MicroElectroMechanical Systems, w skrócie MEMS, to zestaw mikrourządzeń o szerokiej gamie konstrukcji i przeznaczenia, wytwarzanych podobnymi metodami przy użyciu zmodyfikowanych grupowych metod technologicznych mikroelektroniki. Łączy w sobie dwie cechy. Pierwszy to rozmiar, drugi to obecność ruchomych części i cel działań mechanicznych. Na świecie znane są pod skrótem MEMS - MicroElectroMechanical Systems.

To może być:

• miniaturowe części: zawory hydrauliczne i pneumatyczne, dysze drukarki atramentowej, sprężyny zawieszenia głowicy dysku twardego
• mikroinstrumenty: skalpele i pęsety do pracy z przedmiotami o rozmiarach mikronowych
• mikromaszyny: silniki, pompy, turbiny wielkości grochu
• mikroroboty
• mikroczujniki i urządzenia wykonawcze

Niektóre z nich są już produkowane na świecie w milionach egzemplarzy, inne dopiero są rozwijane i testowane. Mikrosystemy są związane z przełomem technologicznym, jakiego dokona ludzkość w XXI wieku, przewiduje się, że dokonają one tej samej rewolucji, jaką dokonała mikroelektronika w XX wieku.

Mikrotechnologie rozwijają się w oparciu o naukowe i technologiczne zaległości mikroelektroniki. Jednocześnie systemy mikroelektromechaniczne są zaprojektowane do aktywnej interakcji z otoczeniem. Ponadto projekty systemu mają wyraźną trójwymiarowość. Tym, co odróżnia je od klasycznych układów mechanicznych, jest ich wielkość – materiały w takiej skali zachowują się nieco inaczej niż w postaci masowej, chociaż mikrosystemy nadal przestrzegają praw fizyki klasycznej, w przeciwieństwie do nanosystemów. Niemniej jednak fizyka klasyczna przewiduje szczególne właściwości mikrourządzeń. Wszystko to wymaga szeregu zupełnie nowych podejść do projektowania, produkcji i materiałów MEMS. Nowe zadania w projektowaniu wiążą się z koniecznością obliczania i symulowania nie tylko problemów obwodów i logiki, ale także połączenia problemów z zakresu mechaniki ciała stałego, termosprężystości, gazu i hydrodynamiki - występujących w produkcie osobno lub jednocześnie. Jeśli chodzi o materiały, pomimo tego, że krzem monokrystaliczny, tradycyjny materiał mikroelektroniczny, ma szereg unikalnych właściwości, potrzebne są inne materiały o nowych kombinacjach właściwości elektrofizyczno-mechanicznych. Nowe zadania technologii wiążą się z najbardziej charakterystycznymi różnicami między mikrosystemami a produktami mikroelektronicznymi: jeśli te ostatnie są zasadniczo dwuwymiarowe i mechanicznie statyczne, to mikrosystemy są rzeczywistymi strukturami trójwymiarowymi, których elementy muszą być zdolne do względnego ruchu mechanicznego. Te nowe właściwości wymagają opracowania nowych operacji technologicznych do kształtowania trójwymiarowego.

Ponieważ MEMS rozwijają się na przecięciu wielu dziedzin nauki i techniki, wymagany jest udział specjalistów z różnych dziedzin wiedzy, którzy mogliby skutecznie współdziałać. Praca takich grup powinna być koordynowana przez specjalistów posiadających wiedzę we wszystkich kierunkach obszary podlegające związanych z tworzeniem mikrosystemów, a także posiada nowoczesną metodykę realizacji działań innowacyjnych.

mikrosiłowniki

Mikrosiłownik (część MEMS) to urządzenie, które zamienia energię w kontrolowany ruch. Mikrosiłowniki mają wielkość od kilku mikrometrów kwadratowych do jednego centymetra kwadratowego. Zakres zastosowań mikrosiłowników jest niezwykle szeroki i różnorodny, stale się powiększa. Wykorzystywane są w robotyce, w urządzeniach sterujących, w kosmosie, w biomedycynie, dozymetrii, in urządzenia pomiarowe, w technologii rozrywki, motoryzacji i zastosowaniach domowych.

Główne metody stosowane do uzyskania aktywacji (ruchu, odkształcenia, pobudzenia) w takich urządzeniach można podsumować następująco: elektrostatyczna, magnetyczna, piezoelektryczna, hydrauliczna i termiczna. Najbardziej obiecujące są metody piezoelektryczne i hydrauliczne, choć inne są ważne. Aktywacja elektrostatyczna jest stosowana w około jednej trzeciej siłowników i jest prawdopodobnie najbardziej powszechną i dobrze rozwiniętą metodą, której głównymi wadami są zużycie i sklejanie. Siłowniki magnetyczne zwykle wymagają stosunkowo dużego prądu elektrycznego (tj. dużej ilości energii), również na poziomie mikroskopowym przy użyciu metod aktywacji elektrostatycznej, wynikowy sygnał wyjściowy jest na jednostkę względną wymiaru lepszy niż przy użyciu metod magnetycznych, tj. przy tym samym rozmiarze urządzenie elektrostatyczne wytwarza lepszy sygnał wyjściowy. Siłowniki termiczne również zużywają stosunkowo duża liczba energię elektryczną, a ich główną wadą jest rozpraszanie generowanego ciepła. Obecnie trwają prace nad mikrosiłownikami z pamięcią kształtu, które można miniaturyzować do rozmiarów submikronowych.

W produkcji i eksploatacji MEMS istnieje wiele cech i problemów spowodowanych małymi rozmiarami - na przykład problem tarcia suchego lub niebezpieczeństwo pęknięcia spowodowane siłami napięcia powierzchniowego. Dlatego konstrukcja mikrosystemów jest niezwykle ważny proces. Jest sporo specjalnych narzędzia programowe , które umożliwiają symulację urządzeń MEMS.

Prawa proporcjonalnej miniaturyzacji

W badaniach mikrosystemów szczególnie interesujące są konsekwencje proporcjonalnego zmniejszenia rozmiaru. Oznacza to, że zakłada się, że wszystkie wymiary i kąty pozostają ze sobą w stałej relacji i zmienia się tylko skala długości, na przykład przypuśćmy, że skala izometryczna. Procesy mechaniczne są opisane odpowiednimi numerami charakterystycznymi, które muszą pozostać stałe, aby procesy pozostały takie same. Niektóre charakterystyczne liczby zależą od wielkości systemu, podczas gdy inne są od niego niezależne. Przedstawiono tu tylko niektóre charakterystyczne liczby, które są szczególnie interesujące dla zastosowań w mikrosystemach.

Liczba Cauchy'ego (oscylacje sprężyste)

Liczba Cauchy'ego [Wzór 1 (rys. 36)] określa stosunek sił bezwładności do sił sprężystych w ciele stałym, charakteryzuje ruch lub drgania. Liczba Cauchy'ego zależy tylko od kwadratu długości L i częstotliwości drgań ω oraz właściwości materiału (od gęstości - ρ i ​​modułu Younga - E). W przypadku drgań sprężystych oznacza to zatem, że skala częstotliwości drgań jest odwrotnie proporcjonalna do długości. Wynika z tego, że mikrosystemy mechaniczne mają bardzo wysokie częstotliwości własne. Mimo że częstotliwości naturalne ograniczają zakres pracy, zminiaturyzowane systemy wykazują znacznie lepszą dynamikę i krótsze czasy reakcji.

Liczba Webera (bezwładność, napięcie powierzchniowe)

Liczbę Webera [Wzór 2 (rys. 36)] definiuje się jako stosunek sił bezwładności do napięcia powierzchniowego. Gdzie ty to prędkość, ρ to gęstość, a σ s to napięcie powierzchniowe, dla wody wartość σ s = 0,073 N/m. W przypadku dużych liczb Webera dominującą rolę odgrywają siły bezwładności, podczas gdy dla małych liczb Webera istotne są siły napięcia powierzchniowego. Liczba Webera jest ważna w tworzeniu fal na powierzchniach swobodnych, w przepływach płynu w kapilarach i kanałach oraz w tworzeniu kropel. Liczba Webera wiąże siłę napięcia powierzchniowego z siłami ciała. Przy małych rozmiarach dominują siły związane z powierzchnią.

Liczba Fouriera (przejściowa podczas wymiany ciepła)

Liczba Fouriera [Wzór 3 (rys. 36)] wskazuje na zależność między energią zmagazynowaną a przeprowadzoną energią cieplną. Określa stopień przenikania i rozprzestrzeniania się ciepła w przypadku procesu nieustalonego podczas wymiany ciepła poprzez współczynnik przewodności cieplnej λ, ciepło właściwe cp i gęstość ρ. Liczba Fouriera jest odwrotnie proporcjonalna do kwadratu długości L i wprost proporcjonalna do czasu. Dla F0<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.

Liczba Froude'a (mechanika, konwekcja, mechanika płynów)

Liczba Froude'a [Wzór 4 (ryc. 36)] jest ważna dla wszystkich dynamicznych ruchów w polu grawitacyjnym. Charakteryzuje zależność między siłami bezwładności a siłami grawitacyjnymi (masą) w funkcji prędkości υ, przyspieszenia ziemskiego g oraz skali długości L. Przy dużych wartościach liczby Froude'a wpływ grawitacji jest pomijany, przy małych wartości liczby Froude'a można pominąć siły bezwładności. Ponieważ liczba Froude'a jest odwrotnie proporcjonalna do wielkości długości, efekt grawitacji zmniejsza się wraz ze zmniejszaniem się rozmiaru. Naprawdę małe zwierzęta i mikroorganizmy mają wyższą kadencję niż ludzie lub duże zwierzęta.

Kryteria oceny mikrosiłowników

Do oceny jakości mikrosiłowników wykorzystywane są następujące wskaźniki:

• Liniowość definiuje liniowość sygnału wyjściowego jako funkcję wejścia. Zdefiniowana jako maksymalna różnica między liniową linią odniesienia a wyjściem siłownika. · Wyrażony jako procent całkowitego wyzdrowienia.
• Precyzja- jak dokładnie i powtarzalnie przeprowadzana jest pożądana aktywacja.
• Błąd określa różnicę między rzeczywistym przemieszczeniem a docelowym.
• Do Ruprawnienia istnieją trzy definicje:

1. Najmniejszy obsługiwany krok.
2. Najmniejszy przyrost wejściowy, który powoduje wykrycie aktywacji.
3. Najmniejszy definiowalny krok.

• Odtwarzalność- odchylenie sygnału wyjściowego o cykle pracy
• Histereza jest różnicą między wyjściem siłownika Y, gdy Y jest odbierane w dwóch przeciwnych kierunkach.
• Próg- począwszy od wejścia zerowego, najmniejszy początkowy przyrost wejścia skutkujący wykryciem wyjścia siłownika.
• Bezczynnyruszaj się- "martwy" bieg po zmianie kierunku ("b").
• Hałas- wahania (losowe zmiany) sygnału wyjściowego przy zerowym wejściu.
• Dryfowanie- zmiana sygnału wyjściowego siłownika (przy stałym wejściu) w zależności od zmiany czasu, temperatury itp.
• Amplituda- pełny zakres pracy sygnału wyjściowego siłownika.
• Wrażliwość- stosunek zmiany sygnału wyjściowego siłownika ΔY do zmiany przyrostu sygnału wejściowego ΔX.
• Prędkość to szybkość, z jaką zmienia się sygnał wyjściowy siłownika.
• Odpowiedź kroku- gwałtowna zmiana sygnału wyjściowego siłownika w odpowiedzi na skokowy sygnał wejściowy.
• Nośny - o wartość do porównania różnych sposobów aktywacji: DS= -(dη/dV), gdzie η - energia wyjściowa, V - objętość.

Tarcie i zużycie

Zasady miniaturyzacji proporcjonalnej prowadzą do tego, że na poziomie mikro siły powierzchniowe są ważniejsze niż siły objętościowe. Wynika z tego, że tarcie jest bardzo ważne dla mikrosiłowników. Ponadto, ze względu na swoją niewielką masę, elementy mikromechaniczne mają małą siłę bezwładności, co prowadzi do wysokich osiągów dynamicznych, dlatego często pracują z dużą częstotliwością i prędkością roboczą.

Z jednej strony tarcie prowadzi do strat, co jest przyczyną pogorszenia funkcjonowania elementów, z drugiej strony tarcie prowadzi do zużycia, co negatywnie wpływa na zachowanie funkcjonalne i prowadzi do przyspieszonego starzenia i ostatecznie do awarii składnik. Tarcie to kluczowy czynnik decydujący nie tylko o skuteczności, ale także o trwałości. Jednak tarciu nie zawsze towarzyszy zużycie, możliwe jest tarcie bez zużycia.

Tarcie to zjawisko, które wpływa na warstwę powierzchniową materiału i praktycznie nie wpływa na charakterystykę objętościową. Jest to wynik interakcji obszarów styku powierzchni. Ważnymi czynnikami wpływającymi na wielkość tarcia są warunki powierzchni, topologia powierzchni i materiały oddziałujące. W porównaniu z tradycyjną inżynierią mechaniczną w mikrosystemach pojawia się tarcie ciał stałych (tarcie suche). W przypadku mikrosilników siła napięcia powierzchniowego jest tak duża, że ​​znacząco wpływa na ich funkcjonowanie. Dlatego łożyska ślizgowe suche są używane jako łożyska ślizgowe, które jednak mogą być wyposażone w molekularne filmy smarujące w celu zmniejszenia tarcia i zużycia. W tym przypadku głównymi czynnikami stają się właściwości smaru i powierzchnia styku. Charakterystyki materiałów dla warstw smarnych o grubości molekularnej są różne. Należy zauważyć, że do chwili obecnej nie ma ogólnie przyjętych metod stosowania warstw molekularnych o grubości kilku nanometrów. W tym przypadku chropowatość powierzchni ma większe znaczenie niż grubość folii stosowanej w mikrosystemach, która waha się od kilkudziesięciu do kilkuset nanometrów.

Klasyczny inżynierski model tarcia makroskopowego ma następujące podstawowe cechy:

1. Siła tarcia zależy tylko od siły normalnej F N i zawsze działa w kierunku przeciwnym do kierunku ruchu.
2. Siła tarcia nie zależy od wielkości powierzchni styku.
3. Siła tarcia nie zależy od prędkości poślizgu.
4. Siła tarcia statycznego jest zawsze większa niż siła tarcia w ruchu.
5. Siły tarcia zależą tylko od dwóch materiałów ślizgających się po sobie.

Poniższy wzór, zwany prawem Coulomba-Amontona, wyraża te zależności: F 1 = μF N , gdzie F 1 i F N to styczne i normalne składowe siły, a μ to kinetyczny współczynnik tarcia. W tabeli przedstawiono niektóre współczynniki tarcia ślizgowego na sucho μ dla różnych kombinacji materiałów.

Każda powierzchnia ma nierówności i falistość powierzchni, co prowadzi do tego, że rzeczywista powierzchnia styku składa się z pojedynczych punktów styku. Punkty kontaktu lub nierówności stanowią tylko niewielką część całkowitej powierzchni, w zależności od obciążenia.

Ponieważ tylko punkty styku biorą udział w wytwarzaniu siły, naprężenie w punktach styku jest odpowiednio duże, a granicę plastyczności materiału σ m można osiągnąć przy stosunkowo małych siłach. W punktach styku dochodzi do odkształceń sprężystych i plastycznych, przez co całkowita powierzchnia styku A staje się wprost proporcjonalna do ciśnienia i odwrotnie proporcjonalna do granicy plastyczności, A=p/σm . W obszarach kontaktu między sąsiednimi odcinkami substancji działają siły oddziaływania międzyatomowego, które przeciwstawiają się naprężeniu ścinającemu σ s . W tym przypadku siły tarcia przenoszone są tylko na powierzchnię styku. W ten sposób siła tarcia staje się proporcjonalna do rzeczywistej powierzchni styku, a współczynnik tarcia określa wzór μ=σ s /σ m . Model ten umożliwia wyjaśnienie tarcia kulombowskiego, ponieważ tarcie staje się proporcjonalne do obciążenia i nie zależy od powierzchni pozornej. Suma punktów powierzchni kontaktu rzeczywistego wzrasta wraz ze wzrostem obciążenia, ze względu na udział większego obszaru w interakcji adhezyjnej poprzez odkształcenie. Model wyjaśnia również, dlaczego różne powierzchnie materiałów mają różne współczynniki tarcia - powierzchnie atomowe mają różne wiązania międzycząsteczkowe. Niektóre zastosowania tego pomysłu mogą wspierać wniosek, że szorstkie powierzchnie mogą mieć mniejsze tarcie niż bardzo dobrze wypolerowane, ponieważ styka się większa część powierzchni. Główną rolą smaru jest oddzielanie powierzchni.

Zużycie towarzyszące tarciu można częściowo przedstawić na poniższym rysunku. Wewnątrz punktów styku na materiał występuje silne obciążenie, które z jednej strony prowadzi do odkształceń plastycznych, a z drugiej, na skutek adhezji punktów styku, do powstawania pęknięć na powierzchni stykającego się materiału i , w rezultacie do nieodwracalnych zmian. Zużycie charakteryzuje się następującymi mechanizmami:

• Adhezja (przyklejanie)
• Zużycie ścierne (wymazywanie)
• Erozja spowodowana pękaniem powłok tlenkowych
• Zmęczenie.

Ze względu na adhezję może nastąpić przenoszenie materii między punktami styku, a sieć krystaliczna może zostać zniekształcona. Siły adhezji wzrastają dla substancji, które mają większe wzajemne podobieństwo adhezji lub rozpuszczalność chemiczną, powodując większe zużycie w przypadku kontaktu podobnych powierzchni niż w przypadku odmiennych. Idealny do zapobiegania tarciu to materiał, który jest odporny na tworzenie wiązań chemicznych z wieloma innymi materiałami. Ta chemiczna obojętność występuje w niektórych materiałach, takich jak teflon. Na poziomie atomowym ustalono, że tarcie suche jest czasami mniejsze niż tarcie płynne, ponieważ płyn zapewnia bardziej rzeczywisty kontakt między powierzchnią a płynem, co skutkuje znacznie większym tarciem adhezyjnym. Teksturowanie można stosować przede wszystkim w celu zmniejszenia tarcia i tarcia statycznego, ponieważ bardziej nieregularne powierzchnie mają mniej tarcia. Teksturowanie może również pomóc w smarowaniu.

