Реальная мощь технологии МЭМС заключается в возможности одновременного создания на поверхности пластины множества механизмов без единой сборочной операции. Поскольку процесс подобен классической фотолитографии, изготовить на подложке миллион механизмов так же просто, как и один.

Эти становящиеся вездесущими крошечные машины быстро пробили себе дорогу во множество коммерческих и военных приложений.

При изготовлении МЭМС используется несколько основных технологий, которые мы рассмотрим ниже.

Объемная микрообработка

Объемная микрообработка - это производственный процесс, идущий от поверхности кремниевой пластины вглубь, при которой химическим травлением последовательно удаляются ненужные участки кремния, в результате чего остаются полезные механизмы. Традиционным фотоспособом на пластине формируется рисунок, защищающий те участки, которые необходимо сохранить. Затем пластины погружаются в жидкий травитель, в качестве которого может использоваться гидроксид калия, «съедающий» незащищенные участки кремния. Технология объемной микрообработки относительно проста и недорога, и хорошо подходит для не слишком сложных приложений, критичных к цене.

Практически все датчики давления изготавливаются сегодня с помощью объемной микрообработки. По ряду параметров они превосходят традиционные датчики давления, так как намного более дешевы, исключительно надежны, технологичны и имеют хорошую воспроизводимость параметров.

В любом современном автомобиле обязательно есть несколько микромеханических датчиков давления. Типичное пример их использования - измерение давления во впускном коллекторе двигателя.

Миниатюрность и высочайшая надежность изготовленных объемной микрообработкой датчиков давления делают их идеальными компонентами также и для различных медицинских приложений.

Поверхностная микрообработка

В противоположность объемной микрообработке, суть которой заключается в послойном удалении материала с поверхности пластины с помощью травления, при поверхностной микрообработке происходит последовательное наращивание слоев материала на кремний.

Типичный процесс поверхностной микрообработки представляет собой повторяющуюся последовательность нанесения на поверхность пластины тонких пленок, формирования на пленке защитного рисунка методом фотолитографии и химического травления пленки. Чтобы создать подвижные, функционирующие механизмы, в слоях чередуют тонкие пленки конструкционного материала (обычно это кремний) и заполнителя, называемого также абляционным материалом (как правило, двуокись кремния). Из конструкционного материала образуются механические элементы, а абляционный материал заполняет пустоты между ними. На последнем этапе заполнитель удаляется травлением, и конструкционные элементы приобретают подвижность и функциональность.

Если в качестве конструкционного материала используется кремний, а заполнителем служит двуокись кремния, финальный этап состоит в погружении пластины в плавиковую кислоту, которая быстро вытравливает заполнитель, оставляя кремний нетронутым.

Затем, в типичном случае, пластины разрезаются на отдельные кристаллы, которые, в свою очередь, упаковываются в корпуса той или иной конструкции, соответствующей требуемому приложению.

Поверхностная микрообработка требует большего количества технологических операций, чем объемная, и, соответственно, она дороже. Поверхностная микрообработка используется для создания более сложных механических элементов.

LIGA (от немецкого LItographie, Galvanoformung и Abformung - литография, гальваностегия, формовка) - это технология, позволяющая методами рентгенолитографии создавать небольшие элементы с относительно большим отношением высоты к ширине. Процесс изготовления в типичном случае начинается с нанесения фотомаски на поверхность листа полиметилметакрилата (ПММА). Затем ПММА подвергается экспонированию рентгеновскими лучами высокой энергии. Экспонированные участки, не защищенные маской, удаляются с помощью подходящего травителя, в результате чего образуются исключительно точные микроскопические механические элементы.

Технология LIGA относительно дешева и хорошо подходит для приложений, требующих большего коэффициента соотношения сторон, чем можно получить с помощью поверхностной микрообработки.

Глубокое реактивное ионное травление

От традиционной объемной микрообработки глубокое реактивное ионное травление (Deep Reactive Ion Etching - DRIE) отличается только тем, вместо влажного химического травления для создания фигур используется плазменное. Это позволяет намного гибче управлять профилями травления и существенно расширить ассортимент изготавливаемых элементов. Производственное оборудование для ионного травления весьма дорого, поэтому и приборы, созданные по технологии DRIE, как правило, дороже приборов, сделанных с использованием традиционного влажного травления.

Интегрированные МЭМС технологии

Поскольку для создания МЭМС используется то же оборудование и те же технологии, что и для изготовления интегральных схем, ничто не мешает формировать электронные схемы на одном кристалле с микромеханизмами. Это позволяет снабжать микромашины интеллектом и создавать очень интересные устройства.

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.

Что такое МЭМС?Микроэлектромеханические системы (МЭМС) – это
системы, включающие в себя взаимосвязанные
механические и электрические компоненты микронных
размеров.
Трехосевой
акселерометр
Электрический
микродвигатель

Что такое МЭМС?

