряжения, линейно-пропорциональный угловой скорости, и цифровой по протоколу SPI®.

Режима вывода - аналоговый или цифровой - выбирается пользователем при подключении датчика к какой-либо системной плате. Главной отличительной особенностью гироскопа является применение технологии сбалансированного вибрирующего кольца в качестве датчика угловой скорости. Именно она обеспечивает надежную работу и точное измерение скорости вращения даже в условиях сильной вибрации.

Возможны две основные конфигурации гироскопа, одна из них позволяет датчику измерять угловую скорость по оси, перпендикулярной к плоскости системной платы, другая дает возможность определять угловую скорость по оси, параллельной плоскости материнской платы. Сочетание в одном устройстве гироскопов обеих конфигураций позволяет получить инерциальную систему, измеряющую угловую скорость по нескольким осям (любые сочетания тангажа, крена и рысканья летательного аппарата). Размеры датчиков обеих конфигураций и оси измерения угловой скорости приведены на рис.1.

Как правило, подобные гироскопы выпускаются в герметичных керамических LCC корпусах которые можно устанавливать на системные платы. Датчик состоит из пяти основных компонентов:
- кремниевый кольцевой МЭМС-сенсор (MEMS-ring),
- основание из кремния (Pedestal),
- интегральная микросхема гироскопа (ASIC),
- корпус (Package Base),
- крышка (Lid).

Кремниевый кольцевой МЭМС-сенсор, микросхема и кремниевое основание размещены в герметичной части корпуса с вакуумом, частично заполненным азотом. Это дает серьезные преимущества перед сенсорами, которые поставляются в пластиковых корпусах, которые имеют определенные ограничения чувствительности в зависимости от уровня влажности.

Кремниевый кольцевой МЭМС-сенсор

Диаметр кремниевого МЭМС-кольца равен 3 мм., толщина - 65 мкм. Его изготавливают методом глубокого реактивного ионного травления объемных кремниевых структур на 5” пластинах. Кольцо поддерживается в свободном пространстве восемью парами симметричных спиц, которые исходят из твердого концентратора диаметром 1 мм. в центре кольца.

Процесс объемного травления кремния и уникальная технология изготовления кольца позволяют получить хорошие геометрические свойства, необходимые для точного баланса и термической стабильности сенсорного кольца. В отличие от других гироскопов здесь нет мелких расхождений, создающих проблемы с интерференцией и трением. Указанные особенности существенно определяют стабильность датчика при колебаниях температуры, вибрации или ударе. Еще одним преимуществом подобной конструкции является ее «врожденный» иммунитет к ошибкам, которые датчики могут выдавать под влиянием ускорения, или «g - чувствительности».

Пленочные приводы и преобразователи прикреплены к верхней поверхности кремниевого кольца по периметру и для получения электроэнергии подключены к связующим контактам в центре концентратора через треки на спицах. Это активирует или «заводит» периметр кольца в рабочий режим вибрации на уровне Cos2и с частотой 22 кГц, определяя радиальное перемещение, которое может осуществляться по причине первичного движения привода либо за счет действия кориолиосовой силы, когда гироскоп вращается относительно его оси чувствительности. Существует одна пара приводов первичного движения, одна пара первичных снимающих преобразователей и две пары вторичных снимающих преобразователей.

Комбинация сенсорной технологии и восьми вторичных снимающих преобразователей улучшает в датчике соотношение «сигнал/шум», что позволяет получать малошумящие устройства с отличными свойствами по угловому случайному дрейфу гироскопа, которые являются ключевыми для применения в сферах инерциальной навигации (например, стабильность наведения камеры или антенны). Описанную схему можно сравнить с камертонной структурой, содержащей бесконечное количество камертонов, интегрированных в единую балансирующую вибрирующую кольцевую конструкцию. Это обеспечивает наиболее высокую стабильность измерения угловой скорости по времени, температуре, вибрациям и ударам для МЕМС-гироскопов данного класса.

Концентратор в центре кольца сенсора установлен на цилиндрическом кремниевом основании диаметром 1 мм., которое связано с кольцом и ASIC с помощью эпоксидной смолы. Микросхема гироскопа имеет габариты 3х3 мм и изготовлена по технологии 0,35 мкм КМОП. ASIC и МЭМС-сенсор (кольцо) разделены физически, но соединены электрической цепью через золотые проводки. В связи с этим в подобной схеме отсутствуют внутренние каналы, что позволяет уменьшить шумовую нагрузку и получить отличные электромагнитные свойства.

Керамический корпус датчика изготовлен по технологии LCC и представляет из себя многослойную оксидно-алюминиевую конструкцию с внутренними контактными площадками для разварки, соединенными через корпус с наружными контактными площадками посредством многослойных вольфрамовых межсоединений. Аналогичные интегральные межсоединения есть в крышке гироскопа, что обеспечивает размещение чувствительного элемента датчика внутри щита Фарадея и хорошие электромагнитные показатели гироскопа. При этом внутренние и наружные контактные площадки покрыты гальваническим путем слоем никеля и золота.

Корпус включает в себя уплотнительное кольцо, на верхней части которого шовной сваркой приварена металлическая крышка. Сварка произведена электродом сопротивления, что создает полную герметичность конструкции. В отличие от большинства МЭМС-корпусов, доступных сегодня на рынке, при изготовлении корпуса данного устройства используется специально разработанная шовная сварка, при которой исключена возможность образования комочков (брызг) сварки внутри гироскопа. При использовании других технологий сварки сварочные брызги могут попадать на нижние конструкции и негативно влиять на надежность гироскопа за счет воздействия на вибрирующий МЭМС-элемент, особенно в тех местах, где конструкции имеют небольшие зазоры. В корпусе также есть встроенный датчик температуры для обеспечения внешней термокомпенсации.

Принцип действия системы гироскопа

Описываемые гироскопы обычно являются твердотельными устройствами и не имеют движущихся частей за исключением сенсорного кольца, которое имеет возможность отклоняться. Оно показывает величину и направление угловой скорости за счет использования эффекта «силы Кориолиса». Во время вращения гироскопа силы Кориолиса действуют на кремниевое кольцо, являясь причиной радиального движения по периметру кольца.

По периметру кольца равномерно расположены восемь приводов/преобразователей. При этом есть одна пара приводов «первичного движения» и одна пара первичных снимающих преобразователей, расположенных относительно их главных осей (0° и 90°). Две пары вторичных переключающих преобразователей расположены относительно их вторичных осей (45° и 135°). Приводы первичного движения и первичные переключающие преобразователи действуют вместе в замкнутой системе, чтобы возбуждать и контролировать первичную рабочую амплитуду вибрации и частоты (22 кГц).

Вторичные снимающие преобразователи распознают радиальное движение на вторичных осях, величина которого пропорциональна угловой скорости вращения, благодаря которой гироскоп обретает угловую скорость. Преобразователи производят двухполосный сжатый передающий сигнал, демодулирующийся обратно в полосы, ширина которых контролируется пользователем одним простым внешним конденсатором. Это дает пользователю возможность полностью контролировать производительность системы и делает преобразование абсолютно независимым от постоянного напряжения или низкочастотных параметрических условий электроники.

На рисунках 3 и 4 продемонстрирована структура кремниевого кольца сенсора, показывающая приводы первичного движения «PD» (одна пара), первичные снимающие преобразователи «PPO» (одна пара) и вторичные снимающие преобразователи «SPO» (две пары).

На рисунке 5 схематично показано кольцо, при этом спицы, приводы и преобразователи удалены для ясности. В данном случае гироскоп выключен, кольцо круглое.

В момент, когда датчик находится в выключенном состоянии, в кольце возбуждается движение вдоль его основных осей за счет приводов первичного движения и первичных снимающих преобразователей, воздействуя в замкнутом контуре на систему контроля ASIC. Круглое кольцо принимает в режиме Cos2и эллиптическую форму и вибрирует с частотой 22 кГц. Это показано на Рис.6, на котором гироскоп уже включен, но еще не вращается. На четырех вторичных снимающих узлах расположенных на периметре кольца под углом 45 по отношению к основным осям нет радиального движения.

Если гироскоп подвергается воздействию угловой скорости, то на кольцо действуют силы Кориолиса: по касательной к периметру кольца относительно главных осей. Эти силы деформируют кольцо, что вызывает радиальное движение вторичных снимающих преобразователей. Данное движение, определяемое на вторичных снимающих преобразователях, пропорционально прилагаемой угловой скорости. При этом двухполосный сжатый передающий сигнал демодулируется с учетом основного движения. В итоге получается низкочастотный компонент, который пропорционален угловой скорости.

Рис. 7 Режимы работы сенсорного кольца при вращающемся гироскопе

Схема управления всем гироскопом расположена в ASIC.

Рис. 8 Блоковая диаграмма функционирования ASIC-сенсора
Рис. 9 Внешний вид ASIC-гироскопа

Подобные датчики обладают миниатюрными габаритами (6,5х1,2 мм) при сверхнизком потреблении энергии (12 мВт). Для них характерен широкий диапазон измерения (до 900 градусов/сек), сверхмалый вес 0,08 грамм и высокая стабильность работы.
Гироскопы подобной конструкции можно с успехом применять для измерения скоростей вращения объекта по трем осям в транспортных и персональных навигаторах для определения и сохранения параметров движения и определения местоположения; в системах отслеживания по трассе на сельскохозяйственной технике для стабилизации антенн; в промышленной аппаратуре, робототехнике и других сферах. Использование данных датчиков угловой скорости на летательных аппаратах позволяет на порядок уменьшить габариты, вес, энергопотребление приборов и в результате значительно снизить цену навигационной системы в целом. Надежность и точность в управлении широкого спектра самолетов, вертолетов и других летательных аппаратов при этом увеличивается. Таким образом, данный вид гироскопов оптимально подходит для использования в ситуации, когда есть ограничения по габаритам, весу и стоимости изделия.

Технические характеристики гироскопа

Параметр	Предельный диапазон значений	Типовая величина
Напряжение питания	2.7 3.6 В	3 В
Диапазон измерения	75, 150, 300, 900 градусов/сек	-
Чувствительность (аналоговый выход)	13.3, 6.7, 3.3, 1.0 мВ/Градус/сек	-
Температурное смещение чувствительности	+/- 3%	+/- 1%
«Ноль» Ѕ напряжения питания - ср. кв. отклонение (температурное отклонение)	+/- 3 градуса/сек	+/- 1,5 градус/сек
Нестабильность ср. кв. погрешности	-	< 40 градус/час
Ширина полосы (ослабление -3 дБ)	> 75 Гц - задается пользователем при использовании внешнего конденсатора	Аналоговый выход до 160 Гц Цифровой выход 150 Гц фикс.
Плотность шума	0.025 градус/сек/корень(Гц)	0,01 градус/сек/корень(Гц)
Случайный временной уход	-	0.28 градусов/корень(час)
Рабочая температура	-40...+85 градусов Цельсия -40 … +100 (при ограниченной работоспособности)	-
Температура хранения	-55 … +125 градусов Цельсия	-
Удары	3500 g в течение до 500 мкс 500 g в течение 1 мс 1 полуволна при включенном 100 g 6 мс при включенном	-
Вибрация	3,5 g в диапазоне 10 Гц - 5 кГц при включенном	-
Время включения	0.5 с	< 0,3 с
Вес	В зависимости от модификации от 0,08 до 0, 12 г.	-
Потребляемый ток	6 мА	4 мА

Емкостной трехосевой МЭМС-акселерометр с цифровым выходом

Высокопроизводительный трехосевой емкостной акселерометр изготовлен по специальной технологии 3D-МЭМС.

Рис. 10 Оси датчика, по которым проводится измерение ускорения

В корпусе датчика находятся высокоточный чувствительный элемент для определения ускорений и сервисная электроника (ASIC) с гибким цифровым выходом SPI.

Рис. 11 Высокопроизводительный 3-осевой емкостной акселерометр

Схематичное расположение ASIC и блока сенсорного элемента в датчиках подобной конструкции показано на рисунке 12.

Корпус акселерометра изготовлен из пластика, а крышка из металла. В нижней части корпуса по обеим сторонам расположены плоские свинцовые выводы для поверхностного монтажа на печатную плату.

Рис. 13 Конструкция корпуса акселерометра

Подобная конструкция корпуса гарантирует надежную работу сенсора на протяжении всего жизненного цикла. Для обеспечения стабильного выхода акселерометры подобного класса разрабатываются, производятся и тестируются в широком диапазоне температур, влажности и механического шума. У датчика есть возможность самодиагностики по нескольким сценариям. Он полностью совместим с одно- и двухосевыми акселерометрами данного типа, что дает возможность комбинировать датчики при построении различных сенсорных систем.

Описание технологии «3D-МЭМС»

Понятие «3D-МЭМС» представляет собой инновационное сочетание технологий для формирования кремния в трехмерные структуры, инкапсуляции и контактирования для легкого монтажа и сборки. В результате это обеспечивает высокую точность сенсора, маленький размер устройства и низкое потребление энергии. Таким образом, усовершенствованный сенсор может быть изготовлен в виде крошечного кусочка кремния, способного измерять ускорение в трех ортогональных направлениях.
Применяя технологию «3D-МЭМС», можно производить оптимизированные структуры для точных датчиков угла наклона, например, для обеспечения механического затухания в акселерометрах с целью использования сенсоров в условиях сильной вибрации и высокоточных альтиметрах. Энергопотребление рассматриваемых акселерометров является крайне низким, что дает им значительное преимущество при использовании в устройствах с батарейным питанием. В то же время при производстве инклинометров, 3D-МЭМС-технология обеспечивает точность уровней лучше одной угловой минуты и отвечает самым высоким требованиям к качеству измерения.

Преимущества технологии «3D-МЭМС»

В качестве преимуществ технологии «3D-МЭМС» можно выделить следующие:
- использование монокристаллического кремния для изготовления МЭМС (идеально упругий материал: нет пластической деформации, выдерживает до 70000g циклов ускорений);
- емкостной принцип действия датчиков (обеспечивает прямое измерение отклонения в зависимости от большого числа вариантов величины зазора между двумя плоскими поверхностями; при этом емкость или заряд на паре пластин зависят от ширины зазора между ними и площади пластины);
- высокий уровень точности и стабильности;
- легкая диагностика при помощи ограниченного числа конденсаторов;
- низкая потребляемая мощность;
- высокая герметичность датчиков (позволяет снизить требования к упаковке; обеспечивает высокую надежность, так как частицы или химические вещества не могут попасть в элемент);
- симметричные структуры элементов (улучшенная стабильность нуля акселерометра, линейность и чувствительность по оси; низкая зависимость показаний от температуры; нелинейность обычно ниже 1%; чувствительность по оси обычно не превышает 3%);
- возможность производств датчиков по индивидуальному заказу (получение конкретных уровней чувствительности и частотных характеристик, необходимых заказчику; гибкие двухчиповые решения);
- реальные 3D-структуры (большие защитная масса и емкость обеспечивают высокую производительность при работе в диапазоне измерений при малых g; хорошая стабильность по «0» и низкое влияние шума на показания датчика; образование 3D-сенсорных элементов).

Принцип действия емкостного акселерометра

В рассматриваемом типе трехосевых акселерометров принцип определения ускорения достаточно прост и надежен: инерционная масса дает людям возможность ощущать ускорение за счет перемещения в соответствии со вторым Законом Ньютона. Основные элементы акселерометра - тело, пружина и инерционная масса (ИМ). Когда скорость тела сенсора изменяется, ИМ через пружину так же побуждается последовать этим изменениям. Сила, воздействующая на ИМ, является причиной изменения ее движения, поэтому пружина изгибается, и расстояние между телом и ИМ изменяется пропорционально ускорению тела.
Рабочие принципы сенсоров различаются в зависимости о того, по какому принципу определяется движение между телом и ИМ. В емкостном сенсоре тело и ИМ изолированы друг от друга и их емкость или емкостной заряд измеряются. Когда дистанция между ними уменьшается, емкость увеличивается и электрический ток идет по направлению к сенсору. В случае, когда расстояние увеличивается, наблюдается обратная ситуация: сенсор преобразует ускорение тела в электрический ток, заряд или напряжение.
Превосходные характеристики рассматриваемых датчиков основаны на технологии емкостного измерения и хорошо подходят для определения малых изменений в движении. Чувствительный элемент для определения ускорения сделан из монокристального кремния и стекла. Это обеспечивает сенсору исключительную надежность, высокую точность и устойчивость показаний по отношению к воздействию времени и температуры.
Как правило, чувствительный элемент датчика с диапазоном измерений ±1g выдерживает как минимум 50000g ускорений (1g = ускорение, вызванное силой тяжести Земли). Датчик измеряет ускорение, как в положительном, так и в отрицательном направлении, и чувствителен к статическому ускорению и вибрации. «Сердцем» акселерометра является симметричный чувствительный элемент (ЧЭ), изготовленный по технологиям объемной микромеханики, у которого есть два чувствительных конденсатора. Симметрия ЧЭ уменьшает зависимость от температуры и чувствительности по оси и улучшает линейность. Герметичность датчика обеспечивается за счет анодного соединения пластин друг с другом. Это облегчает корпусирование элементов, повышает надежность и позволяет использовать газовое затухание в сенсорном элементе.