Różne rodzaje mikrosiłowników

Konwersja energii

Celem mikroaktywacji jest uzyskanie siły, która mogłaby wywołać ruch mechaniczny. W związku z tym różne zasady akwizycji aktywacji można oceniać zgodnie z ich funkcjonalnością, tj. możliwości wykorzystania energii mechanicznej. W porównaniu z konwersją energii elektromagnetycznej, która dominuje w tradycyjnej inżynierii silników, mikroaktywacja może wykorzystywać wiele różnych zasad, które nie miałyby sensu pod względem funkcjonalności lub kosztów w makrotechnologii.

Zacznijmy od fundamentalnej zależności: zmiana zgromadzonej energii układu W jest przyczyną pojawienia się siły F:

[Wzór 5 (rys.36)]

Jeśli magazyn energii zmienia się między dwoma stanami W 1 i W 2 , otrzymujemy:

[Wzór 6 (rys.36)]

Jeśli dalej założymy, że jeden z dwóch stanów energetycznych jest równy zero, to siła wypadkowa staje się wprost proporcjonalna do zakumulowanej energii: F ~ W.

Z tego powodu zmagazynowana energia i/lub gęstość energii ma kluczowe znaczenie w ocenie wydajności dowolnego siłownika. Ponieważ każda konwersja energii wiąże się ze stratami, wydajność jest również proporcjonalna do sprawności η, z jaką jedna forma energii może zostać zamieniona na inną. Moc i wydajność systemu charakteryzuje również czas potrzebny na uzyskanie i wykorzystanie rezerwy energii. Ten przedział czasu można oszacować na podstawie stałej czasowej, która jest specyficzna dla określonej zasady aktywacji. Decyzję, którą zasadę aktywacji zastosować, należy podjąć biorąc pod uwagę osiągalną gęstość energii, szybkość zmiany stanu (stała czasowa τ) oraz efektywność energetyczną η. W zależności od tych wartości moc systemu można wyrazić w następujący sposób:

[Wzór 7 (rys.36)]

Należy zauważyć, że podaż energii rośnie wraz ze wzrostem objętości, a więc mamy trzecią potęgę wielkości charakteryzującej wielkość λ, (np. m 3) i gdy mamy do czynienia z siłą, to mamy drugą potęgę (m2). Ponieważ jednak w niektórych ważnych przypadkach osiągalna gęstość energii zależy również od rozmiaru, ta zależność - trzecia potęga wielkości charakteryzującej rozmiar - nie zawsze jest prawidłowa. W przypadku mikrosystemów prowadzi to do tak ważnego faktu: te zasady konwersji energii, które nie odpowiadają makrozakresowi, staną się atrakcyjne w użyciu. Ogólnie związek między siłą a wartością charakteryzującą rozmiar można opisać zależnością F~λ n . Typowe wartości wykładnika n dla różnych zasad konwersji energii zestawiono w tabeli.

Wymienione zasady różnią się osiągalną gęstością energii, stałą czasową i wydajnością energetyczną. Te stosunki określają osiągalną siłę i gęstość energii. Typowa gęstość energii dla podstawowych stosowanych obecnie zasad konwersji mieści się w zakresie w=10 5 -10 6 W*s/m 3 . Jednakże, ponieważ prędkość wyrażona przez stałą czasową znacznie się różni, gęstość energii w/ zmienia się w szerszym zakresie, od 10 -6 -10 0 W/cm 3 . Siłowniki hydrauliczne i pneumatyczne osiągają najwyższą gęstość energii, można nawet powiedzieć, że w zakresie mikro nie ma siłowników o wyższej gęstości energii. Użyteczną energię mechaniczną uzyskuje się z iloczynu gęstości energii i sprawności. Wydajność (Efficiency) zależy od zasady działania i wielkości, dlatego w mikrozakresie niektóre zasady aktywacji mają tę samą wydajność.

Siłowniki elektrostatyczne

Dla kondensatora płaskiego skumulowaną energię U można obliczyć ze wzoru [Wzór 8 (rys. 36)], gdzie C-pojemność i V to napięcie między płytami kondensatora.

Kiedy płytki kondensatora zbliżają się do siebie, pracę wykonaną przez siłę oddziaływania między nimi można obliczyć jako zmianę U w zależności od zmiany odległości ( x). Siłę oblicza się ze wzoru [Wzór 9 (rys. 36)]

Istnieje kilka możliwości realizacji siłowników elektrostatycznych opartych na kondensatorach płasko-równoległych:

Jednak, aby generować duże siły, które będą wykonywać użyteczną pracę takiego urządzenia, konieczne jest, aby pojemności zmieniały się znacznie wraz ze zmianą odległości. Jest to przewodnik po działaniach mających na celu uzyskanie elektrostatycznych mikrosilników grzbietowych (ryc. 5).

Mikrosilniki grzebieniowe składają się z dużej liczby kołków przeciwprętów (rys. 5). Po przyłożeniu napięcia między pinami pojawia się siła interakcji i zaczynają się one poruszać. Wzrost pojemności jest proporcjonalny do liczby kołków, więc do wytworzenia dużych sił potrzebna jest duża liczba kołków. Jednym z potencjalnych problemów z takim urządzeniem jest to, że jeśli odstępy boczne między kołkami nie są takie same po obu stronach (lub jeśli urządzenie jest zepsute), kołki mogą poruszać się pod kątem prostym we właściwym kierunku i łączyć je do siebie. Silniki grzebieniowe są szczególnie powszechne wśród urządzeń uzyskanych metodą mikroobróbki powierzchni.

Silniki toczne nazwane na cześć akcji kołysania leżącej u podstaw ich zasady działania. Rysunek 6(a,b) przedstawia konstrukcję silnika tocznego uzyskanego przy użyciu technologii mikroobróbki powierzchniowej. Wirnik jest okrągłym dyskiem. Podczas pracy od dołu elektrody umieszczone szeregowo jedna po drugiej są włączane i wyłączane. Dysk jest kolejno przyciągany do każdej elektrody; krawędź dysku styka się z dielektrykiem znajdującym się nad elektrodami. W ten sposób powoli obraca się w kółko; wykonanie jednego obrotu wokół własnej osi przez kombinację kilku zmian napięcia na stojanie.

Inną konstrukcję silnika tocznego pokazano na rysunku 7. Wirnik umieszczony wewnątrz stojana stanowi oś silnika. Pole elektryczne oscyluje wirnikiem wewnątrz stojana, a tarcie obraca wirnik.Problemy mogą powstać, jeśli izolacja elektrod stojana zużyje się szybko, jeśli wirnik utknie lub zakleszczy się, jeśli wirnik i łożysko nie są okrągłe.

Problemem silników z mikroobróbką powierzchniową są ich bardzo małe wymiary pionowe, dlatego tak trudno jest uzyskać dużą zmianę pojemności podczas ruchu wirnika. Aby przezwyciężyć te problemy, możesz użyć LIGA technologia. Silnik wykonany w tej technologii pokazano na rysunku 6(c,d) - tutaj cylindryczny wirnik obraca się wokół stojana.

1) Zalety:

• korzyści z proporcjonalnego zmniejszenia rozmiarów
• łatwość miniaturyzacji

2) Wady

• W przypadku większości siłowników elektrostatycznych cząsteczki kurzu i defekty powierzchni mogą spowodować awarię z powodu małych szczelin powietrznych.
• Wysokie napięcie
• do silników obrotowych, niski moment obrotowy i krótka żywotność z powodu tarcia.

Siłowniki magnetyczne

Przede wszystkim należy powiedzieć, że dość często mikrourządzenia są produkowane metodą galwanizacji z użyciem niklu (dotyczy to zwłaszcza LIGA technologia). A ponieważ nikiel jest materiałem ferromagnetycznym, była to główna przyczyna pojawienia się siłowników magnetycznych.

Głównym elementem większości siłowników tego typu jest cienkowarstwowa konstrukcja płytowa, która wspiera sekcję elektrolitycznego permaloyu, która generuje siłę mechaniczną i moment obrotowy po umieszczeniu w polu magnetycznym. Zarówno płyty konstrukcyjne, jak i belki nośne wykonane są z cienkich folii polikrystalicznych. Mechanizm aktywacji przedstawiono na rysunku 8. Gdy zewnętrzne pole magnetyczne wynosi zero, płyta konstrukcyjna jest równoległa do płaszczyzny podłoża. Kiedy zewnętrzne pole magnetyczne H ext jest normalnie przyłożone do płaszczyzny płyty strukturalnej, wektor namagnesowania M pojawia się wewnątrz sekcji permaloyu, a następnie oddziałuje z H ext. Oddziaływanie wytwarza moment obrotowy (Mmag) i niewielką siłę działającą na wolny koniec belki wspornikowej, powodując jej zginanie.

Gdy stosuje się zewnętrzne obciążenie, uważa się, że materiał permalojowy ma stały płaski-równoległy wektor namagnesowania o wielkości równej namagnesowaniu nasycenia M sat. Po umieszczeniu w zewnętrznym polu magnetycznym generowane są dwie składowe siły. Wielkość zarówno F 1 (działająca na górną ścianę), jak i F 2 (działającą na dolną ścianę) oblicza się w następujący sposób:

F 1 = M us × W × T × H 1

F 2 \u003d M us × W × T × H 2,

gdzie H 1 i H 2 to natężenia pola magnetycznego na górnej i dolnej powierzchni płyty (w obecnej konfiguracji 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:

Mmag = F 1×L×cosθ

Moment obrotowy zawsze ma tendencję do zmniejszania całkowitej energii w układzie siłownika poprzez wyrównanie wektora namagnesowania z liniami siły zewnętrznego pola magnetycznego.

Zdjęcie mikrosiłownika magnetycznego uzyskane za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego pokazano na ryc. 9 (widok z góry, perspektywa b).

Przykładem mikrosiłownika magnetycznego innej konstrukcji jest silnik liniowy pokazany na rysunku 10. Magnes umieszczony w kanale porusza się tam iz powrotem podczas przełączania prądu w uzwojeniach, następnie z jednej strony kanału, a następnie z drugiej strony kanał.

Częstym problemem z siłownikami magnetycznymi jest to, że uzwojenia są dwuwymiarowe (zwoje trójwymiarowe są bardzo trudne do wykonania na poziomie mikro). Dodatkowo wybór materiału magnetycznego jest ograniczony – wybierane są tylko te materiały, które są łatwe w obróbce na poziomie mikro, a okazuje się, że nie zawsze materiał magnesu jest dobierany optymalnie. W dużej mierze z tego powodu siłowniki magnetyczne zużywają dużo energii i rozpraszają dużo ciepła. Należy zauważyć, że przy produkcji elementów mikroskopijnych (do kilku milimetrów) urządzenia elektrostatyczne są zwykle bardziej opłacalne niż urządzenia magnetyczne, jednak przy większych rozmiarach urządzenia magnetyczne przewyższają urządzenia elektrostatyczne.

Siłowniki piezoelektryczne

Teoria siłowników piezoelektrycznych opiera się na bezpośrednim efekcie piezoelektrycznym - pojawianiu się ładunków elektrycznych o różnych znakach na przeciwległych powierzchniach niektórych kryształów podczas ich mechanicznych odkształceń: ściskaniu, rozciąganiu itp. oraz odwrotnym efekcie piezoelektrycznym - polega na odkształceniu te same kryształy pod działaniem zewnętrznego pola elektrycznego. Podstawowa formuła efektu bezpośredniego:

[Wzór 10 (ryc. 36)],

dla rewersu:

[Wzór 11 (rys.36)],

gdzie Di jest wektorem przemieszczenia elektrycznego, Ej jest natężeniem pola elektrycznego, Ek jest odkształceniem względnym, σk jest naprężeniem mechanicznym. Głównymi parametrami są: dik - współczynniki piezoelektryczne, Sik - współczynniki odkształcenia sprężystego, współczynniki przenikalności Eik.

Na ryc. 11 przedstawia dwa proste przykłady demonstrujące zasadę działania siłowników piezoelektrycznych. Na ryc. Na belce osadzana jest 11. warstwa piezoelektryczna. Po przyłożeniu naprężenia belka ugina się. Ta sama zasada może być zastosowana do cienkiej membrany silikonowej (ryc. 11-b). Po przyłożeniu napięcia membrana odkształca się.

Najbardziej popularne są następujące konstrukcje piezoelektryczne:

Mikrosiłowniki (ryc. 35).

Siłowniki hydrauliczne

Mikrosiłowniki hydrauliczne mają duży potencjał, ponieważ mogą przenosić dość dużą moc z zewnętrznego źródła przez bardzo wąskie rurki. Fakt ten można wykorzystać w takich miejscach jak końcówka cewnika, zamocowany instrument mikrochirurgiczny.

Do produkcji mikroturbin można wykorzystać LIGA technologia (rys.12). Ta mikroturbina dostarcza energię do mikronarzędzia tnącego.

Do cech mikrosiłowników hydraulicznych należy fakt, że mają dość duże rozmiary, wysoki poziom sił wyjściowych i mogą mieć wyjątkowo niskie tarcie.

Siłowniki termiczne

Siłowniki termiczne wykorzystują zarówno rozszerzanie liniowe lub objętościowe cieczy lub gazu, jak i deformację kształtu spowodowaną efektem bimetalicznym, który ma miejsce w wyniku zmian temperatury. Rozważ bimetaliczny siłownik. Na ryc. Na rysunku 13 widać wiązkę z jednego materiału (krzemu) i warstwę innego materiału (aluminium). Ich współczynnik rozszerzalności cieplnej jest inny. Po podgrzaniu jeden materiał rozszerza się szybciej niż drugi i wiązka ugina się. Ogrzewanie można uzyskać, przepuszczając przez to urządzenie prąd elektryczny.

Siłowniki termiczne mogą generować stosunkowo duże siły, ale nie ma takiej konstrukcji pod względem efektywności energetycznej. Wynik poprawia się wraz ze wzrostem różnicy współczynników rozszerzalności cieplnej oraz przy dużej zmianie temperatury, jednak osiągana sprawność jest nadal stosunkowo niewielka. Gazy i ciecze mają znacznie wyższy współczynnik rozszerzalności cieplnej niż ciała stałe, co może być stosowane w mikrosiłownikach termopneumatycznych. Na ryc. 14 przedstawia rezonator z cieczą w środku, z cienką membraną jako ścianką dolną. Przez element grzejny (rezystor) przepływa prąd. Ciecz nagrzewa się i zaczyna się rozszerzać, deformując membranę.

Zalety mikrosiłowników termicznych:

1. Prosta konstrukcja, elementami roboczymi są opornik grzewczy i struktura folii wykorzystująca efekt bimetaliczny.
2. Odpowiedni rozmiar leżący w zakresie mikro.
3. Jako aktywne elementy mają zastosowanie prawie wszystkie materiały, które oprócz różnych współczynników rozszerzalności muszą mieć wystarczającą wytrzymałość. Zazwyczaj grzałka jest rezystorem o krętym kształcie, który można łatwo wytworzyć przy użyciu technologii cienkowarstwowej lub grubowarstwowej.

Wady:

1. Obecnie element grzejny zużywa dużo energii, aby siłownik termiczny mógł wytworzyć stosunkowo dużą siłę, tj. Siłowniki termiczne mają niską sprawność.
2. Element grzejny musi zostać schłodzony, aby siłownik powrócił do pierwotnej pozycji, co oznacza, że ​​ciepło musi zostać odprowadzone do otoczenia. To naturalnie zajmuje trochę czasu i ogranicza wydajność.

Produkcja MEMS

Projektowanie mikrosystemów

Ponieważ projektowanie MEMS jest zautomatyzowane w prawie wszystkich jego fazach, skupimy się na metodologiach, algorytmach, metodach opisu i modelowania stosowanych w projektowaniu wspomaganym komputerowo. Wszystko to łączy się w pojemną koncepcję CAE - Computer Aided Engineering. Specyficzne cechy i różnice między projektowaniem, produkcją i zastosowaniem mikrosystemów a tradycyjnymi (makro) wdrożeniami wynikają z ich wielkości.

Technologia Microsystem nie nadaje się do produkcji prototypów. Jeśli naruszony zostanie schemat produkcji masowej produkcji według technologii wsadowej, pociąga to za sobą dodatkowe koszty. Dlatego w miarę możliwości należy unikać produkcji prototypów. Oprócz wysokich kosztów wytworzenia prototypu, do zakończenia cyklu produkcyjnego potrzebny jest bardzo długi czas. W zależności od złożoności cykl trwa kilka dni, tygodni, a nawet sześć miesięcy. Jednocześnie za pomocą symulacji można przetestować ogromną liczbę opcji projektowych.

Projektowanie obejmuje wysoką odpowiedzialność kosztową za każdy kolejny etap cyklu życia produktu. W typowym cyklu produktowym:

• a) Planowanie projektu;
• b) Projekt;
• c) produkcja;
• d) Sprzedaż;
• e) Usługa;
• f) Utylizacja,

projektowanie ma znaczący wpływ na koszt kolejnych etapów, chociaż bezpośredni koszt projektowania jest stosunkowo niewielki. Zwykle koszty projektowania stanowią 10% całkowitego kosztu, chociaż odpowiada on za 70-80% całkowitego kosztu.

W przeciwieństwie do tradycyjnych systemów, możliwość naprawy mikrosystemów, a zwłaszcza układów scalonych, jest bardzo ograniczona. Dlatego głównym celem rozwoju jest posiadanie w pełni działającego systemu już w pierwszym wdrożeniu. Chociaż typowy wskaźnik awaryjności jest stosunkowo wysoki (około 10%), sterowalność systemu jest również ważnym problemem projektowym.