МЭМС =
Электроника + Микромеханика

История создания

1958 г. - первые прототипы интегральных схем (ИС);
1960 г. - мелкосерийный выпуск ИС;
1974 г. - промышленный выпуск тензодатчиков на
основе кремния (National Semiconductors);
1982 г. - термин микрообработка (micromachining)
используется для описания процессов изготовления
механических подсистем (диафрагм и микробалок);
1986 г. - в одном из отчетов министерства обороны
США был впервые использован термин
“микроэлектромеханические системы” (МЭМС);

Способы изготовления

Изготовление МЭМС
Объемная
микрообработка
(bulk micromachining)
Поверхностная
микрообработка
(surface micromachining)
Субтрактиный подход – от
целого отсекаем лишнее
(как изготовление статуи)
Аддитивный подход –
строим целое из
кирпичиков
(как строительство дома)

Объемная микрообработка

Это процесс, идущий от поверхности материалаосновы вглубь, при которой травлением
последовательно удаляются ненужные участки этого
материала, в результате чего остаются механические
структуры необходимой формы.
Микрозахват (microgripper)
Микрокантилеверы

Объемная микрообработка

Si
Отжиг
XeF2
SiO2
Si
SiO2
Si
Литография
Фоторезист
SiO2
Si
RIE
SiO2
Si

Поверхностная микрообработка

Это процесс, заключающийся последовательных
циклах нанесение тонких слоев материала, которые
затем с помощью литографии и последующего
травления приобретает необходимую геометрическую
форму
Система зубчатой
передачи
Элемент
тепловизионной
матрицы

Поверхностная микрообработка

Обобщенная схема изготовления МЭМС

Применение МЭМС

Датчики:
Акселерометры;
Гироскопы;
Магнетометры;
Датчики давления
расходометры
Исполнительные
механизмы (актуаторы):
Микродвигатели;
Микрозахваты;
Микрозеркала;
Области применения:
1. МЭМС-компоненты для высокочастотной электроники (RF MEMS);
2. Датчики на основе сил инерции;
3. Акустические и ультразвуковые МЭМС, датчики давления;
4. Оптические МЭМС;
5. Биомедицинские МЭМС;
6. Микроманипуляторы.

Высокочастотные МЭМС ключи

F2
F1
Земля
h0
Земля
Земля
Сигнал
S
V
V
Вид сверху
Вид сбоку
V’ = 0
Земля

Высокочастотные МЭМС ключи

Vкр= 30-50В

Датчик давления на основе МЭМС

P1
P2
F2
h
F1
Датчики давления
пьезорезистивного типа
Датчики давления
емкостного типа

Акселерометры и гироскопы

F1
F2

Акселерометры и гироскопы

Оптические МЭМС

Элементы МОЭМС: зеркала,
призмы, линзы
Электростатически
управляемое микрозеркало

Оптические МЭМС: DLP

DLP (Digital Light Processing) - технология, используемая во
многих проекторах
Устройство отклоняющих
зеркал
Красной стрелкой показан путь луча
света от лампы к матрице, через
диск светофильтров, зеркало и
линзу. Далее луч отражается либо в
объектив (жёлтая стрелка), либо на
радиатор (синяя стрелка).

Оптические МЭМС: микроболометры

Инфракрасное излучение пройдя сквозь систему линз попадает на
поглощающий элемент, нагревая его. Рядом с этим элементов находится
терморезистивная пленка, меняющее свое сопротивление от нагрева. Так
как температурные коэффициент изменения сопротивления при комнатной
температуре невелик (порядка 2% на градус для диоксида ванадия)

В исполнительных механизмах на основе МЭМС технологий обычно
задействуются следующие компоненты:
1. Элементы на основе обратного пьезолектрического эффекта – можно
получать большие величины силы, но величина смещения мала. Требует
высоких электрических напряжений;
2. Биморфные элементы на основе двух материалов с разным
температурным коэффициентом расширения. Можно получать большие
величины силы и смещения, процесс происходят медленно и им сложно
управлять;
3. Электростатические элементы, работающие за счет
электростатического притяжения и отталкивания между обкладками
конденсатора. Небольшие величины силы и смещения, легко изготовить,
требуются большие значения электрического напряжения;
4. Элементы на основе магнитных катушек. Слабые величины силы,
сложно изготовить;

Исполнительные механизмы МЭМС

Пьезакерамический элемент сканера
атомно-силового микроскопа
Биморфный (Si - Al)
элемент. Стрелкой
показано направление
изгиба при его нагреве

Исполнительные механизмы МЭМС

Электростатические актуатор
линейного движения
Электростатические актуатор
углового движения