Концепция гетерогенной Chip-on-MEMS-интеграции МЭМС-элементов и интегральных микросхем

В ходе производства трехосевого акселерометра применяют новую концепцию гетерогенной интеграции для объединения чувствительного элемента МЭМС и микросхемы (ASIC): «ЧИП-на-МЭМС» или CoM (chip-on-MEMS). Эта концепция основана на комбинации инкапсулированных на уровне пластины 3D-МЭМС-структур, технологии корпусирования на уровне пластины и технологии чипа на пластине. Все указанные процессы уже существуют на протяжении несколько лет. Их комбинация позволяет решать наиболее сложную проблему корпусирования: как экономически эффективно совместить МЭМС-элементы и интегральные микросхемы.
Исходя из описанной концепции, технология включает в себя следующие шаги:
- перераспределение и изоляция слоев на МЭМС пластине,
- нанесение 300 микронных шариков припоя,
- установка на МЭМС-пластину микросхем,
- пассивация зазоров между микросхемами и МЭМС,
- тестирование пластины с МЭМС-устройствами,
- резка пластины,
- финальное тестирование и калибровка сенсоров после резки.

Рис. 14 Симметричный чувствительный элемент емкостного акселерометра
Рис. 15 Схема установки на МЭМС-пластину интегральных микросхем

Таким образом, благодаря е технологии CoM, можно получить полноценное функциональное МЭМС-устройство с размером корпуса по периметру 4х2 мм. и высотой 1 мм. Данная технология полностью готова для производства датчиков, как для небольших партий, так и в промышленных масштабах.

Рис. 16 Некоторые этапы технологии производства акселерометров
Рис. 17 Двухосевая инерциальная система на основе акселерометра

Технические характеристики емкостного трехосевого акселерометра:

Параметр	Типовая величина
Электропитание	3.3 В
Диапазон измерений	±6 g
Разрешение АЦП	12 бит
AEC-Q	полностью совместимы
Встроенный температурный сенсор	-
Цифровой выход SPI	-
Максимальный удар	20 Kg
Рабочая температура	[-40;+125]С
Полоса пропускания	45…50 Гц
Улучшенная самодиагностика	-
Размер	7.7 х 8.6 х 3.3 мм
Совместимость	с 2 и 1-осевыми датчиками аналогичного типа

Благодаря отличным характеристикам по стабильности и вибрационной надежности рассматриваемые акселерометры могут успешно применяться в следующих сферах:
. электронный контроль стабильности движения контролируемого устройства,
. система помощи при старте двигателя на подъеме,
. электронный стояночный тормоз,
. электронная защита от переворачивания,
. регулировка подвески,
. контроль углов наклона,
. встроенные инерциальные системы,
. применение в промышленности для различных устройств.

Роль «Русской Ассоциации МЭМС» в развитии технологий производства сенсорных систем в России

Из большого количества возможных вариантов было рассмотрено только два типа МЭМС-датчиков. В настоящий момент существует множество способов производства и применения микроэлектромеханических сенсоров, и многие компаний по всему миру серьезно занимаются разработкой дизайна и технологий изготовления различных сенсорных устройств, в том числе на основе МЭМС.
«Русская Ассоциация МЭМС» (далее Ассоциация. прим.авт.) установила хорошие партнерские отношения с рядом ведущих российских и зарубежных разработчиков-производителей МЭМС-датчиков различного назначения. Среди них можно отметить некоторые немецкие предприятия, входящие в состав Ассоциации Silicon Saxony e.V., институт Fraunhofer, корпорации Honeywell International Inc. и Analog Devices Inc. (США), Московский государственный институт электронной техники (МИЭТ), a так же ряд компаний расположенных в разных странах мира. Благодаря контактам такого уровня у Ассоциации есть доступ к современным микросистемным технологиям, что дает ей возможность совместно с партнерами организовывать в России работу по следующим направлениям:
1) выработка рекомендаций для заказчиков по применению тех или иных сенсоров мировых производителей при производстве российских систем;
2) поставка различных датчиков (на базе МЭМС и других принципах) для измерения ускорения, угловых скоростей, давления, скорости потока жидкости или газа, температуры, влажности, определения движения объекта и его скорости, распознавания магнитных полей (компас);
3) доработка различных сенсорных компонентов известных мировых производителей под требования заказчика (изменение в ту или иную сторону диапазона измерений, функциональных характеристик и т.д.) с дальнейшим производством доработанных датчиков на «родном» заводе-изготовителе;
4) организация проведения программы испытаний сенсорной ЭКБ в одном из российских или зарубежных Сертификационных центров с выдачей Сертификата установленного образца;
5) организация разработки и изготовления под индивидуальные требования заказчика сенсорных систем, включающих различные датчики (на базе МЭМС и других принципах), для измерения ускорения, угловых скоростей, давления, скорости потока жидкости или газа, температуры, влажности, определения движения объекта и его скорости, распознавания магнитных полей и др. (как сами системы, так и датчики, могут быть доработаны и сертифицированы в России, если заказчику необходимо, что бы изделия имели российское происхождение.
6) Предложение отечественным разработчикам и производителям технологий производства современных МЭМС сенсоров (акселерометров, гироскопов, инклинометров, датчиков давления, вибрации и др.) для внедрения на российском производстве и изготовления полностью российского сенсорного продукта;
7) Обучение специалистов российских предприятий по вопросам проектирования, разработки и производства МЭМС-сенсоров. К учебному процессу привлекаются ведущие российские и зарубежные специалисты в этой сфере.
В качестве положительного примера научно-коммерческой кооперации Ассоциации и одного их российских предприятий можно привести двухосевую инерциальную измерительную систему, созданную на базе МЭМС-акселерометра. В настоящий момент разработан и изготовлен действующий прототип сенсорной системы начального уровня. Изготовленный прототип системы в качестве чувствительного элемента содержит в себе микроструктуры с воздушным зазором, обладает высокими чувствительностью и соотношением «сигнал/шум», низкой чувствительностью к помехам, хорошей температурной стабильностью.
Подобную инерциальную систему в совокупности с другими компонентами и датчиками уже можно применять в автомобильной промышленности (срабатывание подушек безопасности и др.), для диагностики рельсового пути (контроль угла наклона), в системах навигации (измерение рысканья, крена и тангажа летального аппарата), контроль угла наклона трубопроводов и в других сферах. Изготовленное изделие обладает базовой конфигурацией с начальными характеристиками и может быть доработано в соответствии с требованиями Заказчика (диапазон измерений, уровень чувствительности и т.д.), а также проведено через программу испытаний в России с выдачей государственного сертификата установленного образца и представлено в виде готового изделия, но уже российского происхождения. Таким образом, у российского партнера появляется возможность существенно расширить свою рыночную долю за счет предложения потребителям систем и устройств, состоящих из современных сенсоров (МЭМС-акселерометры, гироскопы и др.), имеющих российское происхождение.

Источник - http://www.sovtest.ru

МикроЭлектроМеханические Системы или сокращенно МЭМС - это множество микроустройств самых разнообразных конструкций и назначения, производимых сходными методами с использованием модифицированных групповых технологических приемов микроэлектроники. Объединяет их два признака. Первый - это размер, второй - наличие движущихся частей и предназначение к механическим действиям. В мире они известны под аббревиатурой MEMS - MicroElectroMechanical Systems.

Это могут быть:

• миниатюрные детали: гидравлические и пневмо клапаны, струйные сопла принтера, пружины для подвески головки винчестера
• микроинструменты: скальпели и пинцеты для работы с объектами микронных размеров
• микромашины: моторы, насосы, турбины величиной с горошину
• микророботы
• микродатчики и исполнительные устройства

Некоторые из них уже производятся в мире многомиллионными тиражами, другие только разрабатываются и проходят испытания. С микроситемами связывают тот технологический рывок, который человечество совершит в 21 веке, им предрекают совершить такой же переворот, который совершила в 20 веке микроэлектроника.

Микротехнологии развиваются на основе научно-технологического задела микроэлектроники. Вместе с тем, микроэлектромеханические системы призваны активно взаимодействовать с окружающей средой. Кроме того, конструкции систем обладают выраженной трехмерностью. От классических механических систем их отличает размер - материалы в таком масштабе ведут себя несколько иначе, чем в объемном виде, хотя микросистемы еще подчиняются законам классической физики, в отличие от наносистем. Тем не менее классическая физика предсказывает для микроустройств особенные свойства. Все это требует ряда совершенно новых подходов к проектированию, изготовлению и материалам МЭМС. Новые задачи в проектировании связаны с необходимостью расчета и моделирования не только задач схемотехники и логики, но и совокупности проблем механики твердого тела, термоупругости, газо- и гидродинамики - порознь или одновременно появляющихся в изделии. Что касается материалов, то несмотря на то, что монокристаллический кремний - традиционный материал микроэлектроники - имеет ряд уникальных свойств, необходимы другие материалы с новыми сочетаниями электро-физико-механических свойств. Новые задачи технологии связаны с наиболее характерными отличиями микросистем от изделий микроэлектроники: если последние по существу двумерны и механически статичны, то микросистемы - это реальные трехмерные структуры, элементы которых должны иметь возможность относительного механического перемещения. Эти новые свойства требуют развития новых технологических операций для 3-D формообразования.

Поскольку МЭМС развиваются на стыке множества отраслей науки и техники, требуется участие в работах специалистов самых разных областей знания, которые могли бы эффективно взаимодействовать. Координировать работу таких групп должны специалисты, которые владеют знаниями во всех основных предметных областях, имеющих отношение к созданию микросистем, а также владеют современной методикой реализации инновационной деятельности.

Микроактюаторы

Микроактюатор (составная часть МЭМС) - это устройство, которое преобразовывает энергию в управляемое движение. Микроактюаторы имеют размеры от нескольких квадратных микрометров до одного квадратного сантиметра. Диапазон применения микроактюаторов чрезвычайно широк и различен, и он постоянно возрастает. Они используются в робототехнике, в управляющих устройствах, в космической области, в биомедицине, дозиметрии, в измерительных приборах, в технологии развлечения, автомобилестроении и в домашнем хозяйстве.

Основные используемые методы получения активации (движение, деформация, приведение в действие) в таких устройствах могут быть сведены к следующим: электростатический, магнитный, пьезоэлектрический, гидравлический и тепловой. Наиболее перспективными методами считаются пьезоэлектрический и гидравлический, хотя и другие имеют важное значение. Электростатическая активация применяется примерно в одной трети актюаторов, и, вероятно, это наиболее общий и хорошо разработанный метод, его главные недостатки это износ и слипание. Магнитные актюаторы обычно требуют относительно большой электрический ток (т.е. много энергии), также на микроскопическом уровне при использовании электростатических методов активации, получаемый выходной сигнал на относительную единицу размерности лучше, чем при использовании магнитных методов, т.е. при одном и том же размере электростатическое устройство выдаёт более хороший выходной сигнал. Тепловые актюаторы тоже потребляют относительно большое количество электрической энергии, и главный их недостаток в том, что генерируемое тепло рассеивается. В настоящее время разрабатываются микроактюаторы, основанные на эффекте памяти формы, которые могут быть минитюаризированы до субмикронных размеров.

При изготовлении и эксплуатации МЭМС встречается масса особенностей и проблем, обуславливаемых малыми размерами - например проблема сухого трения, или опасность поломки из-за сил поверхностного натяжения. Поэтому проектирование микросистем черезвычайно важный процесс. Существует довольно много специальных программных средств , которые позволяют моделировать МЭМС устройства.

Законы пропорциональной миниатюризации

При изучении микросистем последствия пропорционального уменьшения размеров представляют особый интерес. То есть принимается, что все размеры и углы остаются в фиксированном соотношении друг с другом, а изменяется только масштаб длины, например, предположим изометрический масштаб. Механические процессы описываются соответствующими характеристическими числами, которые должны остаться постоянными, для того чтобы процессы остались такими же. Некоторые характеристические числа зависят от размера системы, а другие независимы от него. Здесь представлены только некоторые характеристические числа, которые особенно интересны для применения в микросистемах.

Число Коши (упругие колебания)

Число Коши [Формула 1 (Рис.36)] определяет соотношение инерционных сил и сил упругости в твёрдом теле, оно характеризует движение или вибрацию. Число Коши зависит только от квадрата длины L и частоты колебаний ω, а также от свойств материала (от плотности - ρ и модуля Юнга - Е). При упругой вибрации, это, следовательно, подразумевает, что масштаб частоты колебаний обратно пропорционален длине. Из этого следует, что механические микросистемы обладают очень высокими собственными частотами. Хотя собственные частоты ограничивают рабочий диапазон, миниатюризированные системы проявляют значительно улучшенные динамические характеристики и более низкое время реакции.

Число Вебера (инерция, поверхностное натяжение)

Число Вебера [Формула 2 (Рис.36)] определено, как соотношение инерционных сил и поверхностного натяжения. Где u - это скорость, ρ - плотность и σ s - поверхностное натяжение, для воды значение σ s = 0,073 Н/м. Для больших чисел Вебера инерционные силы играют главенствующую роль, в то время как для маленьких чисел Вебера силы поверхностного натяжения значительны. Число Вебера имеет значение при формировании волн на свободных поверхностях, для потоков жидкости в капиллярах и каналах, а также в формировании капелек. Число Вебера связывает силу поверхностного натяжения с объёмными силами. При небольших размерах силы, связанные с поверхностью, доминируют.

Число Фурье (переходный процесс при переносе тепла)

Число Фурье [Формула 3 (Рис.36)] указывает на соотношение между накопленной энергией и проведённой тепловой энергией. Оно определяет степень проникновения и распространения тепла в случае переходного процесса при переносе тепла через коэффициент теплопроводности λ, удельную теплоемкость c p и плотность ρ. Число Фурье обратно пропорционально квадрату длины L и прямо пропорционально времени. Для F 0 <1 тело имеет однородную температуру и переходной эффект не имеет значения. В микросистемах, тепловые актюаторы достаточно быстры для того, чтобы выполнить механическую функцию. Актюаторы макродиапазона слишком медленны из-за своей тепловой инерции.

Число Фруда (механика, конвекция, механика жидкости)

Число Фруда [Формула 4 (Рис.36)] имеет важное значение для всех динамических перемещений в гравитационном поле. Оно характеризует соотношение между инерционными силами и силами гравитации (вес) в зависимости от скорости υ, ускорения из-за силы тяжести g и масштаба длины L. При больших значениях числа Фруда эффектом силы тяжести пренебрегают, в то время как при малых значениях числа Фруда можно пренебрегать силами инерции. Так как число Фруда обратно пропорционально величине длины, эффект гравитации уменьшается при уменьшении размеров. Действительно маленькие животные и микроорганизмы используют более высокую частоту шага, чем люди или большие животные.

Критерии оценки микроактюаторов

Для оценки качества микроактюаторов используются следующие показатели:

• Линейность определяет линейность выходного сигнала как функцию входного. Определяется как максимальная разница между опорной линейной линией и выходом актюатора.· Выражена как процент полного выхода.
• Точность - насколько точно и воспроизводимо выполнена искомая активация.
• Погрешность определяет разность между реальным перемещением и целевым.
• Для р азрешения имеется три определения:

1. Наименьший обеспечиваемый шаг.
2. Наименьшее приращение входа, приводящее к обнаружению активации.
3. Наименьший определяемый шаг.

• Воспроизводимость - отклонение выходного сигнала по циклам работы
• Гистерезис - это разница между выходным сигналом актюатора Y, когда Y получают в двух противоположных направлениях.
• Пороговое значение - начиная с нулевого входного сигнала, наименьшее начальное приращение входа, которое приводит к обнаружению выходного сигнала актюатора.
• Холостой ход - “мертвый” ход после смены направления ("b").
• Шум - флуктуации (случайные изменения) в выходном сигнале с нулевым входом.
• Дрейф - изменение выходного сигнала актюатора (с постоянным входом) в зависимости от изменения времени, температуры и т.д.
• Амплитуда - полный рабочий диапазон выходного сигнала актюатора.
• Чувствительность - отношение изменения выходного сигнала актюатора ΔY к изменению приращения входного сигнала ΔX.
• Скорость - скорость, с которой изменяется выходной сигнал актюатора.
• Переходная характеристика - резкое изменение выходного сигнала актюатора в ответ на ступенчатый входной сигнал.
• Ранжирование - о ценка для сопоставления разных методов активации: DS= -(dη/dV), где η - выход по энергии, V - объём.

Трение и износ

Правила пропорциональной миниатюризации приводят к факту, что на микроуровне поверхностные силы по сравнению с объёмными имеют большее значение. Из этого следует, что для микроактюаторов трение имеет очень большое значение. Кроме того, из-за своей маленькой массы микромеханические элементы обладают малой силой инерции, что ведёт к высоким динамическим характеристикам, и следовательно они часто работают с высокой рабочей частотой и скоростью.

С одной стороны трение ведёт к потерям, которое является причиной ухудшения функционирования элементов, с другой стороны трение приводит к износу, который негативно воздействует на функциональное поведение и ведёт к ускоренному старению и, в конечном счёте, поломке компонента. Трение является ключевым фактором, который определяет не только эффективность, но и долговечность. Однако трение не всегда сопровождается износом, возможно трение и без износа.

Трение - это явление, воздействующее на поверхностный слой материала, и практически не затрагивающее объёмные характеристики. Это результат взаимодействия контактных областей поверхностей. Важные факторы, влияющие на величину трения: состояние поверхности, поверхностная топология и взаимодействующие материалы. По сравнению с традиционным машиностроением в микросистемах появляется трение твердых тел (сухое трение). Для микромоторов сила поверхностного натяжения настолько велика, что существенно влияет на их функционирование. Поэтому в качестве подшипников скольжения используют подшипники сухого трения, которые, однако, могут быть снабжены молекулярными смазочными плёнками для уменьшения трения и износа. В этом случае характеристики смазки и контактной поверхности становятся главными факторами. Характеристики материалов для смазочных плёнок молекулярной толщины изменяются. Следует заметить, что на сегодняшний день ещё не существует общепринятых методов применения молекулярных плёнок толщиной в несколько нанометров. В этом случае шероховатость поверхности имеет более высокую важность, чем толщина используемой в микросистемах плёнки, которая лежит в пределах от нескольких десятков до нескольких сотен нанометров.