Obecnie mikrosystemy składają się z pojedynczych komponentów, takich jak czujniki i siłowniki, które są zintegrowane i wyposażone w elektronikę sterującą i obliczeniową. MEMS wyróżnia różnorodność zastosowań. W przypadku projektowania pojawia się zatem pytanie, w jakim stopniu poszczególne etapy projektowania można ujednolicić i zautomatyzować. Zależność między zadaniami projektowania i symulacji pokazano na rys. 1. piętnaście.

Nie wszystkie kroki można jednakowo zautomatyzować. W szczególności projektowanie koncepcyjne i opracowanie zasad działania, które opierają się na kreatywności dewelopera i dlatego nie mogą być ustandaryzowane. A kreatywność może być tylko w niewielkim stopniu wspierana przez środowisko projektowe.

Materiały do ​​MEMS

Podczas tworzenia mikrosystemów rozróżnia się w rzeczywistości dwie grupy materiałów:

1. Strukturalny (szklany, monokrystaliczny, polikrystaliczny, krzem porowaty, dwutlenek i azotek krzemu, poliimid, wolfram, nikiel, miedź, złoto, węgiel diamentopodobny) stosowany do formowania:

• konstrukcje nośne;
• okablowanie prądowe;
• smary.

2. „Active smart” (nikiel/tytan, permaloj, kwarc, tlenek cynku, piezoceramika, materiały z grupy A 3 B 5, A 4 B 6), działający dzięki zjawiskom elektrostatycznym, elektromechanicznym, piezoelektrycznym, magnetycznym, optycznym i pamięci kształtu cechy efektu:

• źródła ruchu;
• mechanizmy transmisji ruchu;
• środowiska sensoryczne i aktywizujące.

Tworząc mikrosystemy do różnych celów funkcjonalnych w oparciu o kompozycje różnych materiałów, należy wziąć pod uwagę następujące parametry:

• zgodność chemiczna kryształów;
• kompatybilność termomechaniczna;
• odporność termiczna (dopuszczalne obciążenie cieplne z uwzględnieniem temperatury Debye'a, punktu Curie, a dla półprzewodników temperatury przejścia do stanu, w którym stężenie własnych nośników ładunku jest zbliżone do domieszki; zdolność substancji do wydzielania energia do środowiska dzięki przewodności cieplnej oraz w wysokich temperaturach i na skutek promieniowania cieplnego);
• opór elektryczny;
• Opór mechaniczny;
• zmęczenie mechaniczne.

Światowe doświadczenie w produkcji MEMS opiera się na powszechnym stosowaniu krzemu, taniego i łatwo dostępnego materiału. Jednak technologie mikromechaniki krzemowej i przetwarzania informacji na krzemie (obwody CMOS) nie wystarczą do pomyślnego rozwoju MEMS. Dlatego duże znaczenie mają układy, w których obok krzemu i innych materiałów półprzewodnikowych stosuje się polimery, ceramikę i metale.

W klasycznej mikroelektromechanice, skoncentrowanej na podstawowych mikrotechnologiach krzemu, obecnie dominuje struktura „krzem na dwutlenku krzemu”. Biorąc pod uwagę fakt, że mikroukłady są złożonymi, niejednorodnymi kompozycjami, które wymagają połączenia zestawu odmiennych materiałów oraz biorąc pod uwagę możliwe cechy ich funkcjonowania (wysokie temperatury, agresywne środowiska, promieniowanie), skład „węglik krzemu na azotku glinu” „ma niewątpliwe zainteresowanie jako podstawowe medium nauki o materiałach”. Kompozycja ta łączy dwa materiały o szerokiej szczelinie, z których jeden, azotek glinu, jest wyraźnym dielektrykiem (6,2 eV) i ma dobre właściwości piezoelektryczne, a drugi, węglik krzemu (3,0 eV), jest półprzewodnikiem o szerokiej szczelinie. Obydwa materiały są optycznie aktywne, w tym te w zakresie ultrafioletowym widma, mają wysoką przewodność cieplną i temperaturę Debye'a, która charakteryzuje odporność materiału na wpływy zewnętrzne (termiczne, chemiczne, promieniowanie).

Technologie produkcji MEMS

Do produkcji mikrosystemów stosuje się głównie technologię wsadową. Podczas korzystania z tej technologii duża liczba elementów jest przetwarzana jednocześnie, a ręczna interwencja albo wcale nie jest wymagana, albo jest nieistotna. Na przykład osadzanie folii, litografia optyczna, galwanizacja lub trawienie. Wiele z tych technologii zostało opracowanych w technologii półprzewodnikowej.

Ponieważ mikrosystemy są małe, koszty materiałów są niskie, co oznacza, że ​​koszty produkcji są niskie, mimo że istnieją specjalne wymagania dotyczące niezbędnej czystości materiałów. Koszt zakładów produkcyjnych jest wysoki. Sprzęt produkcyjny wymaga bardzo wysokiej precyzji (czyste pomieszczenie, powlekanie...). Ponadto wymagane są wysokie koszty konserwacji i kontroli (np. kontrola procesu, kontrola powlekania).

Obecnie istnieje kilka podstawowych technologii produkcji MEMS, do których należą między innymi mikrosiłowniki.

Mikroobróbka krzemu w masie.

Mikroobróbka wolumetryczna krzemu jest rozumiana jako technologia głębokiego trawienia wolumetrycznego, w której trawienie może być anizotropowe lub plazmowe.

Marynowanie na sucho.

Trawienie na sucho to metoda usuwania krzemianów z niezamaskowanych powierzchni. Cechą tego procesu jest to, że proces ten można łączyć z technologią cienkowarstwową i technologią CMOS. Profil trawienia jest również kontrolowany za pomocą trawienia fizykochemicznego.

Parametry procesu	Zalety	Wady
1. Parametry plazmy: skład gazu napięcie polaryzacji temperatura podłoża gęstość plazmy ciśnienie procesowe	1. Znaczący obraz poziomy.	1. Obróbka płyt oddzielnie.
- termiczny SiO, - aplikacja fotorezystu - metalizacja (Cr, Al).	2. Zmienny profil	2. Wydłużenie czasu trawienia.
3. Ekspozycja chemiczna: na odwrotnej stronie (membrany, otwory) - o kształcie geometrycznym decyduje wzór maski, od frontu (konsole, kanały, zamknięcia)	3.Możliwe jest uzyskanie obrazów reliefowych	3. Brak własnego ogranicznika wytrawiania i definicji obrazu
4. Gazy trawiące: SF 6 - CBrF 3 w t< 270K SF 6 - O 2 w t< 100 K CHF 3 - O 2 w t< 100 K CHCl3 w t< 270 K.

Płynne chemiczne trawienie anizotropowe

Proces ten wykorzystuje fakt, że różne kierunki krystalograficzne kryształu są trawione z różną szybkością (pozostawiając powierzchnię o orientacji 111).

Parametry procesu	Zalety	Wady
1. Orientacja podłoża: 111(V-rowek) 110 (rowek U, niestandaryzowany)	1. Łatwy proces produkcji seryjnej.	1. Maskowanie do głębokiego trawienia.
2. Maskowanie cienkimi filmami: - termicznie SiO 2 , - chemiczne osadzanie par pod zmniejszonym ciśnieniem SiO 2 lub Si 3 N 4 - metalizacja (Cr) do obróbki termomechanicznej.		2. Ograniczony zestaw otrzymanych obrazów.
3. Ekspozycja chemiczna: na odwrotnej stronie (membrany, kanały) - kształt geometryczny wyznaczają płaszczyzny krystalograficzne, od frontu (konsole, kanały) - kształt geometryczny określany jest przez trawienie.		3. Problemy z narożnikami zewnętrznymi.
4. Proces produkcji luzem jest ograniczony reakcją powierzchni.

Etapy ciekłego chemicznego trawienia anizotropowego przedstawiono szczegółowo na ryc. 16.

1. (100 - podłoże)
2. p + domieszkowanie w celu uzyskania warstwy zatrzymującej trawienie
3. osadzanie epitaksjalne
4. utlenianie
5. litografia i trawienie SiO 2
6. trawienie anizotropowe

Mikroobróbka powierzchni krzemu

Główną cechą tej technologii jest kompatybilność z technologią półprzewodnikową, do mikroobróbki wykorzystywana jest technologia CMOS.

Parametry procesu	Zalety	Wady
1. Plazmowe osadzanie chemiczne z fazy gazowej lub chemiczne osadzanie z fazy gazowej pod zmniejszonym ciśnieniem polikrystalicznego krzemu, szkła fosforowo-kwarcowego.	1. Znacząco wyprowadzony poziomy kształt geometryczny	1. Zmniejszony stosunek szerokości kanału do długości
2. Maskowanie polimerami i cienkimi foliami: - aplikacja fotorezystu - termiczny SiO 2 - chemiczne osadzanie par pod zmniejszonym ciśnieniem SiO 2 lub Si 3 N 4 szkło fosforowo-kwarcowe.	2. Zmienny profil	Redukcja materiału
3. Utlenianie termiczne suche i ciekłe.	3. Istnieje możliwość otrzymania darmowych konstrukcji
4. Kształt geometryczny określany jest poprzez maskowanie i trawienie.	4. Kompatybilny z CMOS.
5. Trawienie (suche i płynne)

Etapy mikroobróbki powierzchni krzemu przedstawiono szczegółowo na ryc. 17.

1. Osadzanie warstwy izolacyjnej i polikrystalicznego podłoża krzemowego.
2. Osadzanie pierwszej warstwy protektorowej i tworzenie początkowego wzoru.
3. Osadzanie polikrystalicznego krzemu oraz obrazowanie wzoru stojana i wirnika
4. Rysowanie wzoru na 1 warstwie ofiarnej i na 2 warstwie ofiarnej
5. Trawienie warstw protektorowych i uwalnianie wirnika

Technologia LIGA

Technologia została opracowana w Niemczech około 30 lat temu. Skrót oznacza - litografia rentgenowska, galwanizacja i formowanie. Istota procesu polega na wykorzystaniu promieniowania rentgenowskiego z synchrotronu do uzyskania w materiale polimerowym głębokich wzorów topologicznych o gładkich ścianach. Promieniowanie synchrotronowe ma bardzo mały kąt rozbieżności wiązki. Źródłem promieniowania są elektrony wysokoenergetyczne (energia Е>1 GeV) poruszające się z relatywistycznymi prędkościami. Głębokość wnikania promieniowania sięga kilku milimetrów. Prowadzi to do wysokiej wydajności ekspozycji przy niskich kosztach czasu. Etapy technologii LIGA przedstawiono szczegółowo na ryc. osiemnaście.

Technologia SIGA

Skrót oznacza - litografia ultrafioletowa, galwanizacja i formowanie. Spośród cech tego procesu można zauważyć, że można kontrolować szerokość profilu i że technologia jest kompatybilna z technologią cienkowarstwową. Etapy technologii SIGA zostały szczegółowo przedstawione na ryc. 19.

Technologia kształtowania korpuskularno-belkowego

Obecnie istnieją dwa kierunki kształtowania wiązek cząstek: lokalnie stymulowany wzrost (osadzanie lub polimeryzacja) oraz lokalnie stymulowane trawienie precyzyjne, które opierają się na oddziaływaniu na ośrodek lub materiał skoncentrowanego przepływu energii (światło, elektron, jon). wiązki) sterowane w czasie i przestrzeni. Tradycyjna technologia formowania trójwymiarowego wzoru w szkle, polimerach i ceramice polega na obróbce przedmiotu ostro skupioną wiązką laserową (mikrofrezowanie laserowe).

Ten rodzaj uderzenia, w zależności od wydzielanej miejscowo mocy (10 5 -10 9 W/cm 2), czasu trwania i cyklu pracy uderzenia, chłonności obrabianego materiału oraz jego dyfuzyjności cieplnej, umożliwia oba procesy modyfikacji. materiały i usuwanie z powodu parowania. Zmiana głębi ostrości, wraz ze zmiennością wcześniej określonych parametrów, pozwala na przejście od mikroobróbki powierzchniowej do wolumetrycznej obiektów.

W ostatnim czasie, w związku z rozwiązywaniem problemów powstawania trójwymiarowych mikroobiektów, za granicą zintensyfikowano prace w zakresie lokalnego stymulowanego wzrostu struktur 3D o złożonej konfiguracji (sprężyny, zawory). Istnieją dwa główne kierunki pozyskiwania mikroobiektów wolumetrycznych dzięki stymulacji laserowej:

• naparowywanie laserowe (LCVD);
• fotostymulowana polimeryzacja.

Ostatnią opcją pozyskiwania mikroobiektów masowych z polimerów jest mikrostereolitografia. Osadzanie i polimeryzacja są przeprowadzane warstwa po warstwie i umożliwiają realizację różnorodnych trójwymiarowych obiektów o wielkości do kilku milimetrów z rozdzielczością mikronową.

Zalety kształtowania laserowego to:

• możliwość realizacji operacji w otwartych systemach bezpróżniowych, co upraszcza pozycjonowanie i przemieszczanie obiektu;
• umiejętność pracy nie tylko z obiektami płaskimi (planarnymi), ale także z półfabrykatami o złożonym kształcie, umiejętność tworzenia złożonego reliefu.
• możliwość zapewnienia wysokiego stopnia automatyzacji przetwarzania, elastyczności procesu i dostrajania w czasie rzeczywistym;
• możliwość modyfikacji właściwości materiału, co determinuje zmianę właściwości fizykochemicznych (np. struktury lub składu fazowego, wytrzymałości mechanicznej czy rozpuszczalności).

Wady metody kształtowania laserowego to:

Wraz z kształtowaniem laserowym możliwe jest zastosowanie mikroobróbki elektronicznej, jonowej i plazmowej. Jednak osobliwości uzyskiwania ogniskowania i pozycjonowania tego typu uderzeń, które pozwalają na uzyskanie rozdzielczości submikronowej, wymagają zastosowania próżniowych układów technologicznych, a także stwarzają znaczne ograniczenia głębokości obróbki w warunkach przestrzennie precyzyjnych operacji.

Świnka

MUMPs - skrót od Multi-User MEMS Technology - to bardzo dobrze znany komercyjny program, który daje projektantowi ekonomiczny dostęp do obróbki powierzchni. Ten program, oferowany wyłącznie przez Cronos, ma na celu zapewnienie wszechstronnej mikroobróbki różnym użytkownikom, którzy chcą projektować i produkować urządzenia MEMS. Zaczęło być używane w grudniu 1992 roku. Można powiedzieć, że proces ten jest trampoliną do projektowania i testowania prototypów urządzeń MEMS oraz przyspieszania procesów rozwoju produktu. MUMPs to trójwarstwowy polikrystaliczny proces mikroobróbki powierzchni, który z powodzeniem łączy główne etapy prostszych procesów.

technologia włókien

Wyroby szklane o małym przekroju w postaci określonej mikrostruktury oraz technologia ich wytwarzania są znane od dawna (płytki mikrokanałowe, maski RTG z włókna szklanego, urządzenia światłowodowe). Istotą technologii włókna szklanego jest spiekanie wiązki włókien szklanych (pustych lub litych), różniących się selektywnością trawienia w stosunku do rozpuszczalnika, dociągnięcie tej wiązki do wymaganego wymiaru poprzecznego, rozcięcie wydłużonej części wiązki na kawałki, a następnie trawienie rozpuszczalnych włókien z kawałka. Układanie włókien w wiązkę odbywa się w taki sposób, aby włókna nierozpuszczalne tworzyły strukturę (topologię) wytwarzanej mikrostruktury w przekroju wiązki w określonej skali.

Ponieważ produkty mikromechaniczne charakteryzują się obecnością otworów i powierzchni o różnych konfiguracjach, wymagany jest dobór materiałów i geometrii włókien. Te procesy montażu i rozciągania belek nie są trywialne, ale umożliwiają wytwarzanie części o minimalnych wymiarach otworów poprzecznych do 0,2 µm na wysokości (głębokość, długość) od 100 µm do 1 cm.

Na szczególną uwagę zasługuje możliwość wytwarzania części o powierzchniach śrubowych poprzez skręcanie podłużnej belki wokół jej osi. Takie powierzchnie, jak wiadomo, są typowe dla śrub, przekładni ślimakowych i śrubowych iw zasadzie nie mogą być zrealizowane w technologii LlGA.

Technologię światłowodową można zaklasyfikować jako technologię grupową, ponieważ produkty tego samego typu są w tym przypadku powielane w ramach pojedynczej wiązki włókien.

Aplikacja MEMS

Mikrosiłowniki biomedyczne.

Mikrosiłowniki są przydatne w biomedycynie, gdy obiekty biologiczne muszą być kontrolowane na poziomie mikroskopowym. Ponadto możliwość łatwej integracji wielu mikrosiłowników umożliwia produkcję złożonych mikrosystemów zdolnych do kontrolowania wielu parametrów.

Mikromanipulatory.

Aby kontrolować komórki, tkanki i inne obiekty biologiczne, mikromanipulatory muszą być kontrolowane przez mechanizmy mikroaktywacji zdolne do działania w roztworze przewodzącym. Najlepszymi kandydatami są stopy magnetyczne, pneumatyczne, termiczne i z pamięcią kształtu. Mikrosiłownik magnetyczny pokazany na ryc. 20 zastosowano do zwalczania jednokomórkowego pierwotniaka w soli fizjologicznej. Mikrosiłownik ze stopu z pamięcią kształtu pokazany na ryc. 21 jest zdolny do zszywania tkanek w endoskopowych zabiegach chirurgicznych. Urządzenia drugiej generacji wykonane z polimerów są obecnie testowane na ludziach.

Submikromanipulatory

Pracownicy Uniwersytetu Nagoya wykonali pęsety i igłę osadzone na osiach połączonych z podstawą nośną za pomocą mikrostereolitografii dwufotonowej ( Ti/laser szafirowy, λ=763nm z czasem trwania impulsu 130fs i częstotliwością repetycji 8MHz). W pierwszej kolejności nieruchomą oś i ograniczniki spolimeryzowano metodą kołowego skanowania wiązki laserowej ze zmniejszeniem płaszczyzny ogniskowania. Następnie uformowała się pierścieniowa część trzonka pęsety, sam trzonek uformowano poprzez zwiększenie łuków o rosnącym promieniu, a na końcu końcówka submikronowa była rzędem kropek (ryc. 22). Warto zauważyć, że podczas procesu polimeryzacji części unoszą się w żywicy, której lepkość utrzymuje je na miejscu. Długość końcówek pęsety wynosi 1,8 μm, średnica 250 nm, czas narastania 6 min.