Список литературы

1. “ВЧ МЭМС и их применение” Варадан В., Виной К., Джозе К.,
Техносфера, 2004.
2. “Электромеханические микроустройства”, Н. Мухуров,Г. Ефремов,
Litres, 2014.
3. MEMS and MOEMS Technology and Applications, P. Rai-Choudhury, SPIE
Press, 2000.
4. MEMS: Introduction and Fundamentals, M. Gad-el-Hak, CRC Press, 2005.
5. An Introduction to Microelectromechanical Systems Engineering, N. Maluf,

Микроэлектромеханические системы или сокращённо МЭМС представляют собой устройства микросистемой техники, выполненные по технологии объёмной микромеханики, сформированные путём локального вытравливания подложки, легирования, нанесения на неё материала и т. д. Подложки, как правило, изготавливаются из кремния благодаря его превосходным электрическим, механическим и тепловым свойствам. Размеры МЭМС лежат в диапазоне от 1 микрона до нескольких миллиметров, в зависимости от мощности, области применения, наличия встроенных схем обработки и количества элементов.

Основные преимущества:

  • Миниатюрность;
  • Высокая функциональность;
  • Надёжность;
  • Малое энергопотребление;
  • Возможность интеграции электроники с механическими, оптическими и прочими узлами;
  • Малый разброс параметров в пределах одной партии изделий;
  • Высокая технологичность и повторяемость;
  • Возможность достичь очень низкую стоимость (при больших или очень больших объёмах производства).

В виде МЭМС могут быть выполнены следующие устройства:

Особенности технологии МЭМС и приборов, выполненных по данной технологии

Технология производства МЭМС подразумевает осаждение и видоизменение слоёв материала целиком, используя специальную технику для осаждения и особые маскирующие слои для формирования рельефа механических элементов и всего изделия в одном технологическом цикле. В данном цикле обрабатывается единственная подложка, которая может содержать от десятков до сотен заготовок МЭМС.

Почему МЭМС?

Применение МЭМС технологии позволяет получать микромеханические и оптические узлы значительно меньших размеров, чем это возможно по традиционным технологиям. Идея изготовления сенсоров и обрабатывающих схем в одном устройстве даёт прекрасную возможность создавать готовые, достаточно высокой сложности изделия в едином, относительно небольшом корпусе, что является выгодным разработчикам конечных устройств, поскольку позволяет выполнять проект на основе готовых решений на уровне законченных функциональных модулей. Так же преимуществом МЭМС является электронная часть, и электрические соединения с датчиками и механизмами, выполненные по интегральной технологии и имеющие малые размеры, поскольку они позволяют улучшить такие характеристики, как рабочие частоты, соотношение сигнал/шум и т. п. Высокая повторяемость чувствительных элементов, и их интегральное изготовление вместе с обрабатывающей схемой позволяет значительно повысить точность измерений. Благодаря интегральной технологии надежность МЭМС выше, чем надежность аналогичной системы, которая собрана из дискретных компонентов. Также большей надежностью и долговечностью обладают оптические системы, поскольку они располагаются в герметичном корпусе и защищены от воздействий внешней среды. Применение МЭМС уменьшает стоимость как механической, так и электронной частей устройства, поскольку обрабатывающая электроника и МЭМС интегрированы в единой подложке, что позволяет избежать дополнительных соединений и, в некоторых случаях, применения согласующих схем.

На данный момент ведутся разработки генераторов электрической энергии на основе микро ДВС.

Данная работа ведётся под руководством профессора Симоны Хохгреб (Simone Hochgreb) из Центра исследования горения (Combustion Research Centre) университета Кембриджа (Cambridge University) и доктора Кили Цзян (Kyle Jiang) из Центра микроинжиниринга и нанотехнологий (Micro-Engineering and Nano-Technology Research Centre) университета Бирмингема (University of Birmingham).

Они проектируют двигатели с объёмом камеры сгорания порядка одного кубического миллиметра.

Интересно, что ДВС, создаваемые британцами - это дизели. Только вот работают они не на солярке, а на неких метаноловых смесях (с добавкой водорода), способных самостоятельно вспыхивать при такте сжатия.

Так же разработан и изготовлен с помощью МЭМС технологии микро роторный двигатель (двигатель внутреннего сгорания Ванкеля). Диаметр ротора: 1мм; частота вращения ротора (макс): 40000 об./мин; мощность: 26 мВт; рабочий объем: 0,064 мм3. Мощность как у щелочной батарейки, однако, размер куда меньше.

А мощность микро роторного двигателя, изображённого справа - 4 Вт.

Применение:

  • Военная техника;
  • Космические аппараты;
  • Автомобилестроение;
  • Медицина;
  • Наука;
  • Промышленность;
  • Мобильные устройства;
  • Бытовая техника;

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.