Классическая инженерная модель макроскопического трения имеет следующие существенные характеристики:

1. Сила трения зависит только от нормальной силы F N и всегда действует в направлении противоположном направлению движения.
2. Сила трения не зависит от величины поверхности соприкосновения.
3. Сила трения не зависит от скорости скольжения.
4. Сила трения покоя всегда больше силы трения движения.
5. Силы трения зависят только от двух материалов, которые скользят друг по другу.

Следующая формула, названая законом Кулона - Амонтона, выражает эти соотношения: F 1 =μF N , где F 1 и F N - это тангенциальная и нормальная составляющая силы и μ - кинетический коэффициент трения. Некоторые коэффициенты сухого трения скольжения μ для различных комбинаций материалов представлены в таблице.

Любая поверхность имеет неровности и поверхностную волнистость, что приводит к тому что фактическая область контакта состоит из отдельных контактных точек. Точки контакта или неровности составляют только малую долю общей площади поверхности, зависящую от нагрузки.

Так как исключительно точки контакта вносят вклад в генерацию силы, напряжение в точках контакта соответственно высоко, и предел текучести материала σ m может быть достигнут при относительно малых силах. В пределах контактных точек происходят эластичные и пластические деформации, посредством чего общая суммарная площадь контакта А становится прямо пропорциональной давлению и обратно пропорциональной пределу текучести, A=p/σ m . В контактных областях силы междуатомного взаимодействия действуют между смежными участками вещества, которые противостоят касательному напряжению σ s . В этом случае силы трения переносятся только в область контакта. Таким образом, сила трения становится пропорциональной фактической площади контакта, и коэффициент трения находится по формуле μ=σ s /σ m . Эта модель даёт возможность объяснить трение Кулона, так как трение становится пропорциональным нагрузке, и не зависит от кажущейся площади. Сумма точек области находящихся в реальном контакте возрастает с увеличением нагрузки, из-за вовлечения большей области в адгезионное взаимодействие деформацией. Модель также объясняет, почему различные поверхности материалов имеют различный коэффициент трения - атомные поверхности имеют разные межмолекулярные связи. Некоторые применения этой идеи могут подтвердить вывод о том, что грубые поверхности могут иметь меньшее трение, чем очень хорошо отполированные, поскольку большая часть поверхности находится в контакте. Главная роль смазки - держать поверхности раздельно.

Износ, который сопровождает трение, отчасти можно представить в виде следующей картины. Внутри точек контакта происходит сильная нагрузка на материал, которая приводит к пластическим деформациям с одной стороны и с другой стороны, из-за слипания точек контакта, к формированию трещин на поверхности контактирующего материала и в результате к необратимым изменениям. Для износа характерны следующие механизмы:

• Адгезия (слипание)
• Абразивный износ (стирание)
• Эрозия из-за разрыва оксидных покрытий
• Усталость.

Вследствие адгезии может осуществляться перенос вещества между точками контакта и происходить искажение кристаллической решетки. Силы адгезии увеличиваются для веществ, которые имеют большее взаимное адгезивное сходство или химическую растворимость, создавая больший износ при контакте похожих поверхностей, чем при разнородных. Идеальным для предотвращения трения является материал, который сопротивляется образованию химических связей со множеством других материалов. Эта химическая инертность найдена в некоторых материалах, таких как тефлон. На атомном уровне было определено, что сухое трение иногда меньше, чем жидкое, потому что жидкость предоставляет больший фактический контакт между поверхностью и жидкостью, что приводит к гораздо большему адгезионному трению. Текстурирование может быть прежде всего использовано для уменьшения стикции (слипания) и трения покоя, так как более нерегулярные поверхности имеют меньшую стикцию. Текстурирование также может оказывать некоторую помощь смазочному материалу.

Различные типы микроактюаторов

Преобразование энергии

Цель микроактивации - это получение силы, которая могла бы производить механическое перемещение. Следовательно, разные принципы получения активации могут быть оценены согласно их работоспособности, т.е. возможности использования механической энергии. По сравнению с электромагнитным преобразованием энергии, которое преобладает в традиционной инженерии двигательных механизмов, в микроактивации можно использовать множество разнообразных принципов, которые не имело смысла использовать по функциональным или по ценовым характеристикам в макротехнологии.

Начнём с фундаментального отношения: изменение накопленной энергии системы W является причиной появления силы F:

[Формула 5 (Рис.36)]

Если запас энергии изменяется между двумя состояниями W 1 и W 2 , мы получаем:

[Формула 6 (Рис.36)]

Если в дальнейшем предположить, что одно из двух состояний энергии равно нулю, тогда получаемая сила становится прямо пропорциональной накопленной энергии: F ~ W.

По этой причине, накопленная энергия и/или плотность энергии имеет ключевое значение для оценки работоспособности любого актюатора. Так как любое преобразование энергии связано с потерями, то и работоспособность также пропорциональна коэффициенту полезного действия η, с которым одна форма энергии может быть преобразована в другую. Мощность и работоспособность системы характеризуется также временем, которое необходимо для получения и израсходывания запаса энергии. Этот временной интервал может быть оценен по временной константе, которая является характерной для конкретного принципа активации. Решение, какой принцип активации использовать, должно приниматься, учитывая достижимую плотность энергии, скорость изменения состояния (временная константа τ) и эффективность использования энергии η. В зависимости от этих величин мощность системы можно выразить следующим образом:

[Формула 7 (Рис.36)]

Следует заметить, что запас энергии увеличивается с увеличением объёма, таким образом, мы имеем третью степень величины, которая характеризует размер λ, (например, м 3) а когда мы имеем дело с силой, то у нас вторая степень (м 2). Однако, так как в некоторых важных случаях достижимая плотность энергии также зависит от размера, то эта зависимость - третья степень величины характеризующей размер - не всегда правильна. Для микросистем это приводит к такому важному факту: станут привлекательными для использования те принципы преобразования энергии, которые не соответствуют макродиапазону. Вообще связь между силой и величиной характеризующей размер может быть описана соотношением F~λ n . Типичные значения показателя степени n для разных принципов преобразования энергии сведены в таблице.

Перечисленные принципы отличаются по достижимой плотности энергии, временной константе, и по выходу энергии. Эти соотношения определяют достижимую силу и плотность энергии. Типичная плотность энергии для основных принципов преобразования, используемых сегодня, лежит внутри диапазона w=10 5 -10 6 Вт*с/м 3 . Однако, так как быстродействие, выраженное через временную константу, отличается сильно, то плотность энергии w/ изменяется в более широком диапазоне, от 10 -6 -10 0 Вт/см 3 . Гидравлические и пневматические актюаторы достигают самой высокой плотности энергии, можно даже сказать, что не существует в микродиапазоне актюаторов с более высокой плотностью энергии. Годную к использованию механическую энергию получаем из произведения плотности энергии и коэффициента полезного действия. Эффективность (КПД) зависит от принципа действия и размера, следовательно, в микродиапазоне некоторые принципы активации имеют одинаковую работоспособность.

Электростатические актюаторы

Для плоского конденсатора накопленная энергия U может быть рассчитана по формуле [Формула 8 (Рис.36)], где C -ёмкость и V -напряжение между обкладками конденсатора.

Когда пластины конденсатора перемещаются навстречу друг другу, работа, совершаемая силой взаимодействия между ними, может быть рассчитана, как изменение U в зависимости от изменения расстояния (x ). Сила рассчитывается по формуле [Формула 9 (Рис.36)]

Существует несколько вариантов реализации электростатических актюаторов на основе плоскопараллельных конденсаторов:

Однако для генерации больших сил, которые будут совершать полезную работу такого устройства, необходимо, чтобы при изменении расстояния сильно изменялись ёмкости. Это и есть руководство к действию для получения электростатических гребневых микродвигателей (рис.5).

Гребневые микродвигатели состоят из большого количества встречностержневых штырей (рис 5). При приложении напряжения, появляется сила взаимодействия между штырями, и они начинают двигаться. Увеличение ёмкости пропорционально количеству штырей, таким образом, для генерации больших сил, требуется большое количество штырей. Одной из потенциальных проблем такого устройства будет то, что если поперечное расстояние между штырями не одинаково с обеих сторон, (или если устройство поломано), то возможно движение штырей под прямым углом к правильному направлению и соединение их друг с другом. Гребневые двигатели особенно распространены среди устройств, полученных поверхностной микрообработкой.

Двигатели качения названы так по действию раскачивания, положенному в основу их принципа работы. На рис 6(a,b) показана конструкция двигателя качения, полученного при помощи технологии поверхностной микрообработки. Ротор - это круглый диск. Во время работы снизу расположенные электроды последовательно, друг за другом, включают и выключают. Диск последовательно притягивается к каждому электроду; край диска контактирует с диэлектриком, расположенным над электродами. В такой манере он медленно вращается по кругу; делая один оборот вокруг своей оси совокупностью нескольких изменений напряжения на статоре.

Другая конструкция двигателя качения представлена на рис 7. Ротор, находящийся внутри статора, формирует ось двигателя. Электрическое поле раскачивает ротор внутри статора, и трение вращает ротор.Проблемы могут возникнуть, если быстро износится изоляция на электродах статора, если произойдёт сцепление или слипание с ротором, если ротор и подшипник не круглые.

Проблема моторов полученных поверхностной микрообработкой - это их очень маленькие вертикальные размеры, поэтому так трудно достичь большого изменения ёмкости при движении ротора. Для преодоления этих проблем можно использовать LIGA технологию. Мотор, изготовленный по этой технологии, показан на рисунке 6(c,d) - здесь цилиндрический ротор вращается вокруг статора.

1) Преимущества:

• выгодность пропорционального уменьшения размеров
• лёгкость миниатюризации

2) Недостатки

• для большинства электростатических актюаторов частицы пыли и поверхностные дефекты могут быть причиной поломки вследствие малых воздушных зазоров
• высокое напряжение
• для двигателей вращения малый вращающий момент и короткий срок жизнедеятельности из-за трения.

Магнитные актюаторы

Прежде всего следует сказать, что довольно часто микроустройства изготавливают при помощи гальванотехники, используя никель (это особенно характерно для LIGA технологии). А так как никель это ферромагнитный материал, то это стало первопричиной появления магнитных актюаторов.

Основным компонентом большинства актюаторов этого типа является тонкоплёночная структура пластины, которая поддерживает электролитический пермаллоевый участок, генерирующий механическую силу и вращающий момент при условии помещения его в магнитное поле. Как структурные пластины, так и поддерживающие балки сделаны из поликристаллических тонких плёнок. Механизм активации проиллюстрирован на рис 8. Когда внешнее магнитное поле равно нулю структурная пластина параллельна плоскости подложки. Когда внешнее магнитное поле H внеш, приложено нормально к плоскости структурной пластины, внутри пермаллоевого участка возникает вектор намагниченности М и он впоследствии взаимодействует с H внеш. Взаимодействие создаёт вращающий момент (М маг) и небольшую силу, воздействующую на свободный конец консольной балки при этом заставляя её изгибаться.

При приложении внешнего подмагничивания, пермаллоевый материал рассматривается как материал, имеющий постоянный плоскопараллельный вектор намагниченности с величиной равной намагниченности насыщения М нас. При помещении во внешнее магнитное поле генерируется две компоненты силы. Величина обоих, как F 1 (которая действует на верхнюю грань), так и F 2 (которая действует на нижнюю грань) рассчитывается следующим образом:

F 1 = М нас ×W×T×H 1

F 2 = М нас ×W×T×H 2 ,

где H 1 и H 2 напряжённость магнитного поля на верхней и нижней грани пластины (в текущей конфигурации H 1 < H 2). Величина H 1 и H 2 линейно зависит от соответствующего расстояния до поверхности электромагнитного источника. Пластина вместе с пермаллоевым участком рассматривается как твёрдое тело так как она существенно толще консольной балки. Основываясь на этом предположении систему сил, упрощают, перемещая F 1 до совмещения с F 2 . Результатом является вращающий момент, действующий против часовой стрелки и сосредоточенная сила, воздействующая на нижнюю грань структурной пластины. Этот результат можно представить как:

М маг = F 1 ×L×cosθ

Вращающий момент всегда стремится уменьшить полную энергию в системе актюатора, выравниванием вектора намагниченности с силовыми линиями внешнего магнитного поля.

Фотография магнитного микроактюатора, полученная на сканирующем электронном микроскопе, представлена на рис. 9 (a-вид сверху, b-в перспективе).

Примером магнитного микроактюатора другой конструкции может служить линейный мотор, показанный на рис 10. Магнит, расположенный в канале, движется взад-вперёд при переключении тока в обмотках, то с одной, то с другой стороны канала.

Общая проблема, связанная с магнитными актюаторами, заключается в том, что обмотки двумерны (трёхмерные обмотки очень тяжело изготовить на микроуровне). Вдобавок ограничен выбор магнитного материала - выбираются только те материалы, которые легко обработать на микроуровне, и получается, что не всегда материал магнита выбирается оптимально. Во многом из-за этого магнитные актюаторы потребляют большое количество энергии и рассеивают много тепла. Следует отметить, что для изготовления микроскопических компонентов (размером до нескольких миллиметров) электростатические устройства обычно выгоднее магнитных, однако при более больших размерах магнитные устройства превосходят электростатические.

Пьезоэлектрические актюаторы

В основе теории пьезоэлектрических актюаторовлежит прямой пьезоэлектрический эффект - появление электрических зарядов разного знака на противоположных гранях некоторых кристаллов при их механических деформациях: сжатии, растяжении и т.п и обратный пьезоэлектрический эффект - состоит в деформации этих же кристаллов под действием внешнего электрического поля. Основная формула для прямого эффекта:

[Формула 10 (Рис.36)],

для обратного:

[Формула 11 (Рис.36)],

где Di - вектор электрического смещения, Ej- напряжённость электрического поля, Ek- относительная деформация, σk- механическое напряжение. Основными параметрами являются: dik - пьезоэлектрические коэффициенты, Sik- коэффициенты упругой деформации, коэффициенты диэлектрической проницаемости Eik.

На рис. 11 показано два простых примера, демонстрирующих принцип действия пьезоэлектричекских актюаторов. На рис. 11-а слой пьезоэлектрика осаждён на балку. При приложении напряжения балка изгибается. Такой же принцип можно применить и с тонкой кремниевой мембраной (рис. 11-b). Если приложить напряжение, мембрана деформируется.

Наибольшую популярность имеют следующие конструкции пьезоэлектрических

Микроактюаторов(Рис. 35).

Гидравлические актюаторы

Гидравлические микроактюаторы имеют значительный потенциал, так как они могут передавать довольно много энергии от внешнего источника по очень узким трубкам. Это факт можно использовать в таких местах как наконечник катетера, смонтированного микрохирургического инструмента.

Для производства микротурбин может использоваться LIGA технология (рис12). Эта микротурбина обеспечивает энергией режущий микроинструмент.

К особенностям гидравлических микроактюаторов можно отнести то, что он имеет довольно большие размеры, высокий уровень выходных сил и может иметь крайне низкое трение.

Тепловые актюаторы

Тепловые актюаторы используют как линейное или объёмное расширение жидкости или газа, так и деформацию формы вследствие биметаллического эффекта, которые имеют место благодаря изменению температуры. Рассмотрим биметаллический актюатор. На рис. 13 вы видите балку из одного материала (кремний), и слой из другого материала (алюминий). Коэффициент теплового расширения у них разный. При нагревании, один материал расширяется быстрее, чем другой, и балка изгибается. Нагревание можно производить, пропуская через это устройство электрический ток.

Тепловые актюаторы могут создавать относительно большие силы, но нет конструкции которая бы позволяла это сделать с позиции эффективного использования энергии. Результат улучшается при увеличении разницы между коэффициентами теплового расширения и при большом изменении температуры, однако достигаемое КПД всё равно остаётся относительно маленьким. Газы и жидкости имеют намного больший коэффициент теплового расширения, чем твёрдые тела, и это можно использовать в термопневматических микроактюаторах. На рис. 14 показан резонатор, внутри которого находится жидкость, с тонкой мембраной в роли нижней стенки. Через нагревательный элемент (резистор) пропускается ток. Жидкость нагревается и начинает расширяться, деформируя мембрану.

Преимущества тепловых микроактюаторов:

1. Простая конструкция, рабочими элементами являются резистор нагрева и для использования биметаллического эффекта плёночная структура.
2. Подходящий размер, лежащий в микродиапазоне.
3. В качестве активных элементов применимы почти любые материалы, которые кроме различных коэффициентов расширения должны обладать достаточной прочностью. Обычно в качестве нагревателя используются резисторы извилистой формы, которые можно легко изготовить с использованием тонко- или толстоплёночной технологии.

Недостатки:

1. В настоящее время нагревательный элемент потребляет очень много энергии для того, чтобы тепловой актюатор смог развить относительно большую силу, т.е. у тепловых актюаторов невысокий КПД.
2. Нагревательный элемент необходимо охлаждать, чтобы вернуть актюатор в исходное положение, а значит тепло должно быть рассеяно в окружающую среду. Это естественно занимает некоторое количество времени и ограничивает быстродействие.