Pęseta została wprawiona w ruch za pomocą wspomnianego lasera pracującego w trybie generowania ciągłego. Autorzy podkreślają, że w przeciwieństwie do pęsety elektrostatycznej, która szybko zamyka się po osiągnięciu napięcia progowego, tutaj ruch nóżki pęsety jest precyzyjnie kontrolowany przez zadaną pozycję ogniska na całej trajektorii. Dokładność ustawienia pozycji pęsety wynosi ~15 nm, a siłę trzymania pęsety reguluje się przesuwając ognisko wzdłuż trzonu w granicach jednego rzędu femtonewtonów.

Autorzy testują wytwarzanie mikromechanizmów o większej swobodzie ruchu z pojedynczą skupioną wiązką. Ryż. 23 a, b pokaż obraz SEM mikroigły o dwóch stopniach swobody oraz schemat „napędu laserowego” (ostrość 250nm). Przetestowano dwa rodzaje ruchu igły - ruch liniowy z prędkością 6,8 μm oraz rotacyjny z prędkością 34 obr/min. Pokazano również ruch mikrocząstki w cieczy i jej umieszczenie na czubku igły (ryc. 24). Autorzy przygotowują kombinację opisanych manipulatorów z trójwymiarowymi polimerowymi układami mikroprzepływowymi do zastosowania w bionanotechnologii m.in. w aparaturze do nanochirurgii żywych komórek oraz w układach nanoanalizy pojedynczych cząsteczek.

Mikronarzędzia chirurgiczne.

Zdolność większości mikrosiłowników do interakcji chirurgicznej z tkankami biologicznymi jest utrudniona przez ich niezdolność do wytrzymania sił rzędu 1 mN. Najbardziej udanym zastosowaniem mikroaktywacji w narzędziach chirurgicznych jest zastosowanie silników krokowych o dużej mocy i mikrostruktur rezonansowych. Technologia MEMS może być wykorzystana do zwiększenia wszechstronności narzędzi chirurgicznych (np. mikrogrzałek, mikroczujników, dostarczania i ekstrakcji płynów). Skalpel sterowany mikrosiłownikiem piezoelektrycznym jest innowacyjnym przykładem zastosowania technologii MEMS w narzędziach chirurgicznych (ryc. 25). Piezoelektryczny silnik krokowy umożliwia precyzyjną kontrolę pozycji skalpela. Wykorzystując możliwość pomiaru naprężeń odczuwanych przez skalpel podczas cięcia, można określić i kontrolować rzeczywistą siłę cięcia. Innym dobrym przykładem zastosowania technologii MEMS do zastosowań w narzędziach chirurgicznych jest ultradźwiękowe narzędzie tnące wykonane metodą mikroobróbki wolumetrycznej. Materiał piezoelektryczny jest przymocowany do narzędzia tnącego w celu rezonansu końcówki urządzenia z częstotliwością ultradźwiękową. Dopiero po uruchomieniu urządzenie szybko i łatwo przetnie nawet twarde tkanki (np. zamrożoną soczewkę oka pacjenta z zaćmą). Urządzenie pokazane na ryc. 26 zawiera wbudowany mikrokanał, przez który można usuwać płynne i chirurgiczne szczątki podczas cięcia.

Mikroigły

Zmniejszenie bólu spowodowanego ukłuciem igłą jest ważne dla fobii pacjenta przed zabiegiem oraz dla jego zdrowia. Jest to szczególnie ważne dla pacjentów z cukrzycą, którzy wstrzykują insulinę przynajmniej raz dziennie. Nic dziwnego, że najmniejsze igły są teraz przeznaczone dla diabetyków (ryc. 27 – po lewej). Technologia Micromachining i MEMS została wykorzystana do wytworzenia silikonowych mikroigieł, które są znacznie ostrzejsze niż istniejące igły (rys. 27 - po prawej).

Mikrofiltry

Proces stosowany do wytwarzania konwencjonalnych filtrów zdolnych do selekcji obiektów na poziomie mikro nie ma zastosowania z powodu dużej statycznej zmienności wielkości obiektów, które mogą przejść przez filtr. Technologia Micromachining i MEMS służy do tworzenia filtrów, które są dokładnie i równomiernie przetwarzane, w których statystyczna dyspersja przechodzących obiektów jest znacznie zmniejszona (rys. 28).

mikrozawory

Wyprodukowano kilka różnych typów mikrozaworów, w tym konwencjonalne zawory otwierające i zamykające do kontroli gazów lub cieczy. Liderem w komercjalizacji mikrozaworów jest Redwood Microsystem. Opracowali wiele różnych zaworów, ale każdy ma ich wiele ogólna charakterystyka. Przede wszystkim mechanizm aktywacji zastosowany w każdym zaworze jest taki sam – niewielka ilość cieczy obojętnej jest podgrzewana przez wbudowany opornik aż do zmiany fazy, która wygeneruje dość dużą siłę (rys. 29). Chociaż proces mikroprodukcji, który dokładnie zatrzymuje ciecz wewnątrz mikropowłoki, nie jest trywialny, takie mikrozawory można wprowadzić na rynek. Wydajność mikrozaworów wypada korzystnie w porównaniu z makroskopowymi zaworami elektromagnetycznymi. W szczególności mikrozawory zwykle działają szybciej i mają dłuższą żywotność niż makrozawory. TiNi, HP i NovaSensor również opracowały własne mikrozawory. Ponieważ mikrozawory są zwykle sterowane za pomocą siłowników termicznych, ich zużycie energii jest nadal dość wysokie (0,1-2,0 W). Należy zachować ostrożność, aby zapobiec przekroczeniu przez zawór temperatury dozwolonej przez regulatory gazu i cieczy.

Mikropompy

Do sterowania mikropompami wykorzystywane są następujące rodzaje mikroaktywacji: elektryczna, magnetyczna i piezoelektryczna. Pierwszym przykładem jest zminiaturyzowany mechanizm pompy, który składa się z mikromechanizmów wykonanych w technologii LIGA, które są napędzane siłą magnetyczną. Jest skomercjalizowany przez MEMStek Products. Drugim przykładem jest sterowana elektrostatycznie pompa elektryczna uzyskana przez łączenie ze sobą wielu podłoży krzemowych poddanych obróbce wolumetrycznej. W procesie łączenia powstaje wnęka pompy z odkształcalną membraną i dwoma jednokierunkowymi zaworami zwrotnymi (rys. 30).

Niedawno zaprezentowała się grupa z Uniwersytetu Kalifornijskiego magnetyczny mikrosilnik, który obraca swobodny wirnik w roztworze za pomocą stojana znajdującego się na zewnątrz cieczy i składającego się z trzech magnetycznie miękkich mikrosond z uzwojeniami (rys. 31). Prędkość wirnika uzyskiwano do 250 obr/min, ograniczona szybkością przełączania kanałów przez komputer. Prędkość może być znacznie większa ze względu na małą masę i moment bezwładności wirnika oraz małą indukcyjność zespołu sondy.

Uniwersalna sieć wrażliwa — „Inteligentny pył”

Uruchomiono Agencję Obronnych Zaawansowanych Projektów Badawczych nowy program„Inteligentny pył”, mający na celu stworzenie maleńkich urządzeń, które mogą generować energię, czuć (szeroka gama czujników) i komunikować się ze sobą oraz ze światem zewnętrznym. W połączeniu będą musieli stworzyć uniwersalną, wrażliwą sieć. Na ryc. 32 pokazuje mikroukłady podobne do tych, które będą używane do tworzenia inteligentnego pyłu.

Wiele „inteligentnych” drobinek kurzu może niepostrzeżenie osiąść na obiekcie, wchodzić ze sobą w interakcje i przekazywać informacje o stanie obiektu do centralnego panelu sterowania.

Nanobot z bilonem

I kolejny obiecujący amerykański projekt wykorzystujący technologie mikrosystemowe: grupa badawcza zajmująca się tworzeniem urządzeń elektronicznych i nanorobotów ogłasza powstanie nanorobotów wielkości monety (ryc. 33, 34) (terminologia autorów byłaby bardziej poprawna nazwać to urządzenie mikrorobotem, a nawet minirobotem), które są w stanie wykonać dziesięć tysięcy ruchów na minutę. Projekt nazywa się NanoWalker i jest rozwijany w Laboratorium Biotechnologii w Massachusetts Institute of Technology. Pierwszy i główna cecha tych nanorobotów polega na tym, że są one teraz w stanie poruszać się autonomicznie – czyli „uruchamiać i naprawiać” bez przewodów. Drugą cechą jest szybkość ruchu robotów. Większość istniejących nanorobotów jest daleka od ideału: nie tylko muszą pracować w miejscu, w którym są umieszczone, ale jeśli się poruszają, robią to bardzo wolno - jeden ruch na sekundę (rozmiary). Nowa generacja jest w stanie poruszać się w trzech płaszczyznach i to wystarczająco szybko. Trzecią cechą robotów jest złożoność manipulacji: prymitywne roboty mogą wykonywać ruchy ładowarki - brały ją w jednym miejscu i umieszczały w innym. Roboty z Massachusetts są w stanie wykonywać złożone zadania, które wymagają więcej niż tylko wysiłku mechanicznego.

Podsumowując, można po raz kolejny zauważyć, że systemy mikroelektromechaniczne zapewnią, że technologia osiągnie nowy poziom i, jak się wydaje, w niedalekiej przyszłości mocno zajmie swoje miejsce w naszym życiu.

Bibliografia :

1. Microsystem Engineering (prof. dr inż. Kasper), http://www.tu-harburg.de/mst/deutsch/lehre/mikrosystemtechnik/mst_eng.shtml
2. Wprowadzenie do systemów mikroelektromechanicznych, http://www-ee.uta.edu/Online/cbutler/MEMSWebpage/
3. perst.isssph.kiae.ru
4. Latsapnev E., Yashin K.D., www.micromachine.narod.ru
5. Czasopismo „Technologia mikrosystemów”, www.microsystems.ru
6. Laboratorium Badawcze Mikrotechnologii i MEMS, St. Petersburg State University, 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., „UKŁADY NANO- I MIKROELEKTROMECHANICZNE - Podstawy nano- i mikroinżynierii”, CRC Press

Aleksiej Borzenko

Wiele z istniejących innowacji nie wykorzystuje w pełni swojego potencjału, dopóki na rynku nie pojawią się zasadniczo nowe rozwiązania. Tak więc jedną z kluczowych technologii do 2012 roku firma analityczna Gartner nazywa technologię układów mikroelektromechanicznych - MEMS (Micro-Electro Mechanical Systems). Według najnowszych prognoz In-Stat/MDR rynek MEMS rośnie w tempie 13,2% rocznie. Nawiasem mówiąc, ta gałąź branży IT w Japonii nazywana jest mikromaszynami (Micromachines), a w Europie - technologiami mikrosystemowymi (Micro System Technology). Według analityków firmy Gartner, systemy mikroelektromechaniczne pozwolą na: minimalny koszt zwiększyć czułość i odpowiedź mechaniczną urządzeń na poziomie kryształu.

Można powiedzieć, że MEMS to zespół mikrourządzeń o najróżniejszej konstrukcji i przeznaczeniu, do produkcji których wykorzystywane są zmodyfikowane metody technologiczne mikroelektroniki. Rzeczywiście, systemy mikroelektromechaniczne są uzyskiwane poprzez łączenie elementów mechanicznych, czujników i elektroniki na wspólnej bazie krzemowej za pomocą technologii mikrowytwarzania. Wszystkie elementy można zaimplementować jako jeden produkt, w dziesiątkach lub setkach jednocześnie, jak mikroukłady na płytce krzemowej. Opiera się to na sprawdzonej tradycyjnej technologii produkcji półprzewodnikowych układów scalonych. MEMS są już wykorzystywane w niszowych zastosowaniach, takich jak pasywne filtry górnoprzepustowe w sieciach bezprzewodowych i komunikacja komórkowa, systemy ruchomych luster do projektorów multimedialnych, mikrofony. Liczba tych nisz i ich wielkość rośnie wraz z potrzebami rynku.

W historii rozwoju technologii MEMS, zdaniem czołowych współczesnych ekspertów, przeszły już cztery etapy. W pierwszym krótkim etapie - badawczym (od połowy lat 50. do początku lat 60. ubiegłego wieku) główne wysiłki w kształtowaniu wizerunku przyszłej technologii podjęły zarówno piony naukowe dużych firm (przede wszystkim słynne Bell Laboratories ) oraz same przedsiębiorstwa przemysłowe i akademicki nauka. Specyfika tego okresu polegała na tym, że główną uwagę zwrócono na technologie podwójnego zastosowania, na które było zapotrzebowanie w okresie zimnej wojny, przede wszystkim na tworzenie dokładnych i tanich sensorów różnego typu (projekty obiecujących bojowych samolotów odrzutowych, na przykład wymagał znacznej liczby eksperymentów) nadających się do masowej produkcji. Nic dziwnego, że drugi etap rozwoju technologii kojarzy się wyłącznie z potężnymi firmami przemysłowymi (a dokładniej wojskowo-przemysłowymi): tacy giganci jak Fairchild, Westinghouse, Honeywell spieszyli się z komercjalizacją pierwszych eksperymentalnych rozwiązań. Komercjalizacja zajęła dość dużo czasu i dopiero na początku lat 70-tych nauka akademicka zaczęła otrzymywać od przemysłu ukierunkowane fundusze na rozwiązanie problemów redukcji kosztów i rozszerzenia zakresu urządzeń MEMS. Dziesięć lat później ten etap również został pokonany - i przyszedł czas na produkcję mikroobróbki. Można uznać, że od końca lat dziewięćdziesiątych ubiegłego wieku rozpoczęła się era mikromechaniczna.

Wielu ekspertów, w tym jedna z wiodących firm w tej dziedzinie, Integrated Sensing Systems (http://www.mems-issys.com), wierzy, że technologia MEMS wprowadza dosłownie rewolucyjne zmiany w każdym zastosowaniu, łącząc mikroelektronikę opartą na krzemie z technologią mikromechaniczną , który pozwala na zaimplementowanie systemu na jednym chipie SoC (Systems-on-a-Chip). Tym samym technologia MEMS dała nowy impuls do rozwoju systemów nawigacji inercyjnej i systemów zintegrowanych, otwierając drogę do rozwoju produktów „inteligentnych”, zwiększających możliwości obliczeniowe mikroczujników oraz rozszerzających możliwości projektowe takich systemów.

Dziś urządzenia MEMS są używane prawie wszędzie. Mogą to być miniaturowe części (zawory hydrauliczne i pneumatyczne, dysze do drukarek, sprężyny do zawieszania głowicy dysku twardego), mikronarzędzia (skalpele i pęsety do pracy z przedmiotami o wielkości mikrona), mikromaszyny (silniki, pompy, turbiny wielkości ziarnka grochu). ), mikroroboty, mikroczujniki i urządzenia wykonawcze, mikrolaboratoria analityczne (na jednym chipie) itp.

Podstawowe koncepcje

Mówiąc ogólnie, mikrosystem obejmuje integrację wielu różnych technologii (MEMS, CMOS, optyczna, hydrauliczna itp.) w jednym module. Na przykład technologie wytwarzania urządzeń MEMS do zastosowań mikrofalowych (cewki indukcyjne, waraktory, przełączniki, rezonatory) implikują tradycyjne cykle wytwarzania układów scalonych przystosowane do tworzenia trójwymiarowych struktur mechanicznych (na przykład mikroobróbka objętościowa, mikroobróbka powierzchniowa i tzw. technologia LIGA ).

Mikroobróbka krzemu w masie obejmuje technologię głębokiego trawienia w masie. Dzięki temu procesowi wewnątrz podłoża uzyskuje się strukturę objętościową ze względu na jego właściwości anizotropowe, tj. różne szybkości trawienia kryształów w zależności od kierunku osi krystalograficznych. Strukturę trójwymiarową można również uzyskać metodą wzrostu, gdy kilka podłoży jest łączonych i tworzy pionowe wiązania na poziomie atomowym.

Podczas mikroobróbki powierzchni powstaje trójwymiarowa struktura poprzez kolejne nakładanie głównych cienkich warstw i usuwanie warstw pomocniczych zgodnie z wymaganą topologią. Zaletą tej technologii jest możliwość wielokrotnego usuwania (rozpuszczania) warstw pomocniczych bez uszkadzania połączeń warstw bazowych. A jego główną cechą jest to, że jest kompatybilny z technologią półprzewodnikową, ponieważ konwencjonalna technologia CMOS jest używana do mikroobróbki.

Nazwa technologii LIGA pochodzi od niemieckiego skrótu Roentgen Lithography Galvanik Abformung, co oznacza połączenie litografii rentgenowskiej, galwanizacji i tłoczenia (formowania). Tutaj gruba warstwa fotorezystywna jest wystawiona na promieniowanie rentgenowskie (rozbłysk), po którym następuje galwaniczne osadzanie wysokoprofilowych struktur 3D. Istota procesu polega na wykorzystaniu promieniowania rentgenowskiego z synchrotronu do uzyskania w materiale polimerowym głębokich wzorów topologicznych o gładkich ścianach. Promieniowanie synchrotronowe ma bardzo mały kąt rozbieżności wiązki. Źródłem promieniowania są elektrony o wysokiej energii (o energii powyżej 1 GeV) poruszające się z prędkością relatywistyczną. Głębokość penetracji promieniowania sięga kilku milimetrów. Prowadzi to do wysokiej wydajności ekspozycji przy niskich kosztach czasu. Uważa się, że ta technologia zapewnia najlepszy stosunek powtarzalnej szerokości kanału do jego długości (przy minimalnych wymiarach).

