Профориентация» микроэлектромеханических систем

Применение

В настоящее время МЭМС-технологии уже применяются для изготовления различных микросхем. Так, МЭМС-осцилляторы в некоторых применениях заменяют^[1] кварцевые генераторы. МЭМС-технологии применяются для создания разнообразных миниатюрных актуаторов и датчиков, таких какакселерометры

, датчики угловых скоростей, гироскопы^[2], магнитометрические датчики, барометрические датчики, анализаторы среды (например для оперативного анализа крови), радиоприёмные измерительные преобразователи^[3].

Материалы для производства МЭМС

МЭМС-технология может быть реализована с использованием целого ряда различных материалов и технологий производства, выбор которых будет зависеть от создаваемого устройства и рыночного сектора, в котором он должен работать.

Кремний

Кремний является материалом, используемым для создания большинства интегрированных цепей, используемых в потребительской электроникe в современном мире. Распространенность, доступность дешевых высококачественных материалов и способность к применению в электронных схемах делает кремний привлекательным для применения его при изготовлении МЭМС.

Кремний также имеет значительные преимущества перед другими материалами благодаря своим физическим свойствам. Монокристалл кремния почти идеально подчиняется закону Гука. Это означает, что при деформации он не подвержен гистерезису и, следовательно, энергия деформации практически не рассеивается.

Также кремний очень надежен при сверхчастых движениях, так как он обладает очень малой усталостью и может работать в диапазоне от миллиардов до триллионов циклов без разрушения.

Основные методы получения всех МЭМС-устройств на основе кремния: осаждение слоев материала, структурирование этих слоев с помощьюфотолитографии

и травления для создания требуемой формы.

Полимеры

Несмотря на то, что электронная промышленность обеспечивает широкомасштабный спрос на продукцию кремниевой промышленности, кристаллический кремний по-прежнему является сложным и сравнительно дорогим материалом для производства. Полимеры, с другой стороны, можно производить в больших объёмах, с большим разнообразием характеристик материала. МЭМС-устройства могут быть сделаны из полимеров с помощью таких процессов, как литьевое формование, штамповка или стереолитография; они особенно хорошо подходят для применения при изготовлении микрофлюидных устройств, таких, как одноразовые картриджи анализа крови.

 

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.

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.

 

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.

 

Актуаторы, приспособленные к тяжёлому физическому труду, пока «выпускаются» ограниченно, но как и квалифицированные рабочие, они очень востребованы в промышленности. Наиболее часто в литературе обсуждаютсяподвижные микрозеркала, микроклапаны для контроля потока жидкостей или газа, микронасосы, элементыголовок 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.

 

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.