Изготовление МЭМС

Проектирование микросистем

Так как проектирование МЭМС почти на всех своих фазах автоматизировано, то сосредоточим своё внимание на методологиях, алгоритмах, методах описания и моделирования, используемых при автоматизированном проектировании. Всё вышеуказанное объединяется в ёмкое понятие CAE - Computer AidedEngineering. Специфические характеристики и различия между проектированием, производством и применением микросистем по сравнению с традиционными (макро) реализациями вытекают из их размеров.

Микросистемная технология непригодна для производства опытных образцов. Если схема производства для массового производства по групповой технологии нарушается, то это влечёт за собой дополнительные расходы. Поэтому производство опытного образца следует избегать настолько, насколько это возможно. Кроме высокой стоимости производства опытного образца для выполнения производственного цикла требуется очень большое количество времени. В зависимости от сложности, цикл занимает несколько дней, недель или даже полгода. За то же самое время огромное количество вариантов конструкции может быть проверено при помощи моделирования.

Проектирование включает в себя высокую ценовую ответственность за каждый следующий шаг в жизненном цикле изделия. В типичном цикле изделия:

• а)Планирование проекта;
• б)Проектирование;
• в)Производство;
• г)Сбыт;
• д)Сервисное обслуживание;
• е)Утилизация,

проектирование существенно влияет на стоимость следующих шагов, хотя прямые издержки на проектирование относительно малы. Обычно издержки на проектирование это 10 % от общей стоимости, хотя оно несёт ответственность за 70-80% общей стоимости.

В отличие от традиционных систем, возможность ремонта микросистем и особенно интегральных схем очень ограничена. Таким образом, главная цель при разработке состоит в том, чтобы получить полностью функционирующую систему в первой же реализации. Хотя типичная интенсивность отказов относительно высока (около 10%), контролируемость системы также является важной задачей при проектировании.

На сегодняшний день микросистемы состоят из отдельных компонентов, таких как сенсоры и актюаторы, которые интегрированы и упакованы вместе с управляющей и вычислительной электроникой. МЭМС отличаются разнообразием применений. Для проектирования, таким образом, возникает вопрос, в какой степени отдельные этапы проектирования могут быть стандартизированы и автоматизированы. Взаимосвязь между задачами проектирования и моделирования представлена на рис. 15.

Не все шаги могут быть автоматизированы одинаково. В особенности концептуальное проектирование и разработка принципов действия, которые основаны на творческой способности разработчика и, следовательно, не могут быть стандартизированы. А творческую способность можно только в небольшой степени поддержать средой проектирования.

Материалы для МЭМС

При создании микросистем, фактически, выделяют две группы материалов:

1. Конструкционные (стекло, монокристаллический, поликристаллический, пористый кремний, диоксид и нитрид кремния, полиимид, вольфрам, никель, медь, золото, алмазо-подобный углерод), использующиеся для формирования:

• несущих конструкций;
• токоразводки;
• смазки.

2. "Активные умные" (никель/титан, пермаллой, кварц, окись цинка, пьезокерамика, материалы группы A 3 B 5 , А 4 В 6), выполняющие за счет электростатических, электромеханических, пьезоэлектрических, магнитных, оптических явлений и эффекта памяти формы функции:

• источников движения;
• механизмов передачи движения;
• сенсорных и активирующих сред.

При создании микросистем различного функционального назначения на основе композиций разнородных материалов должны учитываться следующие параметры:

• кристаллохимическая совместимость;
• термомеханическая совместимость;
• тепловая стойкость (допустимая тепловая нагрузка, учитывающая температуру Дебая, точку Кюри, а для полупроводников и температуру перехода в состояние, когда концентрация собственных носителей заряда близка к примесной; способность вещества отдавать энергию в окружающую среду за счет теплопроводности, а при высоких температурах и за счет теплоизлучения);
• электрическая стойкость;
• механическая стойкость;
• механическая усталость.

Мировой опыт изготовления MEMSоснован на широком использовании кремния - дешевого и доступного материала. Однако технологий кремниевой микромеханики и обработки информации на кремнии (КМОП-схемы), недостаточно для успешного развития МЭМС. Поэтому большое значение имеют системы, в которых наряду с кремнием и другими полупроводниковыми материалами используются полимеры, керамика, металлы.

В классической микроэлектромеханике, ориентированной на базовые кремниевых микротехнологий в настоящее время господствует структура "кремний на диоксиде кремния". Учитывая тот факт, что микросистемы представляют собой сложные гетерогенные композиции, требующие сочетания совокупности разнородных материалов, и с учетом возможных особенностей их функционирования (высокие температуры, агрессивные среды, радиация), несомненный интерес в качестве базовой материаловедческой среды представляет композиция "карбид кремния на нитриде алюминия". Данная композиция сочетает в себе два широкозонных материала, один из которых - нитрид алюминия - является ярко выраженным диэлектриком (6,2 эВ) и обладает хорошими пьезоэлектрическими свойствами, а другой - карбид кремния (3,0 эВ) - широкозонный полупроводник. Оба материала оптически активны, в том числе в ультрафиолетовой области спектра, имеют высокую теплопроводность и температуру Дебая, характеризующую стойкость материала к внешним воздействиям (термическим, химическим, радиационным).

Технологии производства МЭМС

Для изготовления микросистем главным образом используется групповая технология. При использовании подобной технологии одновременно обрабатывается большое количество элементов, при чём ручное вмешательство либо вообще не требуется, либо оно незначительно. Например, осаждение плёнок, оптическая литография, гальваника или травление. Многие из этих технологий были развиты в полупроводниковой технологии.

Так как микросистемы имеют крошечные размеры, издержки на материалы малы, а это означает, что производственные затраты низкие, несмотря на то, что накладываются особые требования на необходимую чистоту материалов. Стоимость заводов по производству высока. Производственное оборудование требует очень высокой точности (чистое помещение, покрытие…). Кроме того, высоких издержек требуют обслуживание и контроль (например, управление производственным процессом, контроль над нанесением покрытия).

В настоящее время существует несколько базовых технологий производства МЭМС, составной частью которых, в том числе, являются микроактюаторы.

Кремниевая объёмная микрообработка.

Под кремниевой объёмной микрообработкой понимают технологию глубинного объёмного травления, при чём травление может быть как жидкое химическое анизотропное, так и плазменное.

Сухое травление.

Сухое травление - это метод силиктивного удаления не маскированных участков поверхности. Особенности процесса заключаются в том, что этот процесс можно комбинировать с технологией тонких плёнок и с технологией КМОП. Также посредством физико-химического травления контролируется профиль травления.

Параметры процесса	Преимущества	Недостатки
1.Параметры плазмы: состав газа напряжение смещения температура подложки плотность плазмы давление процесса	1.Осмысленно получаемое горизонтальное изображение.	1.Обработка пластин по отдельности.
- термически SiO, -нанесение фоторезиста - металлизация (Cr, Al).	2.Изменяемый профиль	2.Увеличение времени травления.
3. Химическое воздействие: с обратной стороны (мембраны, отверстия) -геометрическая форма определяется шаблоном маски, с передней стороны (консоли, каналы, затворы)	3.Возможно получение рельефных изображений	3.Нет собственного ограничителя травления и определения изображения
4.Газы травителя: SF 6 - CBrF 3 при t< 270K SF 6 - O 2 при t< 100 K CHF 3 - O 2 при t< 100 K CHCl 3 при t< 270 K.

Жидкое химическое анизотропное травление

В этом процессе используется то, что разные кристаллографические направления кристалла травятся с разной скоростью (остаётся поверхность с ориентацией 111).

Параметры процесса	Преимущества	Недостатки
1. Ориентация подложки: 111(канавка V-образного сечения) 110(канавка U-образного сечения, не стандартизована)	1. Простой процесс группового изготовления.	1. Маскирование для глубинного травления.
2. Маскирование тонкими плёнками: - термически SiO 2 , - химическим осаждением из паровой фазы при пониженном давлении SiO 2 или Si 3 N 4 - металлизация (Cr) для термомеханической обработки.		2. Ограниченный набор получаемых изображений.
3. Химическое воздействие: с обратной стороны (мембраны, каналы) - геометрическая форма определяется кристаллографическими плоскостями, с передней стороны (консоли, каналы) - геометрическая форма определяется подтравливанием.		3. Проблемы с внешними углами.
4. Процесс группового изготовления ограничен поверхностной реакцией.

Подробно этапы жидкого химического анизотропного травления представлены на рис. 16.

1. (100 - подложка)
2. p + легирование для получения слоя остановки травителя
3. осаждение эпитаксиального слоя
4. окисление
5. литография и травление SiO 2
6. анизотропное травление

Кремниевая поверхностная микрообработка

Главной особенностью этой технологии является то, что она совместима с полупроводниковой технологией, для микрообработки используется КМОП технология.

Параметры процесса	Преимущества	Недостатки
1. Плазмохимическое осаждение из паровой фазы или химическое осаждение из паровой фазы при пониженном давлении поликристаллического кремния, фосфорокварцевого стекла.	1. Осмысленно получаемаягоризонтальная геометрическая форма	1. Уменьшенное отношение ширины канала к длине
2. Маскирование полимерами и тонкими плёнками: - нанесение фоторезиста - термически SiO 2 - химическим осаждением из паровой фазы при пониженном давлении SiO 2 или Si 3 N 4 фосфорокварцевого стекла.	2. Изменяемый профиль	Сокращение количества материалов
3. Сухое и жидкое термическое окисление.	3. Есть возможность получать свободные структуры
4. Геометрическая форма определяется маскированием и при травлении.	4. Совместимость с КМОП.
5. Травление (сухое и жидкое)

Подробно этапы кремниевой поверхностной микрообработки представлены на рис. 17.

1. Осаждение изолирующего слоя и основы из поликристаллического кремния.
2. Осаждение 1-го жертвенного слоя и формирование исходного рисунка.
3. Осаждение поликристаллического кремния и формирование изображения рисунка статора и ротора
4. Нанесение рисунка на 1-ый жертвенный слой и на 2-ой жертвенный слой
5. Травление жертвенных слоёв и освобождение ротора

LIGA технология

Технология разработана в Германии примерно 30 лет назад. Аббревиатура означает - рентгенолитография, гальваника и формовка. Сущность процесса заключается в использовании рентгеновского излучения от синхротрона для получения глубоких, с отвесными стенками топологических картин в полимерном материале. Излучение синхротрона имеет сверхмалый угол расходимости пучка. Источником излучения являются высокоэнергетические электроны (энергия Е>1ГэВ) движущиеся с релятивистскими скоростями. Глубина проникновения излучения достигает единиц миллиметров. Это обуславливает высокую эффективность экспонирования при малых временных затратах. Подробно этапы LIGA технологии представлены на рис. 18.

SIGA технология

Аббревиатура означает - ультрафиолетовая литография, гальваника и формовка. Из особенностей этого процесса можно отметить, что можно управлять шириной профиля и то, что технология совместима с технологией тонких плёнок. Подробно этапы SIGA технологии представлены на рис. 19.

Технология корпускулярно-лучевого формообразования

В настоящее время существуют два направления корпускулярно-лучевого формообразования: локально-стимулированный рост (осаждение или полимеризация) и локально-стимулированное прецизионное травление, в основе которых лежит воздействие на среду или материал концентрированного потока энергии (световые, электронные, ионные пучки) управляемого во времени и пространстве. Традиционной технологией формирования объемного рисунка в стекле, полимерах, керамике является обработка объекта остросфокусированным лазерным пучком (лазерное микрофрезирование).

Данный вид воздействия в зависимости от локально выделяемой мощности (10 5 -10 9 Вт/см 2), длительности и скважности воздействия, поглощающей способности обрабатываемого материала и его температуропроводности позволяет осуществлять как процессы модифицирования материалов, так и удаления за счет испарения. Изменение глубины фокуса наряду с вариацией ранее указанных параметров позволяет переходить от поверхностной к объемной микрообработке объектов.

В последнее время за рубежом применительно к решению задач формирования трехмерных микрообъектов интенсифицировались работы в области локального стимулированного роста 3D-структур сложной конфигурации (пружины, клапаны). Существует два основных направления получения объемных микрообъектов за счет лазерной стимуляции:

• лазерное осаждение из газовой фазы (LCVD) ;
• фотостимулированная полимеризация .

Последний вариант получения объемных микрообъектов из полимеров назван микростереолитографией . Осаждение и полимеризация осуществляются слой за слоем и позволяют реализовать разнообразные трехмерные объекты размером до нескольких миллиметров с микронным разрешением.

Достоинствами лазерного формообразования являются:

• возможность реализации операций в открытых не вакуумных системах, что упрощает позиционирование и перемещение объекта;
• возможность работы не только с плоскими (планарными) объектами, но и с заготовками сложной формы, возможность создания сложного рельефа.
• возможность обеспечения высокой степени автоматизации обработки, гибкость процесса и перестраиваемость в реальном масштабе времени;
• возможность осуществлять модифицирование свойств материала, определяющее изменение физико-химических характеристик (например, структуры или фазовый состав, механическую прочность или растворимость).

В качестве недостатков метода лазерного формообразования можно отметить:

Наряду с лазерным формообразованием возможно применение электронной, ионной и плазменной микрообработки. Однако особенности получения фокусировки и позиционирования данных видов воздействий, позволяющих обеспечить субмикронное разрешение, требуют использования вакуумных технологических систем, а также создают существенные ограничения по глубинам обработки в условиях проведения пространственно прецизионных операций.

MUMPs

MUMPs - аббревиатура означает многопользовательская МЭМС технология - это очень известная коммерческая программа, которая предоставляет разработчику рентабельный доступ к поверхностной механической обработке. Эта программа, предлагаемая исключительно Cronos, предназначена для предоставления универсальной микрообработки разным пользователям, которые желают проектировать и изготовлять MEMS устройства. Она начала использоваться в декабре 1992 года. Этот процесс, можно сказать, трамплин, для того чтобы проектировать и проверять опытные образцы МЭМС устройств и ускорять процессы развития изделия. MUMPs - это процесс 3-х слойной поликристаллической поверхностной микрообработки, который успешно сочетает в себе основные стадии более простых процессов.

Волоконная технология

Изделия из стекла с малым поперечным сечением в виде определенной микроструктуры и технология их изготовления известны достаточно давно (микроканальные пластины, рентгеношаблоны из стекловолокна, устройства волоконной оптики). Суть стекловолоконной технологии заключается в спекании пучка стеклянных волокон (полых или сплошных), различающихся избирательностью к травлению по отношению к растворителю, вытягивании этого пучка до требуемого поперечного размера, разрезании вытянутой части пучка на куски и вытравливании затем из куска растворимых волокон. Укладка волокон в пучок осуществляется таким образом, что нерастворимые волокна образуют в сечении пучка структуру (топологию) изготавливаемой микроструктуры в некотором масштабе.

Так как для изделий микромеханики характерно наличие отверстий и поверхностей различных конфигураций, требуется подбор материалов и геометрии волокон. Данные процессы сборки пучка и его вытягивания не являются тривиальными, но позволяют изготавливать детали с минимальными поперечными размерами отверстий до 0,2 мкм при высоте (глубине, длине) от 100 мкм 1 см.

Особо следует отметить возможность изготовления деталей с винтообразными поверхностями путем скручивания вытянутого пучка вокруг его оси. Такие поверхности, как известно, характерны для винтов, червячных и косозубых колес и принципиально не могут быть реализованы с помощью LlGA-технологии.

Волоконная технология может быть отнесена к групповой технологии, так как однотипные изделия тиражируются в данном случае в составе одного волоконного пучка.

Применение МЭМС

Биомедицинские микроактюаторы.

Микроактюаторы полезно использовать в биомедицине, когда биологическими объектами необходимо управлять на микроскопическом уровне. Кроме того, способность интегрировать много микроактюаторов также просто, как и один, даёт возможность производить сложные микросистемы, способные контролировать много параметров.

Микроманипуляторы.

Для управления клетками, тканями и другими биологическими объектами, микроманипуляторы должны управляться микроактивационными механизмами, способными работать в проводящем растворе. Наилучшие кандидаты - это магнитная, пневматическая, тепловая и сплавов памяти формы активация. Магнитный микроактюатор, показанный на рис. 20, использовался для управления одноклеточным простейшим в солевом растворе. Микроактюатор сплава памяти формы, показанный на рис. 21, способен к сшиванию тканей при эндоскопических хирургических процедурах. Устройства второго поколения, выполненные из полимеров, в настоящее время испытываются на людях.

Субмикроманипуляторы

Сотрудники университета в Нагойе изготовили пинцет и иглу, смонтированные на осях, связанных с несущим основанием методом двухфотонной микростереолитографии (Ti /сапфир лазер, λ=763нм с длительностью импульса 130фс и частотой следования 8МГц). Сначала неподвижную ось и ограничители полимеризовали круговым сканированием лазерного пучка со снижением фокальной плоскости. Затем формировали кольцевую часть ножки пинцета, саму ножку - наращиванием дуг с увеличением радиуса и, наконец, субмикронный наконечник - ряд точек (рис. 22). Примечательно, что в процессе полимеризации детали плавают в смоле, вязкость которой удерживает их на месте. Длина наконечников пинцета 1.8мкм, диаметр 250нм, время их наращивания - 6 мин.

Пинцет приводили в движение с помощью упомянутого лазера, работающего в режиме непрерывной генерации. Авторы подчеркивают, что в отличие от электростатического пинцета, быстро смыкающегося при достижении порогового напряжения, здесь движение ножки пинцета точно контролируется заданным положением фокуса на всей траектории. Точность установки положения пинцета ~15нм, а удерживающее усилие пинцета регулируется при перемещении фокуса вдоль ножки в пределах одного порядка фемтоньютонов.