Najważniejszym elementem większości MEMS jest mikrosiłownik (rys. 1). Zwykle to urządzenie zamienia energię w kontrolowany ruch. Rozmiary mikrosiłowników mogą się bardzo różnić. Zakres zastosowań tych urządzeń jest niezwykle szeroki i stale się powiększa. Tak więc mikrosiłowniki znajdują zastosowanie w robotyce, urządzeniach sterujących, przemyśle kosmicznym, biomedycynie, dozymetrii, przyrządach pomiarowych, technice rozrywkowej, przemyśle motoryzacyjnym i gospodarstwie domowym. Na przykład mikrosiłowniki są potrzebne do sterowania czujnikami rezonansowymi (generują i przekazują do nich częstotliwość rezonansową), do sterowania narzędziami skrawającymi w mikrochirurgii. Mogą to być również różne mikrosilniki, które służą do sterowania mikroprzekaźnikami, mikrolusterkami i mikrozaciskami. Mikroaktywator może być nawet urządzeniem mikroelektrodowym do wzbudzania tkanek mięśniowych w protezach neurologicznych.

Ryż. 1. Mikrosiłownik w MEMS.

Wszystkie metody aktywacji (ruch, odkształcenie, uruchamianie) w takich urządzeniach można podsumować następująco: elektrostatyczna, magnetyczna, piezoelektryczna, hydrauliczna i termiczna. Oceniając użycie określonej metody, często stosuje się prawa proporcjonalnego zmniejszenia rozmiaru. Najbardziej obiecujące są metody piezoelektryczne i hydrauliczne, choć inne mają ogromne znaczenie. Aktywacja elektrostatyczna jest stosowana w około jednej trzeciej mikrosiłowników i jest prawdopodobnie najbardziej powszechną i dobrze ugruntowaną metodą; Jego główne wady to zużycie. Mikrosiłowniki magnetyczne wymagają zwykle stosunkowo dużego prądu elektrycznego, również na poziomie mikroskopowym. Podczas korzystania z metod aktywacji elektrostatycznej wynikowy sygnał wyjściowy na względną jednostkę wymiaru jest lepszy niż w przypadku metod magnetycznych. Innymi słowy, przy tej samej wielkości urządzenie elektrostatyczne wytwarza nieco lepszy sygnał wyjściowy. Mikrosiłowniki termiczne zużywają również stosunkowo dużą ilość energii elektrycznej; ich główną wadą jest to, że generowane ciepło musi zostać rozproszone.

Do oceny mikrosiłowników stosuje się kryteria jakości, takie jak liniowość, dokładność, błąd, powtarzalność, rozdzielczość, histereza, wartość progowa, luz, szum, przesunięcie, nośność, amplituda, czułość, prędkość, odpowiedź przejściowa, skalowalność, efektywność energetyczna.

Czujniki i mikrosiłowniki

W rzeczywistości pojawiła się pierwsza komercyjna aplikacja MEMS zajęło ponad 30 lat. Jedną z pierwszych szeroko rozpowszechnionych technologii MEMS były czujniki przyspieszenia (akcelerometry), które są obecnie instalowane w prawie wszystkich nowoczesnych samochodach w celu wykrywania kolizji i uwalniania ochronnych poduszek powietrznych (SRS). Znana firma Analog Devices Corporation (http://www.analog.com), która wyprodukowała pierwsze takie czujniki w 1993 roku, obecnie sprzedaje producentom samochodów dziesiątki milionów tak zwanych akcelerometrów iMEMS rocznie.

Jeden z typowych nowoczesnych akcelerometrów MEMS składa się z kołków blokujących, które naprzemiennie poruszają się i blokują. Zmiana przyspieszenia znajduje odzwierciedlenie w pojemności konstrukcji, która jest łatwa do zmierzenia. Elementy mogą być umieszczane jako grzbiety w przypadku akcelerometrów liniowych lub jako piasta koła w przypadku akcelerometru obrotowego. Obrotowe akcelerometry mogą służyć do zwiększenia możliwości systemów przeciwblokujących (ABS) pojazdu, ponieważ mogą wykrywać rzeczywisty ruch pojazdu, a nie tylko blokadę kół.

Akcelerometry z poduszką powietrzną są uważane za jedne z najlepsze przykłady Czujniki MEMS, które zapewniają producentom samochodów korzyści zarówno pod względem kosztów, jak i wydajności. Nadchodzi czas, kiedy to samo można powiedzieć o monitorach ciśnienia w oponach, które w odpowiedzi na przepisy dotyczące bezpieczeństwa są obecnie integrowane z modelami masowo produkowanymi. Jest jednak inny obszar, w którym MEMS może przyczynić się do wprowadzenia elektroniki do samochodu - to ochrona przed bocznymi uderzeniami w wypadku. Eksperci uważają, że przyjęcie przez rząd USA surowszych standardów ochrony przed uderzeniami bocznymi w wypadku może mieć duży wkład w sprzedaż MEMS. Eksperci z Agencji Bezpieczeństwa Ruchu NHTSA uważają, że takie działania pozwolą uratować nawet tysiąc istnień ludzkich rocznie.

W magazynie dla dyski twarde akcelerometry obrotowe mogą być używane do wykrywania ruchów obrotowych, które wpływają na pozycję głowy i mogą prowadzić do utraty ścieżki. Kompensację ruchów obrotowych stosuje się zwykle w drogich modelach dysków, ponieważ przy nieco większej ilości czasu poświęconego na czytanie i pisanie, znacznie mniej czasu zajmuje przywrócenie pozycji głowy po uderzeniu.

Sandia National Laboratories opracowało konstrukcję czujnika, która może wykrywać ruch o wielkości zaledwie 1 nm (Rysunek 2). Główną częścią urządzenia jest siatka składająca się z dwóch nakładających się grzebieni (wymiar poprzeczny 50 µm): jeden jest nieruchomy, drugi przymocowany do sprężyny. Odstęp między zębami grzebienia wynosi od 600 do 900 nm, co jest porównywalne z długością fali światła widzialnego. Ruchomy grzebień nawet przy lekkim ruchu urządzenia oscyluje, rozszerzając lub zwężając siatkę utworzoną przez przecinające się zęby. Zmiana szczelin w siatce wpływa na jej właściwości optyczne, a wiązka lasera odbita od zachodzących na siebie zębów będzie zauważalnie jasna lub słaba. Uważa się, że możliwe jest wykorzystanie takiego detektora jako podstawy urządzenia nawigacyjnego, które może działać niezależnie od sieci satelitarnej globalnego systemu pozycjonowania.

Ryż. 2. Czujnik MEMS.

Tradycyjnie systemy pozycjonowania oparte na ruchu cierpią z powodu nagromadzenia małych błędów. Z biegiem czasu błędy te mogą prowadzić do odczytów, które odbiegają o mile od rzeczywistej pozycji. Blokowanie pozycyjne, które jest charakterystyczne dla instrumentu Sandia, zapewnia znacznie wolniejszą degradację charakterystyk. Dodatkowo urządzenie może pracować pod wodą oraz w tunelu gdzie nie przechodzi sygnał GPS. Obecnie trwają prace nad stworzeniem przenośnej wersji urządzenia, tak aby można je było przekazać innym badaczom do eksperymentów. Urządzenie oparte na tej konstrukcji może wejść na rynek za trzy do pięciu lat.

Najmniejszy czujnik W zeszłym roku amerykański Narodowy Instytut Standardów i Technologii ogłosił stworzenie miniaturowego czujnika magnetycznego, który może wykrywać zmiany w polu magnetycznym rzędu 50 pT (czyli miliony razy słabsze niż pole magnetyczne Ziemi). Urządzenie wielkości ziarna ryżu jest około 100 razy mniejsze od nowoczesnych sensorów o podobnej czułości. Nowy czujnik magnetyczny można wyprodukować i zmontować przy użyciu istniejącej mikroelektroniki i technologii MEMS. Nowy magnetometr jest w stanie wykryć ukrytą broń z odległości 12 m lub stalową rurę o średnicy 150 mm pod ziemią na głębokości 35 m. Czujnik działa na zasadzie wykrywania subtelnych zmian poziomu energii elektronów w polu magnetycznym. Miniaturowy element rubidowy jest podgrzewany w szczelnie zamkniętej, przezroczystej komorze, aż utworzy się para rubidu. Wiązka lasera półprzewodnikowego przechodzi przez parę atomową. W obecności pola magnetycznego część promieniowania laserowego jest pochłaniana przez atomy, co jest wykrywane przez fotokomórkę. Duże pola magnetyczne powodują proporcjonalnie duże zmiany w poziomach energii atomowej i zmieniają absorpcję atomu.

Mikrosiłowniki, które działają w oparciu o efekt odwrotny (przyłożone napięcie powoduje niewielkie ruchy struktur krzemowych), są obecnie wykorzystywane m.in. do precyzyjnego dostrajania głowic magnetycznych. Te ostatnie są zwykle odpowiedzialne za wykrywanie sygnałów w urządzeniach magazynujących na dyski magnetyczne. To znacznie zwiększa gęstość informacji „ścieżka na cal”, czyli tpi (ścieżka na cal), a co za tym idzie pojemność samego dysku.

Istnieje również wiele udanych produktów MEMS, takich jak głowice do mikrodrukarek atramentowych, żyroskopy i czujniki ciśnienia, które są dostarczane przez setki milionów do przemysłu medycznego i motoryzacyjnego. Nazwijmy również projektory cyfrowe wysokiej rozdzielczości zbudowane na bazie macierzy mikroluster MEMS. W ostatnich latach osiągnięto znaczący sukces w produkcji silników, pomp i zacisków, czujników ciśnienia i przemieszczenia - różnorodnych zespołów mechanicznych o różnym przeznaczeniu, tak małych, że nie są widoczne gołym okiem. Ale najpierw najważniejsze.

Nanoczujniki w kosmosie We wspólnym projekcie NASA i Aerospace Corporation planowane jest stworzenie „czarnej skrzynki”, w której zastosowane zostaną kilkugramowe nanoczujniki. Podobne urządzenia posłuży do zbierania danych o wejściu obiektów kosmicznych do atmosfery ziemskiej z kosmosu. Po przejściu przez niebezpieczny, szybki odcinek i wejściu w gęste warstwy atmosfery, czarna skrzynka „zadzwoni do domu” i przekaże dane za pomocą satelity przed lądowaniem na lądzie lub powierzchni wody. Dla porównania, sztywna czarna skrzynka samolotu przemysłowego (REBR) waży około 2,2 funta. NASA ma przeprowadzić testy REBR jesienią 2006 roku na pokładzie bezzwrotnej rakiety Delta II. Jeśli testy zakończą się sukcesem, planowane jest wykorzystanie nanotechnologii w wyprawach na Księżyc i Marsa. Nanoczujniki można by upakować w małe kulki, które można by wykorzystać w statku kosmicznym Crew Exploration Vehicle (CEV) opracowywanym w celu zastąpienia wahadłowca. Jak zapowiedział prezydent Bush, demonstracyjny lot CEV odbędzie się w 2008 roku, a załogowy w 2014 roku. Nanotechnologia może służyć do wykonywania funkcji kontrolnych na pokładzie. Sondy mogą być używane jako urządzenia rozpoznawcze, które wybierają miejsca lądowania dla statku kosmicznego lub do orientacji statku kosmicznego na nieznanym terytorium. Sygnały radiowe z nanosond poinformują załogę, gdzie się znajdują. Nanotechnologia może również odgrywać rolę w lotach z „przechwytywaniem w powietrzu” lub ponownym wejściu w nieznane atmosfery. W technice aerocapture atmosfera planetarna służy do zmiany prędkości statku. Statek kosmiczny wykonuje głęboki „skok” w atmosferę, aby ustanowić orbitę bez użycia paliwa. Ta metoda zmniejszyłaby o połowę typową masę międzyplanetarnego statku kosmicznego, umożliwiając wykorzystanie mniejszych, tańszych pojazdów. Sonda rozpoznawcza może poruszać się przed statkiem kosmicznym i dostarczać dane o ciśnieniu atmosferycznym i gęstości, określając korytarz lotu ze stabilną pozycją statku i zmniejszając ryzyko misji przechwytywania powietrza.

DMD dla DLP

Technologia cyfrowego przetwarzania światła leżąca u podstaw każdego projektora DLP (Digital Light Processing) opiera się na osiągnięciach firmy Texas Instruments Corporation (http://www.ti.com), która stworzyła nowy typ przetwornika obrazu opartego na MEMS. W 1987 r. urządzenie DMD (Digital Micromirror Device) wynalezione przez Larry'ego J. Hornbecka zakończyło dziesięciolecia badań firmy Texas Instruments nad mikromechanicznymi odkształcalnymi urządzeniami zwierciadlanymi. Istotą odkrycia było odrzucenie elastycznych zwierciadeł na rzecz matrycy zwierciadeł sztywnych o tylko dwóch stabilnych pozycjach. Kryształ DMD to bardzo precyzyjna matryca, która działa transformacja cyfrowaświatło (rys. 3).

Ryż. 3. Nowoczesny rozwój macierze DMD.

Układ DMD jest zasadniczo układem półprzewodnikowym z ładunkiem elektrostatycznym pamięć o dostępie swobodnym(SRAM), którego każda komórka (a dokładniej jej zawartość) określa położenie jednego z wielu (od kilkuset tysięcy do miliona lub więcej) mikroluster o wymiarach 16x16 mikronów umieszczonych na powierzchni podłoża. Podobnie jak komórka pamięci kontrolnej, mikrolusterko ma dwa stany, które różnią się kierunkiem obrotu płaszczyzny lustra wokół osi przechodzącej po przekątnej lustra.

Szereg mikroskopijnych luster tworzy wiązkę, przy czym każde takie lustro odpowiada jednemu pikselowi światła w wyświetlanym obrazie. W połączeniu z sygnałem cyfrowym, źródłem światła i obiektywem projekcyjnym te lustra zapewniają najwięcej wysoka jakość odtwarzanie wideo i grafiki.

Pamięć elektromechaniczna

Dziś trudno sobie przypomnieć, ile było różnych pomysłów na to, czego użyć do urządzeń pamięci masowej. A firma Cavendish Kinetics (http://www.cavendish-kinetics.com) zaproponowała inne podejście do tworzenia nieulotnych urządzeń pamięci masowej. Jej podejście opiera się na mikroelektronicznych układach mechanicznych z możliwością integracji z procesami CMOS. Pamięć Cavendish Kinetics jest dostępna w dwóch wersjach, jednokrotnego zapisu i wielokrotnego zapisu.

Firma uważa, że ​​jej technologia, nazwana Nanomech, ma najniższe zużycie energii wśród typów pamięci wbudowanych i jest porównywalna pod względem szybkości z pamięcią flash. Nazwa Nanomech ilustruje jego zasadę działania (rys. 4). Komórka pamięci to przewodząca (metalowa) płytka - wspornik (siłownik mikroelektromechaniczny) zamocowany nad stykiem. Jeśli między elektrodą kontaktową a płytką powstanie różnica potencjałów, płytka ugnie się i dotknie styku, w wyniku czego opór elektryczny spada prawie do zera. Co ciekawe, efekt ten ma histerezę, gdyż po dotknięciu płytki stykowej następuje „sklejanie” – do zerwania styku potrzebna jest dodatkowa energia. W ten sposób możliwe jest stworzenie pamięci typu ROM, w której coś można zapisać tylko raz. Do przepisywania nad płytką wystarczy włożyć dodatkową elektrodę, przykładając potencjał do którego można rozewrzeć styk.

Obecne prototypy zostały zbudowane przy użyciu technologii CMOS z kodem projektowym 0,35 mikrona, ale firma twierdzi, że takie komórki pamięci można zbudować przy zachowaniu kodu projektowego 45 nm. Zaletą nowego typu pamięci jest brak prądu w trybie czuwania, a do rejestracji wymagane jest zużycie energii mechanicznej tylko 25 pJ. Urządzenie działa nawet w temperaturze 200 stopni, a liczba cykli zapisu-przepisywania może sięgać 20 milionów.

Na targach CeBIT”2005 IBM zademonstrował dysk, który zapewnia gęstość danych ponad 19,2 GB na 1 cm2. Eksperci twierdzą, że ten prototypowy mikroelektromechaniczny system MEMS jest w stanie zapisywać informacje w przybliżeniu odpowiadające pojemności 25 płyt DVD na obszarze o wielkości znaczek pocztowy Pracownicy IBM czule nazwali swoje urządzenie Millipede („stonoga”), ponieważ ma ono tysiące bardzo małych krzemowych kolców, które mogą „zszyć” wzór pojedynczych kawałków w cienką folię polimerową (ryc. 5).

Ryż. 5. Stonoga z pamięcią MEMS.

Ogólnie rzecz biorąc, technologię stonogi zaproponował kilka lat temu noblista Gerd Binnig, twórca skaningowego mikroskopu tunelowego i pracownik IBM Research Institute. Zwrócił uwagę na zdolność mikroskopu do tworzenia nanometrycznych jamek w polimerach, których obecność w określonych punktach substancji może być interpretowana jako wartość jednobitowa. Binnig, próbując dostosować swoje odkrycie do potrzeb przemysłu, nauczył się, jak jednocześnie skanować wiele z tych dołów. Tym samym zasada działania Millipede przypomina wszystkim dobrze znane karty dziurkowane. Kluczowym elementem nowej technologii jest szereg silikonowych wsporników w kształcie litery V (wsporników), na końcu każdego z nich znajduje się miniaturowa mikronowa igła. Dane są zapisywane na nośniku, który jest bardzo cienką warstwą materiału polimerowego na podłożu krzemowym. Końcówka każdego wspornika V z umieszczoną na nim igłą stanowi jednocześnie strefę zwiększonego oporu. Przepuszczając przez nią impuls prądu elektrycznego, igła nagrzewa się do temperatury przekraczającej temperaturę topnienia polimeru i „topi” lejek o średnicy około 10 nm w nośniku. Gdy prąd zostanie przerwany, igła stygnie, a polimer twardnieje. Aby odczytać dane, mierzy się rezystancję „części roboczej” wspornika. W tym przypadku igła jest również podgrzewana, ale tylko do niższej temperatury, w której polimer zastosowany w nośniku nie jest jeszcze zmiękczony. Skanowana jest powierzchnia nośnika, a gdy igła wchodzi do lejka, intensywność odprowadzania z niego ciepła gwałtownie wzrasta, temperatura spada, w wyniku czego opór zmienia się gwałtownie, dzięki czemu część informacji zostaje utrwalona.

Możliwość wielokrotnej rejestracji jest zapewniona przez szczególne właściwości lepkosprężystych układów polimerowych. Faktem jest, że w obszarze bitu lejka polimer znajduje się w tak zwanym stanie metastabilnym, z którego można go usunąć przez jakiś wpływ zewnętrzny, na przykład stosując to samo ogrzewanie do określonej temperatury. Odbywa się to poprzez przepuszczenie rozgrzanej igły nad lejkiem, po czym ta ostatnia znika, czyli dane są kasowane. Według ekspertów IBM do tej pory udało im się osiągnąć trwałość nośników przekraczającą 100 000 cykli ponownego zapisu.

Macierz kolców Millipede jest kontrolowana przez zwielokrotnione czasowo obwody elektroniczne, podobne do układów DRAM. Ruch nośnika wzdłuż matrycy i jego precyzyjne pozycjonowanie zapewnia napęd elektromagnetyczny. IBM twierdzi, że Millipede nadaje się do urządzenia mobilne A: aparaty cyfrowe, telefony komórkowe i karty USB. Jednak na razie rozmawiamy tylko o próbkę laboratoryjną, a przed wejściem na rynek Millipede dojrzeje za dwa lata, a nie wcześniej.

Jak zauważa NanoMarkets, firma analityczna w swoim raporcie na temat rynku pamięci, segment pamięć nieulotna do 2011 r. będzie szacowany na 65,7 miliardów dolarów.W tym samym czasie firma włączyła MRAM, FRAM, pamięć holograficzną, a także opracowania MEMS wykonane przy użyciu nowych technologii w koncepcji „pamięci nieulotnej”. Eksperci szacują, że udziały rynkowe typów pamięci nieulotnych, określanych w ankiecie jako Nanostorage (urządzenia pamięci masowej wykonane przy użyciu mikrotechnologii), mogą sięgać 40% zarówno w sektorze pamięci konwencjonalnej, jak i w sektorze urządzeń dyskowych.

„Elektromechanika” w telekomunikacji

Wielu ekspertów uważa obecnie rynek telekomunikacyjny za jeden z najbardziej obiecujących obszarów wprowadzenia MEMS. Już pod koniec 2000 roku prywatna firma MEMX (http://www.memx.com), która zajmuje się zagadnieniami aplikacja komercyjna stworzony w laboratorium technologii MEMS. Firma skoncentrowała swoją działalność na przełącznikach optycznych do światłowodowych systemów telekomunikacyjnych. Są one oparte na zastrzeżonej technologii Sandia o nazwie SUMMiT V (od Sandia Ultraplanar Multilevel MEMS Technology). Jest to mikro-obrabiany proces napylania i trawienia powierzchni chipów, obejmujący pięć niezależnych warstw krzemu polikrystalicznego - cztery warstwy „mechaniczne” do budowy mechanizmów i jedną warstwę elektryczną do łączenia całego systemu. Technologia pozwala na doprowadzenie wymiarów elementów mechanicznych do 1 mikrona.

Jeśli chodzi o jednego z gigantów elektronicznych – firmę Intel Corporation (http://www.intel.com), decyzja o rozwoju technologii MEMS została przez nią podjęta już w 1999 roku. Na wiosennym forum Intel Forum for Developers w 2002 roku nie tylko oficjalnie deklarował zainteresowanie urządzeniami mikroelektromechanicznymi, ale jednocześnie głosił strategiczne znaczenie tego kierunku. Biorąc pod uwagę potencjał korporacji zarówno w zakresie rozwoju, jak i produkcji, znaczenie tego stwierdzenia dla rynku MEMS jest nie do przecenienia. Mniej więcej w tym samym czasie w fabryce Intel Fab 8 wprowadzono technologię mikroelektromechaniczną, która umożliwiła formowanie niewielkich urządzeń mechanicznych wewnątrz lub na powierzchni kryształów półprzewodnikowych - czujników, zaworów, kół zębatych, lusterek, siłowników. Dla Intela MEMS jest bardziej mikroelektronicznym układem mechanicznym - mikroskopijnymi elementami mechanicznymi do urządzeń, które charakteryzują się niskim zużyciem energii i ultrakompaktową konstrukcją oraz pełnią funkcje obliczeniowe i komunikacyjne. Korporacja bada możliwości zastosowania tych technologii w antenach, ekranach, strojonych filtrach, kondensatorach, cewkach indukcyjnych i mikroprzełącznikach.

Wiosną 2004 roku Intel zaczął oferować swoim partnerom moduły front-end RF oparte na technologii MEMS do integracji z telefonami komórkowymi. W taki moduł zintegrowanych jest około 40 elementów pasywnych, co pozwala zaoszczędzić do dwóch trzecich miejsca w komórka. Ilość i skład modułów zależy od potrzeb klientów, którzy są zapraszani do stosowania takich modułów MEMS do miniaturyzacji filtrów pasywnych, obwodów rezystancyjnych i pojemnościowych. W przyszłości planowane jest zintegrowanie przełączników wolnoobrotowych z podobnymi modułami, a w przyszłości być może przełączników nadawania/odbioru wysokiej częstotliwości oraz filtrów SAW (Surface Acoustic Wave). Chociaż istniejące dyskretne filtry SAW są raczej nieporęczne w porównaniu z układami scalonymi, ich wskaźnik jakości filtrowania jest o około dwa rzędy wielkości wyższy. Ponadto, jeśli wielkość filtrów SAW mierzy się w centymetrach, to rezonatory MEMS na 1 cm2 powierzchni mogą pomieścić kilkadziesiąt tysięcy sztuk. Obecna generacja modułów MEMS jest produkowana w fabryce Intel Fab 8 w Izraelu na 200-milimetrowych waflach o standardach projektowych 0,25 i 0,35 µm.

Niedawna konferencja układów scalonych ISSCC 2005 podkreśliła wielką szansę rynkową dla filtrów preselektora RF. Naukowcy z University of Michigan zauważyli, że takie filtry znajdą zastosowanie w telefonach do wyboru pożądanego kanału RF i przyszłych generacji urządzeń RF, gdzie MEMS zapewnia rozwiązanie o współczynniku jakości Q powyżej 10 000, co jest znacznie lepsze niż w przypadku konwencjonalnych filtrów ceramicznych. Z kolei ich koledzy z Texas Instruments poinformowali, że filtry górnoprzepustowe MEMS mogą być stosowane we wzmacniaczach o niskim poziomie szumów. Problemem pozostaje to, że urządzenia MEMS są drogie a ich wprowadzenie na rynek przemysłowy jest nadal dość trudne. Przedstawiciel firmy XCom Wireless, która produkuje podsystemy oparte na przekaźnikach i waraktorach MEMS, rozważa ich zastosowanie w programowalnych urządzeniach radiowych, a także w stacjach radarowych z fazowanymi układami anten na satelitach , obiecujące.

Perspektywy wyświetlaczy MEMS

Jak podaje DigiTimes, tajwański producent małych paneli Prime View International (PVI) nawiązał długoterminowe strategiczne relacje z amerykańską firmą Qualcomm MEMS Technologies (QMT, http://www.qualcomm.com). Głównym obszarem współpracy jest rozwój komercyjnych rozwiązań opartych o wyświetlacze iMod, które QMT planuje wydać.

Ogólnie rzecz biorąc, technologia iMod Display opiera się na mikroelektronicznych mechanicznych systemach MEMS i jest obecnie preferowana dla urządzeń mobilnych. Ekran wyświetla informacje dobrze nawet przy bezpośrednim naświetleniu jasnego światła słonecznego. Jak deklarują przedstawiciele firmy Qualcomm, wiele problemów dotyczących zużycia energii zostało rozwiązanych dzisiaj. Na kolejne dwa lata, zgodnie z podpisaną umową, PVI jest deklarowane jako główny producent takich wyświetlaczy. Kierownictwo firmy z optymizmem podchodzi do rozwoju promowanej technologii. Rzeczywiście, oprócz poprawy powyższego specyfikacje rozwiązywane są również niektóre problemy procesu produkcyjnego. Technologia jest taka, że ​​nie ma potrzeby dodawania podświetlenia i filtrów kolorów do panelu. Co ciekawe, ekrany te będą jeszcze cieńsze niż panele TFT LCD.

Warto zauważyć, że QMT nabyło obecny know-how z Iridigm we wrześniu 2004 roku. Ogólnie rzecz biorąc, ideą tej technologii jest formowanie kolorowych obrazów metodą interferencji fal świetlnych - w taki sam sposób, jak to się dzieje , na przykład w skrzydłach motyla lub pawich piórach. Z tego, co zostało powiedziane powyżej, natychmiast wynika pierwsza zaleta rozwoju Iridigmu, polegająca na tym, że początkowo nie wiązał się on z użyciem barwników. Dlatego oparte na nim wyświetlacze z biegiem czasu nie powinny tracić jasności i nasycenia kolorów. Kluczowym elementem technologii, która wówczas nazywała się iMoD Matrix, jest modulator zakłóceń iMoD (Interference Modulator). Jest to przykład mikroelektromechanicznego systemu MEMS i składa się z półprzezroczystej folii na podłożu szklanym, zdolnej do częściowego odbijania i częściowego przepuszczania światła, oraz elastycznej metalowej membrany. Ten ostatni może znajdować się w dwóch stanach: w pierwszym przypadku między nim a filmem jest szczelina powietrzna, w drugim - nie. Przejście z jednego stanu do drugiego następuje w wyniku oddziaływania elektrostatycznego w wyniku przyłożenia napięcia zewnętrznego o różnej polaryzacji, a po jego usunięciu membrana zachowuje nową konfigurację.

Gdy folia i membrana są oddzielone szczeliną powietrzną, fale świetlne odbite od folii kolidują z falami przepuszczanymi przez nią, a następnie odbitymi od membrany, co skutkuje uwolnieniem promieniowania o określonej barwie. Jeśli nie ma luki, nie występują żadne zakłócenia. Zmieniając wielkość szczeliny można uzyskać trzy podstawowe kolory: o największej grubości szczeliny powietrznej - czerwony, o średniej - zielony i o najmniejszej - niebieski. Wymiary jednego modulatora interferencji to zaledwie kilkadziesiąt mikronów. Jeden piksel na wyświetlaczu opartym na iMoD Matrix składa się z trzech subpikseli - czerwonego, zielonego i niebieskiego, z których każdy składa się z kilku rzędów modulatorów. W tym przypadku obwody sterujące znajdują się na krawędziach wyświetlacza.

Wśród zalet proponowanego rozwiązania, oprócz dobra jakość obrazów, eksperci zwracają również uwagę na bardzo niski poziom zużycia energii, co w przypadku komercyjnego wdrożenia technologii może sprawić, że najlepszy wybór dla różnych urządzeń mobilnych. Chociaż wielkość produkcji wciąż jest przedmiotem dyskusji, PVI wysłało już prototypy przyszłych urządzeń do firm partnerskich z branży telefonów komórkowych, smartfonów i laptopów. Im szybciej technologia zostanie przyjęta dla małych i średnich ekranów, tym szybciej może pojawić się w większych urządzeniach, takich jak panele TV.

Zasilacze MEMS do urządzeń przenośnych

Jednym z nowych i obiecujących obszarów jest wykorzystanie MEMS do tworzenia ogniw paliwowych i generatorów prądu, które są przeznaczone do przenośnych urządzeń elektronicznych przyszłych generacji (odtwarzacze CD, aparaty cyfrowe, PDA). Dość powiedzieć, że na konferencji IEEE w lutym ubiegłego roku zaprezentowano ponad 200 raportów na ten temat.

Toshiba Corporation (http://www.toshiba.co.jp) wprowadza na rynek oparte na MEMS ogniwo paliwowe oparte na bezpośrednim metanolu, o pojemności 140 cm3, o mocy wyjściowej 1 W, przystosowanej do 20 godzin pracy. Mikropompa została zaprojektowana do pompowania gazów i cieczy oraz do utrzymywania poboru mocy i wielkości w dopuszczalnych granicach. Konstrukcja wykorzystuje zespół elektrolityczny membrany polimerowej z katodą i anodą do pełnienia funkcji ogniwa paliwowego. Każda elektroda ma warstwę katalityczną i dyfuzyjną gazową. Wymiary urządzenia z grubsza odpowiadają wymiarom konwencjonalnego telefonu komórkowego.

Wspólny rozwój potężnego agregatu prądotwórczego przez twórców Instytutów Technologicznych Massachusetts i Georgia wzbudził duże zainteresowanie. Technologia ta oparta jest na mikromechanicznej strukturze MEMS wykorzystującej magnes trwały. Generatory to maszyny trójfazowe, osiowe, synchroniczne. Ponadto każdy z nich składa się z wielobiegunowego stojana uzwojonego powierzchniowo oraz wirnika opartego na magnesie trwałym. Cewki mikromechaniczne z wąskimi odstępami między przewodnikami i geometriami o zmiennej szerokości są kluczowymi elementami zapewniającymi wysoką gęstość mocy. Przy prędkości obrotowej 120 tys. obr./min generator wykazał przemianę energii mechanicznej w energię elektryczną na poziomie 2,6 wata. W połączeniu z transformatorem i prostownikiem generator dostarcza 1,1 wata prądu stałego do obciążenia rezystancyjnego. W przypadku maszyny czynnej o gabarytach 9,5 mm (średnica zewnętrzna), 5,5 mm (średnica wewnętrzna), 2,3 mm (grubość) odpowiada to mocy 10 MW/m3. Twórcy uważają, że tego rodzaju generatory MEMS mogą zapewnić moc od 10 do 100 watów. Uważają również, że wytwarzanie energii elektrycznej na tym poziomie stwarza warunki do stworzenia skalowalnych urządzeń wykorzystujących magnesy trwałe do praktycznych zastosowań. Takie generatory elektryczne mogą być zasilane z różnych źródeł pierwotnych, w tym przepływu płynu, sprężonego gazu lub małych silników spalinowych, takich jak turbiny gazowe o rozmiarach mikronowych.

Deweloperzy z Massachusetts Institute of Technology wraz z Lincoln Laboratory stworzyli elektroquasistatyczny generator prądu z turbiną indukcyjną. Przy wzbudzeniu samorezonansowym osiągnięto moc wyjściową 192 MW. Generator składa się z pięciu warstw krzemu stapianych w temperaturze 700 stopni. Stojan jest konstrukcją elektrody z tlenku platyny uformowanej na głębokiej wyspie tlenkowej, a wirnik to cienka warstwa słabo domieszkowanego polikrzemu, również umieszczona na wyspie tlenkowej. Wytwarzanie energii jest ograniczone pojemnościami wewnętrznymi i zewnętrznymi, dlatego do osiągnięcia wyższych poziomów mocy potrzebna jest symulacja.

Nowe podejście, zaproponowane przez pracowników Kalifornijskiego Instytutu Technologicznego, polega na wykorzystaniu macierzy MEMS ciekłych obrotowych generatorów prądu elektretowego. Są to kondensatory z powłoką teflonową, w których występują ładunki elektrostatyczne, w których szczeliny wypełnione są kroplami powietrza i cieczy, które są poruszane przez drgania. Gdy ciecz przemieszcza się między szczelinami, na kondensatorze wytwarzane jest napięcie netto, podczas gdy ładunek zwierciadlany jest redystrybuowany na elektrodzie zgodnie z położeniem kropel.

MEMS są również obiecujące w produkcji narzędzi, które pomogą w tworzeniu miniaturowych ogniw paliwowych i katalitycznych mikroreaktorów chemicznych. Jednym z narzędzi jest pasywny mikroregulator do sterowania przepływem gazu w miniaturowych ogniwach paliwowych. Pierwsze takie opracowanie zostało przeprowadzone wspólnie przez Canon Corporation i Uniwersytet Tokijski.

Komponenty MEMS (rosyjski MEMS) - stoisko dla systemów mikroelektromechanicznych. Główną cechą wyróżniającą w nich jest to, że zawierają ruchomą strukturę 3D. Porusza się pod wpływem czynników zewnętrznych. W konsekwencji w komponentach MEMS poruszają się nie tylko elektrony, ale także części składowe.

Komponenty MEMS to jeden z elementów mikroelektroniki i mikromechaniki, często wykonywany na podłożu krzemowym. W swojej strukturze przypominają jednoukładowe układy scalone. Zazwyczaj te mechaniczne części MEMS mają rozmiary od jednostek do setek mikrometrów, a sam kryształ ma od 20 mikronów do 1 mm.

Rysunek 1 - jeden przykład struktury MEMS

Przykłady użycia:

1. Produkcja różnych mikroukładów.

2. Oscylatory MEMS w niektórych przypadkach zastępują .

3. Produkcja czujników, w tym:

akcelerometr;

żyroskop

czujnik prędkości kątowej;

czujnik magnetometryczny;

barometry;

analizatory środowiska;

przetworniki pomiarowe sygnału radiowego.

Materiały stosowane w konstrukcjach MEMS

Główne materiały, z których wykonane są komponenty MEMS to:

1. Krzem. Obecnie zdecydowana większość elementów elektronicznych jest wykonana z tego materiału. Ma szereg zalet, m.in.: powszechność, wytrzymałość, praktycznie nie zmienia właściwości podczas odkształcania (nie pojawia się histereza). Główną metodą wytwarzania krzemowych MEMS jest fotolitografia, a następnie trawienie.

2. Polimery. Ponieważ krzem, chociaż powszechny materiał, jest stosunkowo drogi, w niektórych przypadkach można go zastąpić polimerami. Są produkowane przez przemysł w dużych ilościach i mają różne cechy. Główne metody wytwarzania polimerowych MEMS to formowanie wtryskowe, tłoczenie i stereolitografia.