Авторы проводят пробы изготовления микромеханизмов с большей свободой перемещений одним сфокусированым лучом. Рис. 23 а,b показывают СЭМ изображение микроиглы с двумя степенями свободы и схему “лазерного привода” (фокус 250нм). Тестировали два вида движения иглы - линейное перемещение на 6.8мкм и вращение со скоростью 34об/мин. Демонстрируется также перемещение микрочастицы в жидкости и насаживание ее на острие иглы (рис. 24). Авторы готовят совмещение описанных манипуляторов с трехмерными полимерными микрожидкостными системами для применения их в бионанотехнологии, например, в аппаратурe для нанохирургии живых клеток и в системах наноанализа на одиночных молекулах.

Хирургические микроинструменты.

Способности хируругического взаимодействия большинства микроактюаторов с биологическими тканями препятствует их неспособность выдерживать силы порядка 1 мН. Наиболее успешное использование микроактивации в хирургических инструментах - это применение высокомощных шаговых двигателей и резонансных микроструктур. МЭМС технология может использоваться для увеличения разнообразия возможностей хирургических инструментов (например, микронагреватели, микросенсоры, доставка и извлечение жидкости). Скальпель, управляемый пьезоэлектрическим микроактюатором - это инновационный пример использования МЭМС технологии в хирургических инструментах (рис. 25). Пьезоэлектрический шаговый двигатель позволяет точно управлять положением скальпеля. Используя способность измерять напряжение, испытываемое скальпелем во время резания, можно количественно определять и управлять фактической силой резанья. Ультразвуковой режущий инструмент, изготовленный с помощью объёмной микрообработки - это другой хороший пример использования МЭМС технологии для применения в хирургических инструментах. Пьезоэлектрический материал присоединяется к режущему инструменту для резонирования кончика устройства в ультразвуковой частоте. Только когда устройство приведено в действие оно будет быстро и легко резать даже жёсткие ткани (например застывший глазной хрусталик пациента с катарактой). Устройство, показанное на рис. 26, включает в себя встроенный микроканал через который можно при резании удалять жидкость и хирургические остатки.

Микроиглы

Уменьшение боли, вызванное уколом иглы, важно для борьбы с боязнью этой процедуры пациентом и для его здоровья. Это особенно важно для пациентов страдающих диабетом, которые вводят в себя инсулин по крайней мере один раз в день. Нет никакой неожиданности в том, что самые маленькие иглы теперь предназначены для использования диабетиками (рис. 27 - слева). Микрообработка и МЭМС технология использовалась для производства кремниевых микроигл, которые намного более остры, чем существующие иглы (рис. 27 - справа).

Микрофильтры

Процесс используемый для производства обыкновенных фильтров, способных отбирать объекты микроуровня, неприменим из-за широкого статического разброса размеров объектов, которые могут проходить через фильтр. Микрообработка и МЭМС технология используется для создания фильтров, которые точно и однородно обработаны, и в которых значительно снижен статистический разброс проходящих объектов (рис. 28).

Микроклапаны

Было изготовлено несколько различных типов микроклапанов, в том числе и обычные клапаны открытия и закрытия для управления газами или жидкостями. Лидер по коммерциализации микроклапанов это Redwood Microsystem. Они разработали много разных клапанов, но каждый имеет много общих характеристик. Прежде всего одинаков механизм активации, используемый в каждом клапане - небольшое количество инертной жидкости нагревается встроенным резистором до тех пор, пока не будет вызвано фазовое изменение, которое вызовет довольно большую силу (рис. 29). Хотя процесс микропроизводства, который точно улавливает жидкость внутри микрораковины, далеко не тривиален, такие микроклапаны можно коммерциализировать. Эксплуатационные показатели микроклапанов выгодно отличаются от макроскопических соленоидальных клапанов. В частности микроклапаны обычно работают быстрее и имеют более длинный эксплуатационный срок службы, чем клапаны макроуровня. Свои микроклапаны также разработали компании TiNi, HP и NovaSensor. Так как микроклапаны обычно управляются тепловыми актюаторами, их расход энергии всё ещё довольно высок (0,1-2,0 Вт). Необходимо проявлять осторожность для предотвращения превышения температуры клапана, допускаемой средствами управления газами и жидкостями.

Микронасосы

Для управления микронасосами используются следующие виды микроактивации: электрические, магнитные и пьезоэлектрические. Первый пример это миниатюаризированный насосный механизм, который состоит из микромеханизмов, изготовленных по LIGA технологии, которые приводятся в действие магнитной силой. Он коммерциализирован MEMStek Products. Второй пример - это электростатически управляемый электронасос, полученный соединением множества, изготовленных по технологии объёмной микрообработки, кремниевых подложек вместе. Процесс соединения создаёт насосную полость с деформируемой мембраной и двумя односторонними запорными клапанами (рис. 30).

Группа из Калифорнийского университета представила недавно магнитный микромотор, производящий вращение свободного ротора в растворе с помощью статора, находящегося вне жидкости и состоящего из трех магнитомягких микрозондов с обмотками (рис.31). Получена скорость вращения ротора до 250об/мин, ограниченная темпом переключения каналов компьютером. Скорость может быть значительно выше как следствие малой массы и момента инерции вращения ротора, а также малой индуктивности зондового узла.

Всеобщая чувствительная сеть - “Умная пыль”

Агентство перспективных разработок МО США запустило новую Программу “Умная пыль”, нацеленную на создание крохотных устройств, способных генерировать энергию, чувствовать (самые различные сенсоры) и общаться между собой и с внешним миром. В сочетании они должны будут образовать всеобщую чувствительную сеть. На рис. 32 показаны микросхемы, подобные которым будут использоваться при создании умной пыли.

Множество "умных" пылинок может незаметно осесть на объект, взаимодействовать друг с другом и передавать информацию о состоянии объекта на центральный пульт управления.

Наноробот с десятицентовую монету

И другой перспективный американский проект, использующий микросистемные технологии: исследовательская группа, занимающаяся созданием электронных устройств и нанороботов, заявляет о создании нанороботов размером с монету (рис. 33, 34) (терминология авторов, корректнее было бы называть это устройство микророботом, или даже минироботом), которые способны производить десять тысяч движений в минуту. Проект называется NanoWalker и разрабатывается на базе лаборатории биотехнологий при Институте Технологий Массачусетса. Первая и главная особенность этих нанороботов состоит в том, что они уже сейчас способны передвигаться автономно — то есть "бежать и чинить" без проводов. Вторая особенность — это скорость перемещения роботов. Большинство существующих нанороботов далеки от совершенства: они не только вынуждены работать там, где их поместили, но, если и передвигаются, то делают это крайне медленно — одно движение в секунду (о размерах, правда, речь не идет - а между тем существуют роботы нанометровых размеров). Новое поколение умеет двигаться в трёх плоскостях, и достаточно быстро. Третья особенность роботов — сложность манипуляций: примитивные роботы могут выполнять движения грузчика — в одном месте взял — в другое положил. Роботы из Массачусетса умеют выполнять сложные задачи, требующие не только механических усилий.

В заключение еще раз можно отметить, что микроэлектромеханические системы обеспечат выход технологии на новый уровень, и, по-видимому, уже в ближайшее время прочно займут свое место в нашей жизни.

Список Литературы :

1. Microsystem Engineering (Prof. Dr.-Ing. Kasper), http://www.tu-harburg.de/mst/deutsch/lehre/mikrosystemtechnik/mst_eng.shtml
2. Introduction to microelectromechanical systems, http://www-ee.uta.edu/Online/cbutler/MEMSWebpage/
3. perst.isssph.kiae.ru
4. Лацапнёв Е., Яшин К.Д., www.micromachine.narod.ru
5. Журнал "Микросистемная техника", www.microsystems.ru
6. Научно-исследовательская лаборатория микротехнологий и МЭМС СПбГУ, www.mems.ru
7. www.memsnet.org
8. www.trimmer.net
9. www.microbot.ru
10. www.nanonewsnet.com
11. www.nanobot.ru
12. Lyshevski S.E., “NANO- AND MICROELECTROMECHANICAL SYSTEMS - Fundamentals of Nano- and Microengineering”, CRC Press

Здоровье гика

Микроэлектромеханические системы (МЭМС) представляют собой класс миниатюрных устройств и систем, изготовленных с помощью микрообработки процессов. Главный критерий при создании МЭМС – их размер. Обычно он не превышает 1 мм. Технологии МЭМС являются предшественником относительно более популярной области технологий, где размер устройств начинается от 100 нанометров.

Изначально термин МЭМС был придуман для обозначения миниатюрных датчиков и исполнительных механизмов, действующих между электрическими и механическими областями устройства. Постепенно термин эволюционировал вместе с самими МЭМС и охватил широкий спектр различных микроустройств, изготовленных при помощи микромеханической обработки.

Аналогичным образом термин «биомедицинские микроэлектромеханические системы » используется для обозначения науки и технологии производства микроприборов для биологических и медицинских применений. К ним относят биомедицинские датчики, имплантаты, микрохирургические инструменты и другие устройства.

Изобретение точечного транзистора Уильямом Шокли , Джоном Бардином и Уолтером Браттейном в 1947 году послужило толчком к созданию МЭМС. Первый транзистор был размером с 1,3 сантиметра, что намного больше нынешних. Современные технологии позволяют создавать транзисторы диаметром около 1 нанометра.

В 1954 году К.С. Смит обнаружил и описал пьезорезистивный эффект – изменение электрического сопротивления полупроводника или металла под воздействием механической нагрузки. В отличие от пьезоэлектрического эффекта, пьезорезистивный эффект вызывает изменения только в электрическом сопротивлении, а не в электрическом потенциале.

В результате экспериментов стало понятно, что кремний и германий более чувствительны к давлению воздуха или воды, чем металлы. Во многих устройствах МЭМС, таких как тензодатчики, датчики давления и акселерометры, используется пьезорезистивный эффект в кремнии.

Результатом открытия этого эффекта в полупроводниках стало начало промышленного производства датчиков давления на основе кремния. В 1959 году компания Kulite первой поставила их производство на поток.

При создании транзисторов инженеры сталкивались с ограничением размера. Каждый транзистор нужно было подсоединять проводами ко всей остальной электронике. Тогда возникла необходимость в чем-то таком, что могло бы вмещать в себя транзисторы, резисторы, емкости и соединительные провода. Одна такая подложка позволила бы создавать миниатюрные устройства.

Так в 1958 году два человека – Джек Килби из американской компании Texas Instruments и Роберт Нойз из Fairchild Semiconductor независимо друг от друга – собрали интегральную схему. Схема Килби состояла из транзистора, трех резисторов и одной емкости на кристалле германия – так называемая «твердая схема». Схема Нойза получила название «унитарной» и была сделана на кремниевом кристалле.

Схема Килби

В 1964 году компания Westinghouse Electric собрала первую серийную МЭМС. В устройстве, которое назвали резонансным затворным транзистором, были собраны механические и электронные компоненты. Транзистор работал как своеобразный частотный фильтр – пропускал электрические сигналы определенного диапазона.

Первое коммерческое применение МЭМС не заставило себя долго ждать: в 70-х годах Курт Петерсон из лаборатории IBM собрал микромеханический датчик давления, который нашел применение в датчиках кровяного давления.

В 1993 году компания Analog Devices стала первой серийно выпускать акселерометры МЭМС. В большинстве своем они использовались в автомобильной промышленности, но с годами область их применения расширилась до автономных систем навигации, игровых контроллеров, а также мобильных и компьютерных систем.

Области применения технологии МЭМС

В первые годы своего существования технология МЭМС оказалась революционной для многих областей науки, в том числе механики, акустики, оптики и других. Со временем появились уникальные решения и продукты в химической, биологической и медицинской области. МЭМС проникли в бытовую технику и электронику, автомобильную, биомедицинскую и аэрокосмическую промышленность.

Датчики давления

Первые микроэлектромеханические устройства, которые использовались 1980-х годах в биомедицинской промышленности – многоразовые датчики кровяного давления. Современные датчики давления МЭМС измеряют внутриглазное, внутричерепное, внутриутробное давление, а также используются во время ангиопластики.

По данным ВОЗ, глаукома – вторая самая частая причина слепоты после катаракты. Имплантируемые датчики давления позволяют непрерывно мониторить внутриглазное давление у пациентов с глаукомой. В здоровом глазу поддерживается давление в диапазоне 10-22 мм ртутного столба. Аномально высокое давление (>22 мм) и его колебания рассматриваются в качестве основных факторов риска развития глаукомы.

Это заболевание часто возникает без каких-либо заметных симптомов и боли, но может привести к необратимому и неизлечимому повреждению зрительного нерва. Без своевременного лечения страдает периферическое зрение и иногда наступает полная слепота.

Один из датчиков, измеряющих ВГД, показан ниже. Он представляет собой одноразовую контактную линзу с элементом датчика давления МЭМС. Датчик включает в себя петлю антенны (золотое кольцо), микропроцессор специального назначения – чип 2х2 мм и тензорезисторы для измерения кривизны роговицы в ответ на изменения внутриглазного давления. Петля антенны получает питание от внешней системы мониторинга и передает информацию обратно в систему.

Инерциальные датчики

Акселерометры МЭМС используются в дефибрилляторах и кардиостимуляторах. Пациенты, страдающие от учащенного или хаотичного сердцебиения, зачастую подвержены наиболее высокому риску остановки сердца или сердечного приступа.

Кардиостимулятор поддерживает нормальное сердцебиение путем передачи электрических импульсов к сердцу. В современных устройствах используются МЭМС-акселерометры, которые регулируют частоту сердечных сокращений в соответствии с физической активностью пациента.

Кроме того, инерциальные датчики МЭМС – акселерометры и гироскопы – использовались для разработки одной из самых необычных инвалидных колясок iBOT Mobility System. Сочетание нескольких датчиков позволяет пользователю управлять инвалидным креслом и регулировать высоту кресла, заставляя коляску балансировать на двух колесах. Таким образом человек в коляске может взаимодействовать с другими людьми лицом к лицу.

Измерительные преобразователи

Измерительные преобразователи нашли свое применение в слуховых аппаратах. Эти электроакустические приспособления используются для приема, усиления и направления звука в ухо. Таким образом слуховые аппараты компенсируют потерю слуха и делают аудиосигналы более различимой для пользователя.

Согласно статистике, 80% людей с частичной или полной потерей слуха не устанавливают слуховые аппараты. Причинами зачастую является нежелание признавать потерю слуха и социальные стереотипы, связанные с заблуждениями о ношении слуховых аппаратов. Следуя этим данным, многие производители вкладывают силы и деньги в миниатюризацию аппаратов, которая при этом не шла в ущерб производительности.

Технологии МЭМС позволяют уменьшить форм-фактор, стоимость и энергопотребление по сравнению с традиционными решениями. Так, например, Analog Devices, объем которого составляет всего 7,3 мм3, включает в себя микрофон МЭМС, подходящий в качестве слухового аппарата.

Микрогидродинамические системы

Микрогидродинамика представляет собой область научного знания, в которой рассматривается поведение малых объемов и потоков жидкостей. Типичная микрогидродинамическая система состоит из: игл, каналов, клапанов, насосов, смесителей, фильтров, датчиков и резервуаров.

Такие системы часто используются для проведения медицинских тестов у постели больного. Особую роль такие тесты и анализы играют в развивающихся странах, где доступ к больницам ограничен, а лечение обходится дорого. Диагностические микрогидродинамические системы используют телесные жидкости (слюну, кровь или образцы мочи) для предварительной подготовки образца для анализа, обнаружения искомого компонента в пробе вещества, а также для анализа данных и отображения результатов. Одной из самых широко известных и распространенных микрогидродинамических систем является тест на беременность.

Кроме того, эти системы используются для доставки лекарственных средств в конкретный орган человека. Так, при помощи микроигл осуществляется чрескожная доставка лекарственных средств. Существуют еще имплантируемые системы доставки (инсулиновая помпа, стенты с лекарственными препаратами) и непосредственно средства доставки лекарства (микро- и наночастицы).

Для больных сахарным диабетом в 2012 году была разработана специальная система доставки инсулина – JewelPUMP. Первая версия была установлена на одноразовый кожный пластырь и обеспечивала непрерывную подачу инсулина в организм человека. Вся система весила всего 25 граммов и вмещала до 5000 единиц инсулина, которого хватало на 7 дней без дополнительного пополнения или замены.

Микромеханические иглы

Современные технологии микрообработки позволяют изготавливать иглы размером менее 300 мкм, что является пределом традиционных методов обработки. Как правило, длина микроиглы МЭМС составляет менее 1мм. Их используют для доставки лекарственных средств, записи биомедицинских сигналов, взятия проб жидкостей, раковой терапии и микродиализа.

Часто такие микроиглы интегрируются в какое-либо устройство и используются в сочетании с системами микроканалов. Твердые и полые микроиглы изготавливаются при помощи микрообработки из кремния, стекла, металлов и полимеров. Они бывают разных форм – от цилиндрических до восьмиугольных.

Твердые микроиглы, изготавливаемые методом реактивного ионного травления кремния.

Микрохирургические инструменты

Малоинвазивная хирургическая процедура призвана обеспечить диагностику, мониторинг или лечение заболеваний путем проведения операций с очень маленькими разрезами или даже через естественные отверстия на теле человека. Преимущества такой хирургии перед традиционной открытой – меньше боли, минимальное повреждение тканей и количество рубцов, быстрое восстановление после операции, а зачастую и более низкая стоимость для пациента.

К общим процедурам малоинвазивной хирургии относят ангиопластику, катетеризацию, эндоскопию, лапароскопию и нейрохирургию. Микрохирургические инструменты на основе МЭМС являются наиболее приемлемыми технологиями в малоинвазивной хирургии.

Так для проведения процедуры ангиопластики, предназначенной для восстановления нормального кровотока через закупоренные артерии, используются сердечные стенты. Их вводят в кровеносный сосуд через катетер, чтобы расширить сосуд. Существует два основных типа стентов: металлические и полимерные стенты Полимерные, в свою очередь, подразделяются на рассасываемые и нерассасываемые. Очевидно, что первые являются более привлекательными, поскольку могут раствориться внутри тела после того, как выполнят свое предназначение.

С момента первого серийного выпуска МЭМС прошло уже более 50 лет. За это время технология биомедицинских МЭМС прочно вошла в нашу жизнь: с ее помощью стало возможным помогать людям с ограниченными возможностями, лечить серьезные заболевания и проводить безопасные хирургические операции. Технология продолжает активно развиваться благодаря созданию и открытию новых материалов, что позволяет уменьшать размеры МЭМС и тем самым расширять сферу их применения.

Алексей Борзенко

Многие из существующих инноваций не используют в полной мере свой потенциал вплоть до появления на рынке принципиально новых разработок. Так, одной из ключевых технологий вплоть до 2012 г. аналитическая компания Gartner называет технологию микроэлектромеханических систем - MEMS (Micro-Electro Mechanical Systems). Согласно последним прогнозам In-Stat/MDR, рынок MEMS растет на 13,2% каждый год. Кстати, эту отрасль ИТ-индустрии в Японии называют микромашинами (Micromachines), а в Европе - микросистемными технологиями (Micro System Technology). По мнению аналитиков из Gartner, микроэлектромеханические системы позволят с минимальными затратами повысить чувствительность и механическую отдачу устройств на уровне кристаллов.

Можно сказать, что MEMS - это множество микроустройств самой разнообразной конструкции и назначения, в производстве которых используются модифицированные технологические приемы микроэлектроники. Действительно, микроэлектромеханические системы получаются путем комбинирования механических элементов, датчиков и электроники на общем кремниевом основании посредством технологий микропроизводства. Все элементы могут быть реализованы в виде единого изделия, причем сразу десятками или сотнями, как микросхемы на кремниевой пластине. В основе этого лежит апробированная традиционная технология производства полупроводниковых интегральных микросхем. MEMS уже используются в нишевых приложениях, таких, как пассивные фильтры высокой частоты в терминалах беспроводной и сотовой связи, системы подвижных зеркал для мультимедийных проекторов, микрофоны. Число этих ниш и их размер растет сообразно рыночным потребностям.

В истории развития MEMS-технологии, по мнению ведущих современных специалистов, можно выделить четыре уже пройденных этапа. На первом непродолжительном этапе - исследовательском (с середины 50-х до начала 60-х годов прошлого столетия) основные усилия к формированию облика будущей технологии приложили как научные подразделения крупных компаний (в первую очередь знаменитая Bell Laboratories), так и собственно промышленные компании и академическая наука. Специфика этого периода заключается в том, что главное внимание уделялось востребованным во времена холодной войны технологиям двойного назначения, прежде всего созданию точных и дешевых датчиков различных типов (проектирование перспективных реактивных боевых самолетов, например, требовало значительного числа экспериментов), пригодных к массовому производству. Неудивительно, что второй этап развития технологии связывают исключительно с мощными промышленными (точнее, с военно-промышленными) компаниями: такие гранды, как Fairchild, Westinghouse, Honeywell, спешили коммерциализовать первые экспериментальные наработки. На коммерциализацию ушло довольно много времени, и только к началу 70-х годов академическая наука стала получать целевое финансирование от промышленности для решения задач сокращения стоимости и расширения областей применения MEMS-устройств. Еще через десять лет этот этап также был преодолен - и наступила пора микромашинного производства. Можно считать, что с конца девяностых годов прошлого века началась микромеханическая эпоха.

Многие эксперты, включая специалистов одной из ведущих фирм в этой области - Integrated Sensing Systems (http://www.mems-issys.com), - полагают, что MEMS-технология привносит буквально революционные изменения в каждую область применения путем совмещения микроэлектроники на основе кремния с микромеханической технологией, что позволяет реализовать систему на одном кристалле SoC (Systems-on-a-Chip). Так, технология MEMS дала новый импульс развитию систем инерциальной навигации и интегрированных систем, открыв путь к разработке "умных" изделий, увеличив вычислительные способности микродатчиков и расширив возможности дизайна таких систем.

Сегодня MEMS-устройства применяются практически повсюду. Это могут быть миниатюрные детали (гидравлические и пневмоклапаны, струйные сопла принтера, пружины для подвески головки винчестера), микроинструменты (скальпели и пинцеты для работы с объектами микронных размеров), микромашины (моторы, насосы, турбины величиной с горошину), микророботы, микродатчики и исполнительные устройства, аналитические микролаборатории (на одном кристалле) и т. д.

Базовые понятия

Вообще говоря, микросистема предполагает интеграцию ряда различных технологий (MEMS, КМОП, оптической, гидравлической и т. д.) в одном модуле. Например, технологии изготовления MEMS-устройств для СВЧ-применений (катушки индуктивности, варакторы, коммутаторы, резонаторы) подразумевают традиционные технологические циклы изготовления интегральных схем, адаптированные для создания трехмерных механических структур (это, например, объемная микрообработка, поверхностная микрообработка и так называемая технология LIGA).

Кремниевая объемная микрообработка включает технологию глубинного объемного травления. При таком процессе объемная структура получается внутри подложки благодаря ее анизотропным свойствам, т. е. различной скорости травления кристалла в зависимости от направления кристаллографических осей. Объемную структуру можно получить и методом наращивания, когда несколько подложек сплавляются и образуют вертикальные связи на атомарном уровне.

При поверхностной микромеханической обработке трехмерная структура образуется за счет последовательного наложения основных тонких пленок и удаления вспомогательных слоев в соответствии с требуемой топологией. Преимущество данной технологии - возможность многократного удаления (растворения) вспомогательных слоев без повреждения взаимосвязей базовых слоев. А главная ее особенность состоит в том, что она совместима с полупроводниковой технологией, поскольку для микрообработки используется обычная КМОП-технология.

Название технологии LIGA происходит от немецкой аббревиатуры Roentgen Lithography Galvanik Abformung, что означает комбинацию рентгеновской литографии, гальванотехники и прессовки (формовки). Здесь толстый фоторезистивный слой подвергается воздействию рентгеновских лучей (засветке) с последующим гальваническим осаждением высокопрофильных трехмерных структур. Сущность процесса заключается в использовании рентгеновского излучения от синхротрона для получения глубоких, с отвесными стенками топологических картин в полимерном материале. Излучение синхротрона имеет сверхмалый угол расходимости пучка. Источником излучения служат высокоэнергетические электроны (с энергией более 1 ГэВ), движущиеся с релятивистскими скоростями. Глубина проникновения излучения достигает нескольких миллиметров. Это обуславливает высокую эффективность экспонирования при малых временных затратах. Считается, что данная технология обеспечивает наилучшее отношение воспроизводимой ширины канала к его длине (при минимальных размерах).

Важнейшая составная часть большинства MEMS - микроактюатор (рис. 1). Обычно данное устройство преобразует энергию в управляемое движение. Размеры микроактюаторов могут довольно сильно варьироваться. Диапазон применения этих устройств чрезвычайно широк и при этом постоянно растет. Так, микроактюаторы используются в робототехнике, в управляющих устройствах, в космической области, в биомедицине, дозиметрии, в измерительных приборах, в технологии развлечения, в автомобилестроении и в домашнем хозяйстве. Например, микроактюаторы нужны для управления резонансными датчиками (они генерируют и передают им резонансную частоту), для управления режущими инструментами в микрохирургии. Это могут быть также различные микродвигатели, которые используются для управления микрореле, микрозеркалами и микрозажимами. Микроактюатором может быть даже микроэлектродное устройство для возбуждения мускульных тканей в неврологических протезах.

Рис. 1. Микроактюатор в MEMS.

Все методы активации (движение, деформация, приведение в действие) в таких устройствах кратко можно свести к следующим: электростатический, магнитный, пьезоэлектрический, гидравлический и тепловой. При оценке использования того или иного метода часто применяют законы пропорционального уменьшения размеров. Наиболее перспективными методами считаются пьезоэлектрический и гидравлический, хотя и другие имеют большое значение. Электростатическая активация применяется примерно в одной трети микроактюаторов, и это, вероятно, наиболее общий и хорошо разработанный метод; главные его недостатки - износ и слипание. Магнитные микроактюаторы обычно требуют относительно большого электрического тока, также на микроскопическом уровне. При использовании электростатических методов активации получаемый выходной сигнал на относительную единицу размерности лучше, чем при использовании магнитных методов. Иными словами, при одном и том же размере электростатическое устройство выдает несколько лучший выходной сигнал. Тепловые микроактюаторы тоже потребляют относительно много электрической энергии; главный их недостаток состоит в том, что генерируемое тепло приходится рассеивать.

Для оценки микроактюаторов используют такие критерии качества, как линейность, точность, погрешность, повторяемость, разрешение, гистерезис, пороговое значение, люфт, шум, сдвиг, несущая способность, амплитуда, чувствительность, скорость, переходная характеристика, масштабируемость, выход по энергии.

Датчики и микроактюаторы

Фактически понадобилось более 30 лет на то, чтобы появилось первое коммерческое приложение MEMS. Одной из первых MEMS-технологий, получивших повсеместное распространение, стали датчики ускорения (акселерометры), устанавливаемые сейчас практически во все современные автомобили для детектирования столкновения и выпуска защитных воздушных подушек (SRS). Известная корпорация Analog Devices (http://www.analog.com), изготовившая первые такие сенсоры в 1993 г., сейчас продает автомобилестроителям десятки миллионов так называемых iMEMS-акселерометров в год.

Один из типичных современных MEMS-акселерометров состоит из взаимно блокирующих штырей, которые поочередно перемещаются и фиксируются. Изменение ускорения отражается на емкости структуры, которую легко измерить. Элементы могут размещаться подобно гребням в случае линейных акселерометров или в виде ступицы колеса в случае вращающегося акселерометра. Вращающиеся акселерометры могут служить для расширения возможностей антиблокировочных систем автомобиля (ABS), так как они способны зафиксировать фактическое перемещение автомобиля, а не только блокировку колес.

Акселерометры воздушных мешков рассматриваются как один из лучших примеров MEMS-датчиков, предоставляющих изготовителям автомобилей одновременно выигрыш в стоимости и характеристиках. Подходит время, когда то же самое можно будет сказать относительно приборов контроля давления в шинах, которые в настоящее время интегрируются в серийно выпускаемые модели в ответ на закон по обеспечению безопасности. Однако существует еще одна область, где MEMS могут способствовать внедрению электроники в автомобиль - это защита от боковых ударов при аварии. Эксперты полагают, что это может внести большой вклад в продажи MEMS, если правительство США примет более жесткие стандарты для защиты от бокового удара при аварии. Специалисты Агентства обеспечения безопасности движения NHTSA считают, что подобные меры позволят спасти до тысячи жизней в год.

В накопителях на жестких дисках вращающиеся акселерометры могут использоваться для обнаружения ротационных перемещений, влияющих на позиционирование головки и способных привести к потере дорожки. Компенсация ротационных перемещений используется обычно в дорогих моделях дисководов, поскольку при затратах чуть большего времени на чтение и запись значительно меньше его требуется на восстановление позиционирования головки после удара.

Сотрудники Sandia National Laboratories разработали образец датчика, который может обнаруживать перемещение в менее чем 1 нм (рис. 2). Основная часть прибора представляет собой решетку, изготовленную из двух перекрывающихся гребенок (поперечный размер 50 мкм): одна неподвижная, другая прикреплена к пружине. Расстояние между зубцами гребенки составляет от 600 до 900 нм, что сопоставимо с длиной волны видимого света. Даже при незначительном перемещении прибора подвижная гребенка совершает колебания, расширяя или сужая решетку, образованную пересекающимися зубцами. Изменение зазоров решетки влияет на ее оптические свойства, и лазерный луч, отражаясь от перекрывающихся зубцов, будет заметно ярким или тусклым. Считается возможным использовать такой детектор как основу навигационного прибора, который сможет работать независимо от спутниковой сети глобальной системы позиционирования.

Рис. 2. Датчик MEMS.

Традиционно системы позиционирования на базе движения страдают от накопления мелких ошибок. С течением времени эти ошибки могут привести к показаниям, отклоняющимся на мили от действительного положения. Позиционное фиксирование, характерное для прибора Sandia, обеспечивает гораздо более медленную деградацию характеристик. Кроме того, прибор может работать под водой и в туннеле, куда GPS-сигнал не проходит. В настоящее время ведется работа над созданием портативной версии прибора для того, чтобы его можно было передать другим исследователям для проведения экспериментов. Прибор на базе указанной конструкции может поступить на рынок через три-пять лет.

Самый маленький датчик В прошлом году Национальный институт стандартов и технологии США объявил о создании миниатюрного магнитного датчика, который может обнаруживать изменения магнитного поля порядка 50 пТ (это в миллионы раз слабее магнитного поля Земли). Прибор размером с рисовое зерно примерно в 100 раз меньше, чем современные датчики с аналогичной чувствительностью. Новый магнитный датчик можно изготовить и собрать с использованием существующих технологий микроэлектроники и MEMS. Новый магнетометр способен обнаруживать запрятанное оружие на расстоянии 12 м или стальную трубу диаметром 150 мм под землей на глубине 35 м. Датчик работает на принципе обнаружения незначительных изменений уровней энергии электронов в условиях магнитного поля. Миниатюрный рубидиевый элемент нагревается в герметичной прозрачной ячейке до образования пара рубидия. Луч полупроводникового лазера пропускается через атомный пар. При наличии магнитного поля некоторое количество лазерного излучения абсорбируется атомами, и это обнаруживается фотоэлементом. Большие магнитные поля вызывают пропорционально большие изменения уровней атомной энергии и изменяют поглощение атома.

Микроактюаторы, работа которых основана на обратном эффекте (прикладываемое напряжение вызывает небольшие перемещения кремниевых структур), сегодня используются, например, для точной подстройки магнитных головок. Последние обычно отвечают за обнаружение сигналов в накопителях на магнитных дисках. При этом существенно повышается плотность информации "дорожка на дюйм", или tpi (track per inch), а следовательно, и емкость самого накопителя.

Есть и еще целый ряд успешных MEMS-изделий, таких, как головки микроструйных принтеров, гироскопы, датчики давления, которые сотнями миллионов поставляются медицинской и автомобильной промышленности. Назовем еще цифровые проекторы высокого разрешения, построенные на основе MEMS-массивов микрозеркал. За последние годы удалось достичь заметных успехов в изготовлении моторов, насосов и зажимов, сенсоров давления и смещения - множества самых разных по назначению механических агрегатов, настолько малых, что их не видно невооруженным глазом. Но обо всем по порядку.

Нанодатчики в космосе В совместном проекте NASA и корпорации Aerospace планируется создать "черный ящик", в котором будут использованы нанодатчики массой несколько граммов. Подобные устройства будут служить для сбора данных о входе космических объектов в земную атмосферу из космоса. После прохождения опасного скоростного участка и входа в плотные слои атмосферы черный ящик будет "звонить домой" и передавать данные с использованием спутника до посадки на землю или водную поверхность. Для сравнения: "черный ящик" промышленной авиации аналогичного назначения (REBR) весит около 2,2 фунта. NASA намечает опытные испытания REBR осенью 2006 г. на борту невозвращаемой ракеты Delta II. Если испытания пройдут успешно, планируется использовать нанотехнику в экспедициях на Луну и Марс. Нанодатчики могут быть упакованы в маленькие сферы, которые будут использоваться на космическом корабле Crew Exploration Vehicle (CEV), разрабатываемом для замены "челнока". Как объявил президент Буш, демонстрационный полет CEV состоится в 2008 г., а пилотируемый полет - в 2014 г. Нанотехника способна послужить для выполнения контрольных функций на борту. Зонды могут использоваться как разведывательные устройства, которые выбирают места посадки для космического корабля, или для ориентирования корабля на незнакомой территории. Радиосигналы с нанозондов позволят экипажу знать, где он находится. Нанотехника может также сыграть роль в полетах, использующих "аэрозахват", или при входе в незнакомую атмосферу. В технике аэрозахвата планетарная атмосфера используется для изменения скорости корабля. Космический корабль делает глубокий "прыжок" в атмосферу для установления орбиты без использования топлива. Этот метод позволит уменьшить типовую массу межпланетного космического корабля наполовину, позволяя задействовать меньшие, менее дорогие транспортные средства. Разведывательный зонд может двигаться впереди космического корабля и предоставлять данные о давлении и плотности атмосферы, определяя полетный коридор с устойчивым положением корабля и уменьшением степени риска при выполнении миссии аэрозахвата.

DMD для DLP

Лежащая в основе любого проектора DLP (Digital Light Processing) технология цифровой обработки света базируется на разработках корпорации Texas Instruments (http://www.ti.com), создавшей новый тип формирователя изображения на основе MEMS. Еще в 1987 г. изобретенное Ларри Хорнбеком (Larry J. Hornbeck) цифровое мультизеркальное устройство DMD (Digital Micromirror Device) завершило десятилетние исследования Texas Instruments в области микромеханических деформируемых зеркальных устройств. Суть открытия состояла в отказе от гибких зеркал в пользу матрицы жестких зеркал, имеющих всего два устойчивых положения. DMD-кристалл - это матрица высокой точности, осуществляющая цифровое преобразование света (рис. 3).