Wielkość produkcji na przykładzie dużego producenta

Jako przykład zapotrzebowania na te komponenty weźmy ST Microelectronics. Dokonuje dużych inwestycji w technologie MEMS, w swoich fabrykach i zakładach produkuje nawet 3 000 000 elementów dziennie.

Rysunek 2 - Zdolność produkcyjna firmy opracowującej komponenty MEMS

Cykl produkcyjny podzielony jest na 5 głównych etapów:

1. Produkcja chipów.

2. Testowanie.

3. Pakowanie w etui.

4. Testy końcowe.

5. Dostawa do dealerów.

Rysunek 3 - cykl produkcyjny

Przykłady czujników MEMS różnych typów

Rozważ kilka popularnych czujników MEMS.

Akcelerometr to urządzenie mierzące przyspieszenie liniowe. Służy do określania położenia lub ruchu obiektu. Stosowany w technologii mobilnej, samochodach i nie tylko.

Rysunek 4 - trzy osie rozpoznane przez akcelerometr

Rysunek 5 - wewnętrzna struktura akcelerometru MEMS

Rysunek 6 - objaśnienia budowy akcelerometru

Charakterystyka akcelerometru na przykładzie komponentu LIS3DH:

1. Akcelerometr 3-osiowy.

2. Współpracuje z interfejsami SPI i I2C.

3. Pomiar w 4 skalach: ±2, 4, 8 i 16g.

4. Wysoka rozdzielczość (do 12 bitów).

5. Niskie zużycie: 2uA w trybie niskiego poboru mocy (1Hz), 11uA w trybie normalnym (50Hz) i 5uA w trybie wyłączenia.

6. Elastyczność pracy:

8 ODR: 1/10/25/50/100/400/1600/5000 Hz;

Przepustowość do 2,5 kHz;

32-poziomowy FIFO (16-bitowy);

3 wejścia ADC;

Czujnik temperatury;

Zasilanie od 1,71 do 3,6 V;

Funkcja autotestu;

Obudowa 3 x 3 x 1 mm. 2.

Żyroskop to urządzenie mierzące przemieszczenie kątowe. Dzięki niemu możesz zmierzyć kąt obrotu wokół osi. Takie urządzenia mogą być wykorzystywane jako system nawigacji i kontroli lotu dla samolotów: samolotów i różnych UAV lub do określania pozycji urządzeń mobilnych.

Rysunek 7 - dane mierzone żyroskopem

Rysunek 8 - struktura wewnętrzna

Rozważmy na przykład charakterystykę żyroskopu L3G3250A MEMS:

3-osiowy żyroskop analogowy;

Odporność na szum i wibracje analogowe;

2 skale pomiarowe: ±625°/s i ±2500°/s;

Tryby wyłączania i uśpienia;

Funkcja autotestu;

kalibracja fabryczna;

Wysoka czułość: 2 mV/°/s przy 625°/s

Wbudowany filtr dolnoprzepustowy

Stabilność w wysokiej temperaturze (0,08°/s/°C)

Wysoki stan wstrząsu: 10000g przez 0.1ms

Zakres temperatur -40 do 85°C

Napięcie zasilania: 2,4 - 3,6 V

Zużycie: 6,3 mA w trybie normalnym, 2 mA w trybie uśpienia i 5 µA w trybach wyłączania

Obudowa 3,5 x 3 x 1 LGA

wnioski

Oprócz przykładów omówionych w raporcie, na rynku czujników MEMS istnieją inne elementy, m.in.:

Czujniki wieloosiowe (np. 9-osiowe);

kompasy;

Czujniki do pomiaru otoczenia (ciśnienia i temperatury);

Mikrofony cyfrowe i nie tylko.

Nowoczesne przemysłowe systemy mikroelektromechaniczne o wysokiej precyzji, które są aktywnie wykorzystywane w pojazdach i przenośnych komputerach do noszenia.

Systemy mikroelektromechaniczne lub w skrócie MEMS to urządzenia technologii mikrosystemowej, wykonane zgodnie z technologią mikromechaniki wolumetrycznej, tworzone przez miejscowe trawienie podłoża, domieszkowanie, nakładanie na niego materiału itp. Podłoża są zwykle wykonane z krzemu ze względu na jego doskonałe właściwości elektryczne, mechaniczne i właściwości cieplne. Rozmiary MEMS wahają się od 1 mikrona do kilku milimetrów, w zależności od mocy, zastosowania, wbudowanych obwodów przetwarzania i liczby elementów.

Główne zalety:

• Miniaturowy;
• Wysoka funkcjonalność;
• Niezawodność;
• Niskie zużycie energii;
• Możliwość integracji elektroniki z węzłami mechanicznymi, optycznymi i innymi;
• Mały rozrzut parametrów w ramach jednej partii produktów;
• Wysoka produktywność i powtarzalność;
• Możliwość osiągnięcia bardzo niskich kosztów (dla dużych lub bardzo dużych wolumenów produkcji).

W formie MEMS mogą być wykonane następujące urządzenia:

Cechy technologii MEMS i urządzeń wykonanych w tej technologii

Technologia produkcji MEMS polega na napawaniu i modyfikacji całych warstw materiału, przy użyciu specjalnej techniki nanoszenia oraz specjalnych warstw maskujących w celu utworzenia reliefu elementów mechanicznych i całego produktu w jednym cyklu technologicznym. W tym cyklu przetwarzany jest pojedynczy substrat, który może zawierać od dziesiątek do setek półfabrykatów MEMS.

Dlaczego MEMS?

Zastosowanie technologii MEMS pozwala na uzyskanie jednostek mikromechanicznych i optycznych o znacznie mniejszych rozmiarach niż jest to możliwe przy tradycyjnych technologiach. Idea wytwarzania czujników i obwodów przetwarzających w jednym urządzeniu daje doskonałą możliwość tworzenia gotowych, dość skomplikowanych produktów w jednym, stosunkowo niewielkim opakowaniu, co jest korzystne dla twórców urządzeń końcowych, ponieważ pozwala na wykonać projekt w oparciu o gotowe rozwiązania na poziomie gotowych modułów funkcjonalnych. Zaletą MEMS jest również część elektroniczna oraz połączenia elektryczne z czujnikami i mechanizmami, wykonane w technologii zintegrowanej i o niewielkich wymiarach, ponieważ poprawiają one charakterystyki takie jak częstotliwości pracy, stosunek sygnału do szumu itp. Wysoka powtarzalność czułych elementy, a ich zintegrowana produkcja wraz z obwodem przetwarzającym może znacząco poprawić dokładność pomiarów. Dzięki zintegrowanej technologii niezawodność MEMS jest wyższa niż niezawodność podobnego systemu złożonego z dyskretnych elementów. Ponadto systemy optyczne mają większą niezawodność i trwałość, ponieważ znajdują się w szczelnej obudowie i są chronione przed wpływami. otoczenie zewnętrzne. Zastosowanie MEMS zmniejsza koszt zarówno części mechanicznych, jak i elektronicznych urządzenia, ponieważ elektronika przetwarzająca i MEMS są zintegrowane na jednym podłożu, co pozwala uniknąć dodatkowych połączeń, a w niektórych przypadkach stosowania dopasowanych obwodów.

W chwili obecnej trwa rozwój generatorów prądu elektrycznego opartych na mikrosilnikach spalinowych.

Pracami tymi kierują profesor Simone Hochgreb z Centrum Badań Spalania na Uniwersytecie w Cambridge oraz dr Kyle Jiang z Centrum Badawczego Mikroinżynierii i Nanotechnologii) Uniwersytetu w Birmingham.

Projektują silniki o objętości komory spalania rzędu jednego milimetra sześciennego.

Co ciekawe, silniki spalinowe stworzone przez Brytyjczyków to diesle. Tylko że teraz nie działają na olej napędowy, ale na niektóre mieszanki metanolu (z dodatkiem wodoru), które mogą samoczynnie rozpalić się podczas suwu sprężania.

Również zaprojektowany i wyprodukowany w technologii MEMS jest silnik mikroobrotowy (silnik spalinowy Wankla). Średnica wirnika: 1mm; prędkość wirnika (maks.): 40000 obr/min; moc: 26 mW; objętość robocza: 0,064 mm3. Moc jest zbliżona do baterii alkalicznej, jednak rozmiar jest znacznie mniejszy.

A moc mikrosilnika pokazanego po prawej stronie to 4W.

Aplikacja:

• Wyposażenie wojskowe;
• statek kosmiczny;
• Automobilowy;
• Medycyna;
• Nauka;
• Przemysł;
• Urządzenia mobilne;
• Urządzenia;

Aleksiej Borzenko

Wiele z istniejących innowacji nie wykorzystuje w pełni swojego potencjału, dopóki na rynku nie pojawią się zasadniczo nowe rozwiązania. Tak więc jedną z kluczowych technologii do 2012 roku firma analityczna Gartner nazywa technologię układów mikroelektromechanicznych - MEMS (Micro-Electro Mechanical Systems). Według najnowszych prognoz In-Stat/MDR rynek MEMS rośnie w tempie 13,2% rocznie. Nawiasem mówiąc, ta gałąź branży IT w Japonii nazywana jest mikromaszynami (Micromachines), a w Europie - technologiami mikrosystemowymi (Micro System Technology). Według analityków firmy Gartner systemy mikroelektromechaniczne pozwolą, przy minimalnych kosztach, zwiększyć czułość i odpowiedź mechaniczną urządzeń na poziomie kryształów.

Można powiedzieć, że MEMS to zestaw mikrourządzeń o najróżniejszej konstrukcji i przeznaczeniu, do produkcji których wykorzystywane są zmodyfikowane metody technologiczne mikroelektroniki. Rzeczywiście, systemy mikroelektromechaniczne są uzyskiwane poprzez łączenie elementów mechanicznych, czujników i elektroniki na wspólnej bazie krzemowej za pomocą technologii mikrowytwarzania. Wszystkie elementy można zaimplementować jako jeden produkt, w dziesiątkach lub setkach jednocześnie, jak mikroukłady na płytce krzemowej. Opiera się to na sprawdzonej tradycyjnej technologii produkcji półprzewodnikowych układów scalonych. MEMS są już wykorzystywane w niszowych zastosowaniach, takich jak pasywne filtry górnoprzepustowe w terminalach bezprzewodowych i komórkowych, systemy ruchomych luster w projektorach multimedialnych i mikrofony. Liczba tych nisz i ich wielkość rośnie wraz z potrzebami rynku.

W historii rozwoju technologii MEMS, zdaniem czołowych współczesnych ekspertów, przeszły już cztery etapy. W pierwszym krótkim etapie - badawczym (od połowy lat 50. do początku lat 60. ubiegłego wieku) główne wysiłki w kształtowaniu wizerunku przyszłej technologii podjęły zarówno piony naukowe dużych firm (przede wszystkim słynne Bell Laboratories ) oraz same przedsiębiorstwa przemysłowe i akademicki nauka. Specyfika tego okresu polegała na tym, że główną uwagę zwrócono na technologie podwójnego zastosowania, na które było zapotrzebowanie w okresie zimnej wojny, przede wszystkim na tworzenie dokładnych i tanich sensorów różnego typu (projekty obiecujących bojowych samolotów odrzutowych, na przykład wymagał znacznej liczby eksperymentów) nadających się do masowej produkcji. Nic dziwnego, że drugi etap rozwoju technologii kojarzy się wyłącznie z potężnymi firmami przemysłowymi (a dokładniej wojskowo-przemysłowymi): tacy giganci jak Fairchild, Westinghouse, Honeywell spieszyli się z komercjalizacją pierwszych eksperymentalnych rozwiązań. Komercjalizacja zajęła dość dużo czasu i dopiero na początku lat 70-tych nauka akademicka zaczęła otrzymywać od przemysłu ukierunkowane fundusze na rozwiązanie problemów redukcji kosztów i rozszerzenia zakresu urządzeń MEMS. Dziesięć lat później ten etap również został pokonany - i przyszedł czas na produkcję mikroobróbki. Można uznać, że od końca lat dziewięćdziesiątych ubiegłego wieku rozpoczęła się era mikromechaniczna.

Wielu ekspertów, w tym jedna z wiodących firm w tej dziedzinie, Integrated Sensing Systems (http://www.mems-issys.com), wierzy, że technologia MEMS wprowadza dosłownie rewolucyjne zmiany w każdym zastosowaniu, łącząc mikroelektronikę opartą na krzemie z technologią mikromechaniczną , który pozwala na zaimplementowanie systemu na jednym chipie SoC (Systems-on-a-Chip). Tym samym technologia MEMS dała nowy impuls do rozwoju systemów nawigacji inercyjnej i systemów zintegrowanych, otwierając drogę do rozwoju produktów „inteligentnych”, zwiększających możliwości obliczeniowe mikroczujników oraz rozszerzających możliwości projektowe takich systemów.

Dziś urządzenia MEMS są używane prawie wszędzie. Mogą to być miniaturowe części (zawory hydrauliczne i pneumatyczne, dysze do drukarek, sprężyny do zawieszania głowicy dysku twardego), mikronarzędzia (skalpele i pęsety do pracy z przedmiotami o wielkości mikrona), mikromaszyny (silniki, pompy, turbiny wielkości ziarnka grochu). ), mikroroboty, mikroczujniki i urządzenia wykonawcze, mikrolaboratoria analityczne (na jednym chipie) itp.

Podstawowe koncepcje

Mówiąc ogólnie, mikrosystem obejmuje integrację wielu różnych technologii (MEMS, CMOS, optyczna, hydrauliczna itp.) w jednym module. Na przykład technologie wytwarzania urządzeń MEMS do zastosowań mikrofalowych (cewki indukcyjne, waraktory, przełączniki, rezonatory) implikują tradycyjne cykle wytwarzania układów scalonych przystosowane do tworzenia trójwymiarowych struktur mechanicznych (na przykład mikroobróbka objętościowa, mikroobróbka powierzchniowa i tzw. technologia LIGA ).

Mikroobróbka krzemu w masie obejmuje technologię głębokiego trawienia w masie. Dzięki temu procesowi wewnątrz podłoża uzyskuje się strukturę objętościową ze względu na jego właściwości anizotropowe, tj. różne szybkości trawienia kryształów w zależności od kierunku osi krystalograficznych. Strukturę trójwymiarową można również uzyskać metodą wzrostu, gdy kilka podłoży jest łączonych i tworzy pionowe wiązania na poziomie atomowym.

Podczas mikroobróbki powierzchni powstaje trójwymiarowa struktura poprzez kolejne nakładanie głównych cienkich warstw i usuwanie warstw pomocniczych zgodnie z wymaganą topologią. Zaletą tej technologii jest możliwość wielokrotnego usuwania (rozpuszczania) warstw pomocniczych bez uszkadzania połączeń warstw bazowych. A jego główną cechą jest to, że jest kompatybilny z technologią półprzewodnikową, ponieważ konwencjonalna technologia CMOS jest używana do mikroobróbki.

Nazwa technologii LIGA pochodzi od niemieckiego skrótu Roentgen Lithography Galvanik Abformung, co oznacza połączenie litografii rentgenowskiej, galwanizacji i tłoczenia (formowania). Tutaj gruba warstwa fotorezystywna jest wystawiona na promieniowanie rentgenowskie (rozbłysk), po którym następuje galwaniczne osadzanie wysokoprofilowych struktur 3D. Istota procesu polega na wykorzystaniu promieniowania rentgenowskiego z synchrotronu do uzyskania w materiale polimerowym głębokich wzorów topologicznych o gładkich ścianach. Promieniowanie synchrotronowe ma bardzo mały kąt rozbieżności wiązki. Źródłem promieniowania są elektrony o wysokiej energii (o energii powyżej 1 GeV) poruszające się z prędkością relatywistyczną. Głębokość penetracji promieniowania sięga kilku milimetrów. Prowadzi to do wysokiej wydajności ekspozycji przy niskich kosztach czasu. Uważa się, że ta technologia zapewnia najlepszy stosunek powtarzalnej szerokości kanału do jego długości (przy minimalnych wymiarach).

Najważniejszym elementem większości MEMS jest mikrosiłownik (rys. 1). Zazwyczaj to urządzenie zamienia energię w kontrolowany ruch. Rozmiary mikrosiłowników mogą się bardzo różnić. Zakres zastosowań tych urządzeń jest niezwykle szeroki i stale się powiększa. Tak więc mikrosiłowniki znajdują zastosowanie w robotyce, urządzeniach sterujących, przemyśle kosmicznym, biomedycynie, dozymetrii, przyrządach pomiarowych, technice rozrywkowej, przemyśle motoryzacyjnym i gospodarstwie domowym. Na przykład mikrosiłowniki są potrzebne do sterowania czujnikami rezonansowymi (generują i przekazują do nich częstotliwość rezonansową), do sterowania narzędziami skrawającymi w mikrochirurgii. Mogą to być również różne mikrosilniki, które służą do sterowania mikroprzekaźnikami, mikrolusterkami i mikrozaciskami. Mikroaktywator może być nawet urządzeniem mikroelektrodowym do wzbudzania tkanek mięśniowych w protezach neurologicznych.

Ryż. 1. Mikrosiłownik w MEMS.

Wszystkie metody aktywacji (ruch, odkształcenie, uruchamianie) w takich urządzeniach można podsumować następująco: elektrostatyczna, magnetyczna, piezoelektryczna, hydrauliczna i termiczna. Oceniając użycie określonej metody, często stosuje się prawa proporcjonalnego zmniejszenia rozmiaru. Najbardziej obiecujące są metody piezoelektryczne i hydrauliczne, choć inne mają ogromne znaczenie. Aktywacja elektrostatyczna jest stosowana w około jednej trzeciej mikrosiłowników i jest prawdopodobnie najbardziej powszechną i dobrze ugruntowaną metodą; Jego główne wady to zużycie. Mikrosiłowniki magnetyczne wymagają zwykle stosunkowo dużego prądu elektrycznego, również na poziomie mikroskopowym. Podczas korzystania z metod aktywacji elektrostatycznej wynikowy sygnał wyjściowy na względną jednostkę wymiaru jest lepszy niż w przypadku metod magnetycznych. Innymi słowy, przy tej samej wielkości urządzenie elektrostatyczne wytwarza nieco lepszy sygnał wyjściowy. Mikrosiłowniki termiczne zużywają również stosunkowo dużą ilość energii elektrycznej; ich główną wadą jest to, że generowane ciepło musi zostać rozproszone.