Рис. 3. Современная разработка DMD-матрицы.

DMD-кристалл по сути представляет собой полупроводниковую микросхему статической оперативной памяти (SRAM), каждая ячейка которой (точнее, ее содержимое) определяет положение одного из множества (от нескольких сотен тысяч до миллиона и более) размещенных на поверхности подложки микрозеркал размером 16х16 мкм. Как и управляющая ячейка памяти, микрозеркало имеет два состояния, отличающихся направлением поворота зеркальной плоскости вокруг оси, проходящей по диагонали зеркала.

С помощью массива микроскопических зеркал формируется луч, причем каждое такое зеркало соответствует одному пикселу света в проецируемом изображении. В сочетании с цифровым сигналом, источником света и проекционным объективом эти зеркала обеспечивают самое высокое качество воспроизведения видео и графических изображений.

Электромеханическая память

Сегодня и припомнить-то трудно, сколько было разных идей по поводу того, что использовать для запоминающих устройств. А компания Cavendish Kinetics (http://www.cavendish-kinetics.com) предложила еще один подход к созданию энергонезависимых запоминающих устройств. В основе ее подхода лежат микроэлектронные механические системы с возможностью интеграции в КМОП-процессы. Память Cavendish Kinetics может выпускаться в двух вариантах, с возможностью однократной записи и со способностью перезаписи.

Как полагает компания, ее технология, названная Nanomech, обладает самым низким энергопотреблением среди встраиваемых типов памяти, а по скорости работы сравнима с флэш-памятью. Название Nanomech иллюстрирует ее принцип действия (рис. 4). Запоминающая ячейка представляет собой проводящую (металлическую) пластину - кантиливер (микроэлектромеханический актюатор), закрепленный над контактом. Если между контактным электродом и пластиной создать разность потенциалов, пластина изогнется и коснется контакта, в результате чего электрическое сопротивление упадет практически до нуля. Что любопытно, этот эффект обладает гистерезисом, так как после касания пластинки контакта происходит "залипание" - для разрыва контакта необходима дополнительная энергия. Таким образом, возможно создать память типа ПЗУ, в которую что-либо записать можно лишь однажды. Для перезаписи над пластинкой достаточно поставить дополнительный электрод, приложив к которому потенциал можно разомкнуть контакт.

Действующие прототипы были созданы по КМОП-технологии с учетом проектных норм 0,35 мкм, однако компания уверяет, что такие ячейки памяти можно создавать при соблюдении проектных норм 45 нм. К преимуществам нового типа памяти следует отнести и то, что ток в режиме ожидания отсутствует, а для записи требуется затратить механическую энергию величиной всего 25 пкДж. Устройство остается работоспособным даже при температуре 200 град., при этом количество циклов записи-перезаписи может достигать 20 млн.

На CeBIT"2005 IBM продемонстрировала накопитель, обеспечивающий плотность записи данных свыше 19,2 Гбайт на 1 см2. Специалисты утверждают, что этот прототип микроэлектромеханической системы MEMS способен записать на площади размером с почтовую марку информацию, примерно эквивалентную емкости 25 DVD-дисков. Сотрудники IBM ласково назвали свое устройство Millipede ("многоножка"), потому что у него тысячи очень мелких кремниевых шипов, которые могут "прошивать" рисунок из отдельных битов в тонкой полимерной пленке (рис. 5).

Рис. 5. MEMS-память Millipede.

Вообще говоря, технологию "многоножек" предложил несколько лет назад нобелевский лауреат Герд Бинниг, автор сканирующего туннельного микроскопа и сотрудник исследовательского института IBM. Он обратил внимание на способность микроскопа формировать в полимерах ямки наноразмера, наличие которых в определенных точках вещества можно трактовать как единичное значение бита. Бинниг, стараясь приспособить свое открытие к нуждам промышленности, научился одновременно сканировать множество подобных ямок. Таким образом, принцип работы Millipede напоминает всем хорошо известные перфокарты. Ключевым элементом новой технологии служит массив V-образных кремниевых кронштейнов (cantilever), на конце каждого из которых находится миниатюрная микронная игла. Данные записываются на носители, представляющие собой очень тонкий слой полимерного материала на кремниевой подложке. Наконечник каждого V-образного кронштейна с размещенной на нем иглой одновременно служит зоной повышенного сопротивления. При пропускании через него импульса электрического тока игла разогревается до температуры, превышающей температуру плавления полимера, и "выплавляет" в носителе воронку диаметром около 10 нм. Когда ток прерывается, игла остывает, а полимер затвердевает. Для считывания данных замеряют сопротивление "рабочей части" кронштейна. В этом случае игла также разогревается, но только до меньшей температуры, при которой полимер, используемый в носителе, еще не размягчается. Поверхность носителя сканируется, и при попадании иглы в воронку интенсивность теплоотвода от нее резко увеличивается, температура уменьшается, в результате сопротивление изменяется скачкообразно, за счет чего и фиксируется бит информации.

Возможность многократной записи обеспечивается особенностями вязкоупругих свойств полимерных систем. Дело в том, что в области воронки-бита полимер находится в так называемом метастабильном состоянии, из которого его можно вывести неким внешним воздействием, например, с помощью все того же разогрева до определенной температуры. Выполняется это путем прохода нагретой иглы над воронкой, после чего последняя исчезает, т. е. данные стираются. По заявлению специалистов IBM, на сегодняшний день им удалось достичь долговечности носителя, превышающей 100 тыс. циклов перезаписи.

Управление массивом игольчатых кронштейнов в Millipede осуществляется с помощью электронных цепей с временным мультиплексированием - подобно тому, как это делается в микросхемах DRAM. Перемещение носителя вдоль массива и его точное позиционирование обеспечиваются электромагнитным приводом. IBM утверждает, что Millipede подходит для мобильных устройств: цифровых камер, мобильных телефонов и USB-карт. Однако пока речь идет только о лабораторном образце, а до выхода на рынок Millipede дозреет года через два, не раньше.

Как отмечает аналитическая компания NanoMarkets в своем отчете по рынку памяти, сегмент энергонезависимой памяти к 2011 г. будет оцениваться в 65,7 млрд долл. При этом в понятие "энергонезависимой памяти" компания включила MRAM, FRAM, голографическую память, а также MEMS-разработки, выполненные с использованием новых технологий. По оценкам специалистов, рыночные доли типов энергонезависимой памяти, именуемых в обзоре Nanostorage (устройства хранения, выполненные с использованием микротехнологий), могут составить 40% как в секторе обычной памяти, так и в секторе дисковых устройств.

"Электромеханика" в телекоммуникациях

Одной из самых перспективных областей внедрения MEMS многие эксперты в настоящее время считают рынок телекоммуникаций. Еще в конце 2000 г. от Национальной лаборатории Sandia (http://www.sandia.gov), принадлежащей министерству энергетики США, отпочковалась частная компания MEMX (http://www.memx.com), занимающаяся вопросами коммерческого применения создаваемых в лаборатории MEMS-технологий. Компания сфокусировалась в своей деятельности на оптических коммутаторах для оптоволоконных телекоммуникационных систем. В их основу положена фирменная технология Sandia под названием SUMMiT V (от Sandia Ultraplanar Multilevel MEMS Technology). Это микромашинный процесс обработки поверхности кристалла напылением и травлением, охватывающий пять независимых слоев поликристаллического кремния - четыре "механических" слоя для построения механизмов и один электрический для обеспечения межсоединений всей системы. Технология позволяет доводить размеры механических элементов до 1 мкм.

Что же касается одного из электронных гигантов - корпорации Intel (http://www.intel.com), то решение о развитии технологий MEMS было принято ею еще в 1999 г. На весеннем Форуме Intel для разработчиков в 2002 г. было не только официально заявлено об интересе к микроэлектромеханическим устройствам, но и провозглашена стратегическая важность этого направления. Учитывая потенциал корпорации как в сфере разработок, так и в производстве, значение этого заявления для рынка MEMS переоценить было трудно. Примерно в это же время на заводе Intel Fab 8 была внедрена микроэлектромеханическая технология, позволяющая формировать внутри или на поверхности полупроводниковых кристаллов крошечные механические устройства - датчики, клапаны, шестерни, зеркала, исполнительные элементы. Для Intel MEMS это скорее микроэлектронные механические системы - микроскопические механические компоненты для устройств, которые отличаются пониженным энергопотреблением и сверхкомпактными конструктивными характеристиками и выполняют вычислительные и коммуникационные функции. Корпорация ведет исследования возможных применений этих технологий в антеннах, экранах, настраиваемых фильтрах, конденсаторах, индукторах и микрокоммутаторах.

Весной 2004 г. Intel начала предлагать своим партнерам для интеграции в сотовые телефоны радиочастотные front-end-модули, построенные по технологии MEMS. В подобный модуль интегрировано около 40 пассивных элементов, что позволяет сэкономить до двух третей пространства в сотовом телефоне. Количество и состав модулей зависят от нужд заказчиков, которым предлагается использовать такие MEMS-модули для миниатюризации пассивных фильтров, резистивных и емкостных цепей. В будущем в аналогичные модули планируется интегрировать низкоскоростные коммутаторы, а в перспективе, возможно, высокочастотные коммутаторы передачи/приема и фильтры на поверхностных акустических волнах SAW (Surface Acoustic Wave). Существующие дискретные SAW-фильтры хотя и довольно громоздки в сравнении с интегральными микросхемами, однако показатель качества фильтрации у них выше примерно на два порядка. К тому же, если размер SAW-фильтров измеряется в сантиметрах, то MEMS-резонаторов на 1 см2 площади можно разместить несколько десятков тысяч штук. Нынешнее поколение MEMS-модулей производится на фабрике Intel Fab 8 в Израиле на 200-мм пластинах с учетом проектных норм 0,25 и 0,35 мкм.

На последней конференции по интегральным схемам ISSCC"2005 были отмечены большие возможности рынка ВЧ-фильтров преселектора. Ученые из Мичиганского университета отметили, что такие фильтры найдут применение в телефонах для выбора нужного ВЧ-канала и устройствах ВЧ будущих поколений, где MEMS предоставляют решение с фактором качества Q выше 10 000, что значительно лучше показателя обычных керамических фильтров. Их коллеги из Texas Instruments, в свою очередь, сообщили о том, что MEMS ВЧ-фильтры можно использовать в малошумящих усилителях. Проблемой остается то, что MEMS-приборы дороги и их внедрение на промышленный рынок пока довольно затруднительно. Представитель фирмы XCom Wireless, выпускающей подсистемы на базе MEMS-реле и варакторов, считает перспективным их использование в программируемых радиоустройствах, а также в радиолокационных станциях с фазированными антенными решетками на спутниках.

Перспективы MEMS-дисплеев

По сообщению агентства DigiTimes, тайваньский производитель небольших панелей компания Prime View International (PVI) установила долгосрочные стратегические отношения с американской компанией Qualcomm MEMS Technologies (QMT, http://www.qualcomm.com). Основная область сотрудничества - разработка коммерческих решений на базе iMod-дисплеев, которые планирует выпускать QMT.

Вообще говоря, технология iMod Display основана на микроэлектронных механических системах MEMS и предпочтительна пока для мобильных устройств. Экран хорошо отображает информацию даже под прямым воздействием яркого солнечного света. Как заявляют представители Qualcomm, сегодня решены и многие проблемы, касающиеся энергопотребления. На ближайшие два года, в соответствии с подписанным контрактом, PVI заявлена как основной производитель подобных дисплеев. Руководители компаний оптимистично высказываются о развитии продвигаемой технологии. Ведь, помимо улучшения вышеназванных технических характеристик, решены и некоторые проблемы производственного процесса. Технология такова, что нет никакой необходимости в добавлении в панель ламп подсветки и цветовых фильтров. Интересно, что эти экраны будут даже тоньше TFT ЖК-панелей.

Стоит отметить, что используемое ныне ноу-хау QMT приобрела вместе с компанией Iridigm в сентябре 2004 г. Вообще говоря, идея данной технологии заключается в том, чтобы формировать цветные изображения методом интерференции световых волн - точно так же, как это происходит, к примеру, в крыльях бабочки или перьях павлина. Из сказанного выше сразу вытекает первое достоинство разработки Iridigm, состоящее в том, что она изначально не предполагала использования красителей. Именно поэтому дисплеи на ее основе со временем не должны утратить яркость и цветовую насыщенность. Ключевым элементом технологии, получившей в то время название iMoD Matrix, выступает интерференционный модулятор iMoD (Interference Modulator). Он представляет собой образец микроэлектромеханической MEMS-системы и состоит из полупрозрачной пленки на стеклянной подложке, способной частично отражать, а частично пропускать свет, и гибкой металлической мембраны. Последняя может находиться в двух состояниях: в первом случае между ней и пленкой есть воздушный зазор, во втором - нет. Переход из одного состояния в другое осуществляется за счет электростатического взаимодействия в результате приложения внешнего напряжения различной полярности, причем после его снятия мембрана сохраняет новую конфигурацию.

Когда пленка и мембрана разделены воздушным зазором, световые волны, отразившиеся от пленки, интерферируют с волнами, прошедшими сквозь нее и затем отразившимися от мембраны, в результате чего выделяется излучение определенного цвета. Если же зазор отсутствует, то никакой интерференции не происходит. Варьируя величину зазора, можно получить три основных цвета: при наибольшей толщине воздушной прослойки - красный, при средней - зеленый и при наименьшей - синий. Размеры одного интерференционного модулятора составляют всего десятки микрон. Один пиксел в дисплее на основе iMoD Matrix состоит из трех субпикселов - красного, зеленого и синего, каждый из которых образован несколькими рядами модуляторов. При этом управляющие схемы располагаются по краям дисплея.

В числе достоинств предлагаемого решения, помимо хорошего качества изображения, специалисты отмечают и очень малый уровень энергопотребления, что в случае коммерческой реализации технологии может сделать ее оптимальным выбором для разнообразных мобильных устройств. Хотя вопрос об объемах производства еще обсуждается, PVI уже разослала выпущенные прототипы будущих устройств компаниям-партнерам, работающим в сфере мобильных телефонов, смартфонов и портативных компьютеров. Чем быстрее технология будет принята для маленьких и средних экранов, тем скорее она может появиться и в более крупных устройствах, таких, как телевизионные панели.

MEMS-источники питания для портативных устройств

Одно из новых и перспективных направлений - использование MEMS для создания топливных элементов и генераторов питания, которые предназначаются для портативных электронных приборов будущих поколений (CD-проигрыватели, цифровые камеры, персональные цифровые секретари). Достаточно сказать, что по этой теме на конференции IEEE в феврале прошлого года было представлено более 200 докладов.

Корпорация Toshiba (http://www.toshiba.co.jp) выпускает топливный элемент с прямым использованием метанола на базе MEMS емкостью 140 см3, с выходной мощностью 1 Вт, рассчитанный на 20 ч работы. Микронасос был разработан для подкачки газов и жидкостей и для поддержания потребляемой мощности и размеров в приемлемых пределах. В конструкции используется полимерный мембранный электролитический узел с катодом и анодом для выполнения функций топливного элемента. Каждый электрод имеет каталитический и газодиффузионный слой. Размеры устройства примерно соответствуют габаритам обычного сотового телефона.

Большой интерес вызвала совместная разработка мощного генератора питания усилиями разработчиков Технологических институтов штатов Массачусетс и Джорджия. Эта технология основана на микромеханической MEMS-структуре с использованием постоянного магнита. Генераторы представляют собой трехфазные, осевые, синхронные машины. При этом каждый из них состоит из многополюсного статора с поверхностной намоткой и ротора на базе постоянного магнита. Микромеханические витки с малыми зазорами между проводниками и с геометрией переменной ширины служат ключевыми элементами, обеспечивающими высокую плотность мощности. При скорости вращения 120 тысяч об./мин генератор продемонстрировал преобразование механической энергии в электрическую на уровне 2,6 Вт. Связанный с трансформатором и выпрямителем генератор обеспечивает на постоянном токе мощность 1,1 Вт на резистивной нагрузке. Для случая активной машины с габаритными размерами 9,5 мм (внешний диаметр), 5,5 мм (внутренний диаметр), 2,3 мм (толщина) это соответствует мощности 10 МВт/м3. Разработчики полагают, что такого рода MEMS-генераторы могут обеспечить мощность от 10 до 100 Вт. Они также считают, что генерирование электрической мощности на данном уровне создает предпосылки для создания масштабируемых устройств с использованием постоянных магнитов для практических применений. Подобные электрические генераторы могут приводиться в действие различными первичными источниками, включая поток жидкости, сжатый газ или небольшие двигатели внутреннего сгорания, например, газовые турбины микронных размеров.

Разработчики из Массачусетского технологического института совместно с Линкольновской лабораторией создали электроквазистатический индукционный турбинный электрогенератор. При саморезонирующем возбуждении была достигнута выходная мощность 192 МВт. Генератор состоит из пяти кремниевых слоев, сплавленных при 700 град. Статор представляет собой структуру из оксидноплатинового электрода, сформированного на углубленном островке оксида, а ротор - это тонкая пленка из слаболегированного поликремния, расположенного также на островке оксида. Генерирование мощности ограничивается внутренними и внешними емкостями, поэтому для достижения более высоких уровней мощности необходимо моделирование.

Новый подход, предложенный сотрудниками Калифорнийского технологического института, заключается в использовании MEMS-матриц жидкостных роторных электретных генераторов питания. Эти устройства представляют собой конденсаторы статического заряда, покрытые тефлоном, с зазорами, заполненными воздухом и жидкими капельками, которые перемещаются при вибрации. При перемещении жидкости между зазороми на конденсаторе генерируется результирующее напряжение, в то время как зеркальный заряд перераспределяется на электроде в соответствии с положением капелек.

MEMS также перспективны для выпуска инструментов в помощь созданию миниатюрных топливных элементов и каталитических химических микрореакторов. Один из инструментов представляет собой пассивный микрорегулятор для контроля потока газа в миниатюрных топливных элементах. Первая такая разработка выполнена совместно корпорацией Сanon и Токийским университетом.

Интеграция на едином кристалле микросхем с микроэлектромеханическими устройствами - наиболее безболезненный способ преодоления наноразмерных «выкрутас» электроники будущего. Микромашины открывают огромные перспективы для диверсификациии кремниевой электроники, а главное - для компактизации и повышения энерго- и экономической эффективности товаров электронной промышленности. Микроскопические сенсоры, актуаторы, резонаторы, да ещё и внедрённые в микрофлюидические системы - чего же ещё желать душеньке инженера, учёного, врача и пациента? Ну разве что наноэлектромеханики с нанофлюидикой - об этом тоже пара слов в статье сказана.

Микроэлектромеханика развивалась как отдельное направление полупроводниковой промышленности в течение 15-20 лет, однако при достижении пределов элементной интеграции в кристаллах это направление может возглавить диверсификацию CMOS-устройств и продлить славный путь кремния в электронике. Считается, что микроэлектромеханические системы позволят с минимальными затратами повысить чувствительность и механическую отдачу устройств на кристаллах. По предсказаниям экспертов, в ближайшие годы будет особенно интенсивно расширяться внедрение микроэлектромеханики в портативные медиаустройства (смартфоны, планшеты, ноутбуки).

Микроэлектромеханические системы (MEMS , MST, микромашины) - устройства из миниатюрных механических компонентов, интегрированных с микроэлектроникой, которые можно получать методами стандартной микрообработки.

Рисунок 1. Очарование микроэлектромеханики: размеры и формы. (А) MEMS-микрофон в сборке (CMOS + MEMS). Под давлением звука диафрагма микрофона колеблется, изменяя ёмкость между ней и подложкой. Эти изменения считываются и выводятся в виде электрического сигнала. Фото с www.analitika.info . (Б) MEMS-моторы от лаборатории Sandia. (В) MEMS-индуктор, фото с heim.ifi.uio.no .

Механическая составляющая часто представлена подвижными кронштейнами, консолями, мембранами, отверстиями, каналами и т.п. Размер устройств варьирует между единицами микрометров и миллиметрами , а основу обычно составляют микропроцессор и компоненты, взаимодействующие с окружающей средой. MEMS преобразуют механические воздействия в электричество (сенсоры ) или проводят обратную трансформацию (актуаторы ). Однако при рассмотрении приборов на основе этих систем подобное деление не всегда пригодно: в состав сложных сенсорных устройств могут входить MEMS-актуаторы, например.

Микромашины превосходят макроскопические аналоги по эффективности , в том числе экономической, обычно производятся хоть и по не слишком дешёвым и немного модифицированным, но отработанным кремниевым технологиям или же на основе полимеров. Для особых целей в ход идут металлы и керамика - например, устойчивый к биокоррозии нитрид титана (TiN) идеален при производстве биочипов, контактирующих со средами организма.

Кремниевые MEMS легко интегрируются со стандартными электронными устройствами управления и обработки данных. Различают два типа таких микросистем:

- гибридные : механическое устройство и отдельная микросхема размещены на общей подложке из кремния, стекла или кварца;

- монолитные : CMOS-микросхема и механические элементы интегрированы в одном кристалле. Последние отличаются более низкими издержками производства и корпусирования, причём один миниатюрный компонент может заменить тысячи традиционных элементов схемы.

«Профориентация» микроэлектромеханических систем

Раз микромашины так многолики, то и сферы их применения чрезвычайно разнообразны. В данном обзоре разделим MEMS на 3 функциональные категории и попытаемся перечислить точки приложения каждой из них.

1. Сенсоры - «интеллигенты-аналитики», высокочувствительные микромашины. Именно в сфере сенсорики трудится большинство выходцев из MEMS-лабораторий: например, миниатюрные датчики давления (кровяного или в покрышках автомобилей), температуры, влажности, радиации, магнитных полей, инерционных сил, химических веществ и т.п. Наиболее известные приборы на их основе - акселерометры и гироскопы в автомобилях, летательных аппаратах и мультироторах, в потребительской электронике (телефонах, цифровых камерах), микрофоны, «лаборатории на чипе», слуховые аппараты .

Акселерометры - детекторы ускорения - одна из самых ранних MEMS-разработок, которая сейчас используется в игровых приставках и во многих автомобилях для выпуска защитных подушек при столкновении.

Гироскопы - датчики переворота и элементы GPS-навигации в автомобилестроении, однако активное внедрение кремниевых гироскопов в медиаустройства тормозится сложностью корпусирования и дороговизной, связанными с базовой проблемой - высокой чувствительностью этих элементов к стрессовым воздействиям.

Уже в ближайшее время планируется создание мультисенсорных модулей с 10-ю степенями свободы, выполняющих одновременно функции трёхосевых акселерометра, гироскопа, магнетометра, а также сенсора давления.

Через пару-тройку лет обещают даже интеграцию всего перечисленного добра на одном кристалле. Но есть и обидные помехи, которые непременно нужно преодолеть, - высокая себестоимость таких химер, пресловутое проблемное корпусирование и ещё более проблемное тестирование.

Способность MEMS к преобразованию механических колебаний и вибраций в электрический ток используют в energy scavenging chips - датчиках, извлекающих энергию «из воздуха». Такие чипы пытаются применять в рамках подхода energy harvesting (производство и аккумуляция энергии из всевозможных природных стихий и прочих «халявных» воздействий). MEMS-чипы в этом смысле весьма перспективны для замены ординарных батареек и аккумуляторов в маломощных гаджетах, электронной одежде, медицинских устройствах для непрерывного функционального мониторирования.

Об определённых успехах заявляет, в частности, Texas Instruments. А британская фирма Perpetuum в 2013 году представила вибрационный «сборщик энергии» (VEH, Vibration Energy Harvester ) - простой и некапризный датчик, измеряющий температуру и передающий эти данные по беспроводной связи оператору. Но самое интересное - всю необходимую для этого электроэнергию VEH сам вырабатывает из механических колебаний: он устанавливается на вращающиеся детали (например, колёса поездов). Собственно, и сослужить добрую службу он должен именно железнодорожникам, молниеносно фиксируя опасное повышение температуры в подшипниках вагонных колёс.

Большие надежды возлагаются и на «электронный нос» , имитирующий обоняние животных и способный различать широкий спектр химических веществ в среде. Сейчас с этим справляются разнообразные спектрометры - крупногабаритные, стационарные и дорогие приборы. Очевидно, что для полевых и бытовых условий, для массового пользования, подойдут только дешёвые портативные аналоги. Но очень сложно подобрать какой-то один материал или универсальную технологию для идентификации разных молекул и калибровать по ним устройство. Но ничего фантастического в этой затее нет - решения рано или поздно найдутся.

2. Актуаторы , приспособленные к тяжёлому физическому труду, пока «выпускаются» ограниченно, но как и квалифицированные рабочие, они очень востребованы в промышленности. Наиболее часто в литературе обсуждаются подвижные микрозеркала, микроклапаны для контроля потока жидкостей или газа, микронасосы , элементы головок струйных принтеров для скоростной печати (Memjet), хирургические микроинструменты, микротранспортеры .

В этом ролике миниатюрное зеркало вращается по разным траекториям.

Микромеханические зеркала включают в «начинку» многоканальных коммутаторов оптоволоконных сетей, цифровых проекторов, телескопов и микроскопов. Ну и никуда не деться сейчас от всяких интернет-гаджетов: MEMS-зеркала успешно работают в технологиях создания пикопроекторов. При «доведении до ума» всех характеристик такие проекторы позволят визуализировать, например, собеседника при разговоре по телефону или фото/видео, проецируя картинку со смартфона на стену, одежду, лист бумаги. Однако приходится пока поломать голову над созданием эффективного источника света - энергоэкономичного, но обеспечивающего высокую яркость изображения.

На видео представлен принцип действия проектора PicoP компании Microvision Inc.: микрозеркало формирует изображение, сканируя и отклоняя в нужном направлении пучок из трёх разноцветных лазерных лучей, преломлённых линзой.

Микроактуаторы также рекрутировали для точной подстройки магнитных головок, отвечающих за детекцию сигналов в накопителях на магнитных дисках. MEMS в данном случае позволяет повысить плотность информации «дорожка на дюйм», а потому и ёмкость накопителя.

Созданы и микроэлектромеханические актуаторы, способные работать как высокочастотные резонаторы.

3. Резонаторы или осцилляторы - перспективные «кадры» для синхронизации и фильтрации частот (в часах реального времени, портативной электронике, брелоках-ключах для автосигнализации и др.). Миниатюрные MEMS могут заменить целые узлы для широкополосных систем связи, снизив тем самым массогабаритные показатели, стоимость и энергопотребление устройств радиочастотной коммуникации.

Высокочастотные MEMS-осцилляторы (1-125 МГц) 2006 года выпуска от компании SiTime имели размеры 2×2,5×0,85 мм. Резонаторы семейства SiT15xx (1-32 кГц, 2013 год) оказались на 85% меньше, в 15 раз надёжнее и на 50% энергоэкономичнее, чем кварцевые аналоги. Кстати, даже первый кремниевый МЭМС-резонатор в пластмассовом корпусе SiT1052 позиционировался SiTime как заведомо бездефектный продукт. По мнению экспертов, MEMS-приборы способны вытеснить с рынка менее компактные и устойчивые к механическому шоку и вибрации, но более дорогие кварцевые осцилляторы. Благодаря разработке упаковки, совместимой с традиционной CMOS-архитектурой, новые MEMS-устройства активно приобретаются микроэлектронщиками, замещая кварц кремнием в технологиях синхронизации.

MEMS-приборы способны вытеснить с рынка менее компактные и устойчивые к механическому шоку и вибрации, но более дорогие кварцевые осцилляторы.

Все приведённые выше категории микромашин «встречаются» в мобильных интернет-устройствах. Симбиотические отношения в них выстраивают акселерометры (в смартфоне количество этих MEMS перевалило уже за десяток), гироскопы, микрофоны, радиочастотные переключатели и резонаторы. Возможно, в скором времени все они найдут применение и в компонентах систем «Умный дом» , поспособствовав более широкому внедрению этих технологий в быт населения с невысокими доходами.

Тройку лидеров по производству MEMS-устройств формируют компании ST Microelectronics, Bosch и Texas Instruments.

В будущем много интересных решений ожидают от реализации на одном чипе систем «глаз (сенсор)-мозг (микросхема)-рука (актуатор)», способных одновременно чувствовать среду, управлять ею и проводить самотестирование, существенно снижая при этом стоимость конечного продукта.

Всё течёт, всё измеряется...

Особого внимания заслуживает направление, объединяющее MEMS с микро-/нанофлюидикой и прецизионным конструированием.

«Лаборатории на чипе» - одни из самых обсуждаемых и уже реализованных в несложных формах конструкций « MEMS-микрофлюидика» . На чипах размером с кредитку (иногда и меньше) с целью диагностики заболеваний или загрязнений среды можно осуществлять комплексы параллельных и последовательных химических или иммунных реакций, разделяя и смешивая промежуточные продукты. Классические варианты lab- on- chip производят полимеразную цепную реакцию (ПЦР) для выявления ДНК возбудителей инфекций или обнаруживают с помощью иммобилизованных антител онкомаркеры, токсины, наркотики. Даже если предусмотрены дополнительные считыватели, эти устройства не только портативны, но и дёшевы, могут выпускаться в виде безумно простых в использовании одноразовых картриджей, проводящих реакции всего за минуты или часы. Такие преимущества особенно ценны в местностях, где нет оснащённых техникой и реактивами лабораторий. В Сингапуре в 2013 году, например, разработали портативный кит с чипом VereTrop, позволяющий по одному образцу крови диагностировать за несколько часов 13 тропических инфекций, многие из которых проявляются одинаковыми симптомами, а лечения требуют разного.

«Лаборатории на чипе» не только портативны, но и дёшевы, могут выпускаться в виде безумно простых в использовании одноразовых картриджей, проводящих реакции всего за минуты или часы.

Микрофлюидическая схема (может быть частью «лаборатории на чипе»)

На стадии разработки находятся устройства «MEMS-нанофлюидика» . По словам С. Полонского (монолог на postnauka.ru), директора Института передовых технологий Самсунг (Россия), это направление «выстрелит» прежде всего в сфере секвенирования («чтения») ДНК , причём секвенирования в рамках персональной медицины. Поскольку геном каждого человека имеет свои особенности, то компенсация тех или иных патологий в идеале требует индивидуального подхода. Более того, при онкологических заболеваниях для назначения адекватной терапии желательно знать последовательности ДНК клеток конкретной опухоли конкретного человека. Для таких случаев очень подошли бы компактные, портативные и недорогие устройства с высокой чувствительностью.

Стандартизация технологий производства всегда снижает цену конечного продукта, это применимо и к устройствам «MEMS-нанофлюидика». Создавать наноканалы диаметром более 20 нм, интегрировать их с кремниевыми микросхемами можно совершенно стандартными способами. Сенсоры, усилители, микропроцессоры интегрируются с наноканалами монолитно. Эти наноканалы заполняются электролитом и по ним запускаются по разности потенциалов (электрофорез) или градиенту давления молекулы ДНК (как известно, они отрицательно заряжены). К системе подключают наноэлектроды и фиксируют, что мимо них проходит. Пока такие устройства «видят» только фрагменты ДНК, а не её элементарные частицы - нуклеотиды. Неизвестно, можно ли вообще добиться разрешения на уровне единичных нуклеотидов с помощью «электрических» методов. Возможный выход - гибридизация этой технологии с оптикой. В частности, эффект гигантского усиления оптического отклика наноструктурами (сигналов поверхностно-усиленного рамановского рассеяния и люминисценции ) считается очень перспективным для создания суперчувствительных оптических биосенсоров.

По нанофлюидическим системам можно передавать не только ДНК, но и белки.

Секвенирование - это первый и вполне достижимый этап , в дальнейшем подобные системы планируется приспособить под органический синтез. Однако, как водится, всплывает большое НО: внедрение новых технологий ограничивается не только, а порой и не столько, научно-техническими недоработками или экономической нецелесообразностью. Бурное развитие методик секвенирования с постоянным удешевлением процесса сейчас замедлилось . Из компетентных источников известно, что несколько компаний монополизировали отрасль производства секвенаторов и новых реагентов, и это привело к прекращению падения цены в пересчёте на прочитанный нуклеотид (аналог бита информации). Судя по всему, монополисты скупают конкурирующие технологии «в зародыше», убивая таким образом отраслевую конкуренцию. А вместе с ней, кстати, и мечту о персональной медицине.

Несколько компаний монополизировали отрасль производства секвенаторов и новых реагентов, что привело к прекращению падения цены в пересчёте на прочитанный нуклеотид (аналог бита информации).

Не менее актуально и такое экзотическое приложение MEMS, как производство гибридных органов . Например, в Институте регенеративной медицины при Питтсбургском университете бьются над созданием биогибридных лёгких, имитирующих альвеолярный газообмен. Человек дышит посредством нагнетания воздуха в альвеолы (пузырьки) лёгких, покрытые густой сетью капилляров. Через стенку толщиной всего 0,5 мкм из альвеол в капиллярную кровь просачивается кислород, а обратно - углекислый газ, удаляемый из организма при выдохе. При поражениях лёгких (рак, эмфизема) нарушается целостность альвеол и страдает газообмен, что постепенно ведёт к смерти. Спрос на донорские лёгкие значительно превышает возможности трансплантологов.

Питтсбургский биогибрид, содержащий MEMS размером с пластиковую карту, симулирует альвеолы, обеспечивая тесный контакт между протекающей кровью и воздухом. Чип пронизан микроканалами, заполненными или воздухом, или кровью; эти среды разделены тончайшей мембраной, имитирующей стенку альвеол. Кровяные микроканалы выстланы слоем клеток из пуповины (в перспективе их планируют заменить собственными жировыми клетками пациента) для предотвращения сворачивания крови при небольшой скорости тока. Когда «наладят» функционирование таких минимальных ячеек, их интегрируют в крупные модули a la натуральные лёгкие, пригодные к имплантации или ношению на поверхности тела.

Микро-нано-симбиоз

Глубокое взаимопроникновение MEMS и нанотехнологий неизбежно. При переходе на следующий этап миниатюризации термин MEMS вообще сливается с NEMS - наноэлектромеханическими системами . Фактически взаимопроникновение наблюдается уже сейчас. Например, работа сканирующих атомно-силовых микроскопов , позволяющих изучать нанометровые объекты и манипулировать атомами и молекулами, по сути, основана на MEMS (кантилеверы - подвижные микробалки). Эти микроскопы могут, в свою очередь, использоваться при производстве микро- и наномашин. Интересно, что принципы работы атомно-силового микроскопа компания IBM использовала при создании накопителя с высокой плотностью хранения данных: энергонезависимая память Millipede (рус. многоножка) основана на записи и считывании битов информации в виде наноямок в полимерном слое посредством разогреваемых наномеханических зондов. Это очень напоминает работу с «ушедшими в историю перфокартами». Несмотря на возможность уплотнения до 1 Гбит на мм 2 , Millipede пока не удаётся конкурировать с флэш- и другими «прокачанными» технологиями.