Do oceny mikrosiłowników stosuje się kryteria jakości, takie jak liniowość, dokładność, błąd, powtarzalność, rozdzielczość, histereza, wartość progowa, luz, szum, przesunięcie, nośność, amplituda, czułość, prędkość, odpowiedź przejściowa, skalowalność, efektywność energetyczna.

Czujniki i mikrosiłowniki

W rzeczywistości pojawiła się pierwsza komercyjna aplikacja MEMS zajęło ponad 30 lat. Jedną z pierwszych szeroko rozpowszechnionych technologii MEMS były czujniki przyspieszenia (akcelerometry), które są obecnie instalowane w prawie wszystkich nowoczesnych samochodach w celu wykrywania kolizji i uwalniania ochronnych poduszek powietrznych (SRS). Znana firma Analog Devices Corporation (http://www.analog.com), która wyprodukowała pierwsze takie czujniki w 1993 roku, obecnie sprzedaje producentom samochodów dziesiątki milionów tak zwanych akcelerometrów iMEMS rocznie.

Jeden z typowych nowoczesnych akcelerometrów MEMS składa się z kołków blokujących, które naprzemiennie poruszają się i blokują. Zmiana przyspieszenia znajduje odzwierciedlenie w pojemności konstrukcji, która jest łatwa do zmierzenia. Elementy mogą być umieszczane jako grzbiety w przypadku akcelerometrów liniowych lub jako piasta koła w przypadku akcelerometru obrotowego. Obrotowe akcelerometry mogą służyć do zwiększenia możliwości systemów przeciwblokujących (ABS) pojazdu, ponieważ mogą wykrywać rzeczywisty ruch pojazdu, a nie tylko blokadę kół.

Akcelerometry poduszek powietrznych są uważane za jeden z najlepszych przykładów czujników MEMS, zapewniający producentom samochodów korzyści zarówno pod względem kosztów, jak i wydajności. Nadchodzi czas, kiedy to samo można powiedzieć o monitorach ciśnienia w oponach, które w odpowiedzi na przepisy dotyczące bezpieczeństwa są obecnie integrowane z modelami masowo produkowanymi. Jest jednak inny obszar, w którym MEMS może przyczynić się do wprowadzenia elektroniki do samochodu - to ochrona przed bocznymi uderzeniami w wypadku. Eksperci uważają, że przyjęcie przez rząd USA surowszych standardów ochrony przed uderzeniami bocznymi w wypadku może mieć duży wkład w sprzedaż MEMS. Eksperci z Agencji Bezpieczeństwa Ruchu NHTSA uważają, że takie działania pozwolą uratować nawet tysiąc istnień ludzkich rocznie.

W dyskach twardych akcelerometry obrotowe mogą być używane do wykrywania ruchów obrotowych, które wpływają na pozycję głowy i mogą prowadzić do utraty ścieżki. Kompensację ruchów obrotowych stosuje się zwykle w drogich modelach dysków, ponieważ przy nieco większej ilości czasu poświęconego na czytanie i pisanie, znacznie mniej czasu zajmuje przywrócenie pozycji głowy po uderzeniu.

Sandia National Laboratories opracowało konstrukcję czujnika, która może wykrywać ruch o wielkości zaledwie 1 nm (Rysunek 2). Główną częścią urządzenia jest siatka składająca się z dwóch nakładających się grzebieni (wymiar poprzeczny 50 µm): jeden jest nieruchomy, drugi przymocowany do sprężyny. Odstęp między zębami grzebienia wynosi od 600 do 900 nm, co jest porównywalne z długością fali światła widzialnego. Ruchomy grzebień nawet przy lekkim ruchu urządzenia oscyluje, rozszerzając lub zwężając siatkę utworzoną przez przecinające się zęby. Zmiana szczelin w siatce wpływa na jej właściwości optyczne, a wiązka lasera odbita od zachodzących na siebie zębów będzie zauważalnie jasna lub słaba. Uważa się, że możliwe jest wykorzystanie takiego detektora jako podstawy urządzenia nawigacyjnego, które może działać niezależnie od sieci satelitarnej globalnego systemu pozycjonowania.

Ryż. 2. Czujnik MEMS

Tradycyjnie systemy pozycjonowania oparte na ruchu cierpią z powodu nagromadzenia małych błędów. Z biegiem czasu błędy te mogą prowadzić do odczytów, które odbiegają o mile od rzeczywistej pozycji. Blokowanie pozycyjne, które jest charakterystyczne dla instrumentu Sandia, zapewnia znacznie wolniejszą degradację charakterystyk. Dodatkowo urządzenie może pracować pod wodą oraz w tunelu gdzie nie przechodzi sygnał GPS. Obecnie trwają prace nad stworzeniem przenośnej wersji urządzenia, tak aby można je było przekazać innym badaczom do eksperymentów. Urządzenie oparte na tej konstrukcji może wejść na rynek za trzy do pięciu lat.

Mikrosiłowniki, które działają w oparciu o efekt odwrotny (przyłożone napięcie powoduje niewielkie ruchy struktur krzemowych), są obecnie wykorzystywane m.in. do precyzyjnego dostrajania głowic magnetycznych. Te ostatnie są zwykle odpowiedzialne za detekcję sygnału w napędach dysków magnetycznych. To znacznie zwiększa gęstość informacji „ścieżka na cal”, czyli tpi (ścieżka na cal), a co za tym idzie pojemność samego dysku.

Istnieje również wiele udanych produktów MEMS, takich jak głowice do mikrodrukarek atramentowych, żyroskopy i czujniki ciśnienia, które są dostarczane przez setki milionów do przemysłu medycznego i motoryzacyjnego. Nazwijmy również projektory cyfrowe wysokiej rozdzielczości zbudowane na bazie macierzy mikroluster MEMS. W ostatnich latach dokonano znacznego postępu w produkcji silników, pomp i zacisków, czujników ciśnienia i przemieszczenia - różnorodnych zespołów mechanicznych o różnym przeznaczeniu, tak małych, że nie są widoczne gołym okiem. Ale najpierw najważniejsze.

DMD dla DLP

Technologia cyfrowego przetwarzania światła leżąca u podstaw każdego projektora DLP (Digital Light Processing) opiera się na osiągnięciach firmy Texas Instruments Corporation (http://www.ti.com), która stworzyła nowy typ przetwornika obrazu opartego na MEMS. W 1987 r. urządzenie DMD (Digital Micromirror Device) wynalezione przez Larry'ego J. Hornbecka zakończyło dziesięciolecia badań firmy Texas Instruments nad mikromechanicznymi odkształcalnymi urządzeniami zwierciadlanymi. Istotą odkrycia było odrzucenie elastycznych zwierciadeł na rzecz matrycy zwierciadeł sztywnych o tylko dwóch stabilnych pozycjach. Kryształ DMD to bardzo precyzyjna matryca, która cyfrowo przekształca światło (ryc. 3).

Ryż. 3. Nowoczesny rozwój macierzy DMD.

Kryształ DMD jest zasadniczo chipem półprzewodnikowym statycznej pamięci o dostępie swobodnym (SRAM), którego każda komórka (a dokładniej jej zawartość) określa położenie jednego z wielu (od kilkuset tysięcy do miliona lub więcej) mikroluster 16x16 mikronów w rozmiarze umieszczonym na powierzchni podłoża. Podobnie jak komórka pamięci kontrolnej, mikrolusterko ma dwa stany, które różnią się kierunkiem obrotu płaszczyzny lustra wokół osi przechodzącej po przekątnej lustra.

Szereg mikroskopijnych luster tworzy wiązkę, przy czym każde takie lustro odpowiada jednemu pikselowi światła w wyświetlanym obrazie. W połączeniu z sygnałem cyfrowym, źródłem światła i obiektywem projekcyjnym, lustra te zapewniają najwyższą jakość odtwarzania wideo i grafiki.

Pamięć elektromechaniczna

Dziś trudno sobie przypomnieć, ile było różnych pomysłów na to, czego użyć do urządzeń pamięci masowej. A firma Cavendish Kinetics (http://www.cavendish-kinetics.com) zaproponowała inne podejście do tworzenia nieulotnych urządzeń pamięci masowej. Jej podejście opiera się na mikroelektronicznych układach mechanicznych z możliwością integracji z procesami CMOS. Pamięć Cavendish Kinetics jest dostępna w dwóch wersjach, jednokrotnego zapisu i wielokrotnego zapisu.

Firma uważa, że ​​jej technologia, nazwana Nanomech, ma najniższe zużycie energii wśród typów pamięci wbudowanych i jest porównywalna pod względem szybkości z pamięcią flash. Nazwa Nanomech ilustruje jego zasadę działania (rys. 4). Komórka pamięci to przewodząca (metalowa) płytka - wspornik (siłownik mikroelektromechaniczny) zamocowany nad stykiem. Jeżeli między elektrodą dotykową a płytką powstanie różnica potencjałów, płytka ugnie się i dotknie styku, w wyniku czego opór elektryczny spadnie prawie do zera. Co ciekawe, efekt ten ma histerezę, ponieważ po dotknięciu płytki stykowej dochodzi do „sklejania” – do zerwania styku potrzebna jest dodatkowa energia. W ten sposób możliwe jest stworzenie pamięci typu ROM, w której coś można zapisać tylko raz. Do przepisywania nad płytką wystarczy włożyć dodatkową elektrodę, przykładając potencjał do którego można rozewrzeć styk.

Ryż. 4. Zasada działania technologii Nanomech.

Obecne prototypy zostały zbudowane przy użyciu technologii CMOS z kodem projektowym 0,35 mikrona, ale firma twierdzi, że takie komórki pamięci można zbudować przy zachowaniu kodu projektowego 45 nm. Zaletą nowego typu pamięci jest brak prądu w trybie czuwania, a do rejestracji wymagane jest zużycie energii mechanicznej tylko 25 pJ. Urządzenie działa nawet w temperaturze 200 stopni, a liczba cykli zapisu-przepisywania może sięgać 20 milionów.

Na targach CeBIT?2005 IBM zademonstrował dysk o gęstości danych przekraczającej 19,2 GB/cm2. Eksperci twierdzą, że ten prototypowy mikroelektromechaniczny system MEMS jest w stanie zapisywać informacje w przybliżeniu odpowiadające pojemności 25 płyt DVD na obszarze wielkości znaczka pocztowego. Pracownicy IBM pieszczotliwie nazwali swoje urządzenie Millipede („stonoga”), ponieważ ma tysiące bardzo małych krzemowych kolców, które mogą „zszyć” wzór pojedynczych bitów w cienką folię polimerową (ryc. 5).

Ryż. 5. Stonoga z pamięcią MEMS.

Ogólnie rzecz biorąc, technologię stonogi zaproponował kilka lat temu noblista Gerd Binnig, twórca skaningowego mikroskopu tunelowego i pracownik IBM Research Institute. Zwrócił uwagę na zdolność mikroskopu do tworzenia nanometrycznych jamek w polimerach, których obecność w określonych punktach substancji może być interpretowana jako wartość jednobitowa. Binnig, próbując dostosować swoje odkrycie do potrzeb przemysłu, nauczył się, jak jednocześnie skanować wiele z tych dołów. Tym samym zasada działania Millipede przypomina wszystkim dobrze znane karty dziurkowane. Kluczowym elementem nowej technologii jest szereg silikonowych wsporników w kształcie litery V (wsporników), na końcu każdego z nich znajduje się miniaturowa mikronowa igła. Dane są zapisywane na nośniku, który jest bardzo cienką warstwą materiału polimerowego na podłożu krzemowym. Końcówka każdego wspornika V z umieszczoną na nim igłą stanowi jednocześnie strefę zwiększonego oporu. Przepuszczając przez nią impuls prądu elektrycznego, igła nagrzewa się do temperatury przekraczającej temperaturę topnienia polimeru i „topi” w nośniku lejek o średnicy około 10 nm. Gdy prąd zostanie przerwany, igła stygnie, a polimer twardnieje. Aby odczytać dane, mierzy się rezystancję „części roboczej” wspornika. W tym przypadku igła jest również podgrzewana, ale tylko do niższej temperatury, w której polimer zastosowany w nośniku nie jest jeszcze zmiękczony. Skanowana jest powierzchnia nośnika, a gdy igła wchodzi do lejka, intensywność odprowadzania z niego ciepła gwałtownie wzrasta, temperatura spada, w wyniku czego opór zmienia się gwałtownie, dzięki czemu część informacji zostaje utrwalona.

Możliwość wielokrotnej rejestracji jest zapewniona przez szczególne właściwości lepkosprężystych układów polimerowych. Faktem jest, że w obszarze bitu lejka polimer znajduje się w tak zwanym stanie metastabilnym, z którego można go usunąć przez jakiś wpływ zewnętrzny, na przykład stosując to samo ogrzewanie do określonej temperatury. Odbywa się to poprzez przepuszczenie rozgrzanej igły nad lejkiem, po czym ta ostatnia znika, czyli dane są kasowane. Według ekspertów IBM do tej pory udało im się osiągnąć trwałość nośników przekraczającą 100 000 cykli ponownego zapisu.

Macierz kolców Millipede jest kontrolowana przez zwielokrotnione czasowo obwody elektroniczne, podobne do układów DRAM. Ruch nośnika wzdłuż matrycy i jego precyzyjne pozycjonowanie zapewnia napęd elektromagnetyczny. IBM twierdzi, że Millipede nadaje się do urządzeń mobilnych: aparatów cyfrowych, telefonów komórkowych i pamięci USB. Jednak na razie mówimy tylko o próbce laboratoryjnej, a przed wejściem na rynek Millipede dojrzeje za dwa lata, a nie wcześniej.

Według firmy analitycznej NanoMarkets w swoim raporcie na temat rynku pamięci, segment pamięci nieulotnych do 2011 r. będzie szacowany na 65,7 miliardów dolarów wyprodukowanych przy użyciu nowych technologii. Eksperci szacują, że udziały rynkowe typów pamięci nieulotnych, określanych w ankiecie jako Nanostorage (urządzenia pamięci masowej wykonane przy użyciu mikrotechnologii), mogą sięgać 40% zarówno w sektorze pamięci konwencjonalnej, jak i w sektorze urządzeń dyskowych.

„Elektromechanika” w telekomunikacji

Wielu ekspertów uważa obecnie rynek telekomunikacyjny za jeden z najbardziej obiecujących obszarów wprowadzenia MEMS. Już pod koniec 2000 r. z Sandia National Laboratory (http://www.sandia.gov), należącego do Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych, wydzieliła się prywatna firma MEMX (http://www.memx.com). która zajmuje się komercyjnym zastosowaniem produktów tworzonych w laboratorium.Technologie MEMS. Firma skoncentrowała swoją działalność na przełącznikach optycznych do światłowodowych systemów telekomunikacyjnych. Są one oparte na zastrzeżonej technologii Sandia o nazwie SUMMiT V (od Sandia Ultraplanar Multilevel MEMS Technology). Jest to mikroobróbka powierzchni kryształu metodą napylania i trawienia, obejmująca pięć niezależnych warstw polikrystalicznego krzemu - cztery warstwy „mechaniczne” do budowy mechanizmów i jedną warstwę elektryczną do łączenia całego systemu. Technologia pozwala na doprowadzenie wymiarów elementów mechanicznych do 1 mikrona.

Jeśli chodzi o jednego z gigantów elektronicznych – firmę Intel Corporation (http://www.intel.com), decyzja o rozwoju technologii MEMS została przez nią podjęta już w 1999 roku. Na wiosennym forum Intel Forum for Developers w 2002 roku nie tylko oficjalnie deklarował zainteresowanie urządzeniami mikroelektromechanicznymi, ale jednocześnie głosił strategiczne znaczenie tego kierunku. Biorąc pod uwagę potencjał korporacji zarówno w zakresie rozwoju, jak i produkcji, znaczenie tego stwierdzenia dla rynku MEMS jest nie do przecenienia. Mniej więcej w tym samym czasie fabryka Intel Fab 8 wprowadziła technologię mikroelektromechaniczną, która umożliwiła formowanie drobnych urządzeń mechanicznych wewnątrz lub na powierzchni kryształów półprzewodnikowych - czujników, zaworów, kół zębatych, lusterek, siłowników. Dla Intela MEMS przypominają bardziej mikroelektroniczne układy mechaniczne — mikroskopijne elementy mechaniczne do urządzeń, które charakteryzują się niskim zużyciem energii i ultrakompaktową konstrukcją oraz pełnią funkcje obliczeniowe i komunikacyjne. Korporacja bada możliwości zastosowania tych technologii w antenach, ekranach, strojonych filtrach, kondensatorach, cewkach indukcyjnych i mikroprzełącznikach.

Wiosną 2004 roku Intel zaczął oferować swoim partnerom moduły front-end RF oparte na technologii MEMS do integracji z telefonami komórkowymi. W taki moduł zintegrowanych jest około 40 elementów pasywnych, co pozwala zaoszczędzić do dwóch trzecich miejsca w telefonie komórkowym. Ilość i skład modułów zależy od potrzeb klientów, którzy są zapraszani do stosowania takich modułów MEMS do miniaturyzacji filtrów pasywnych, obwodów rezystancyjnych i pojemnościowych. W przyszłości planowane jest zintegrowanie przełączników wolnoobrotowych z podobnymi modułami, a w przyszłości być może przełączników nadawania/odbioru wysokiej częstotliwości oraz filtrów SAW (Surface Acoustic Wave). Chociaż istniejące dyskretne filtry SAW są raczej nieporęczne w porównaniu z układami scalonymi, ich wskaźnik jakości filtrowania jest o około dwa rzędy wielkości wyższy. Ponadto, jeśli wielkość filtrów SAW mierzy się w centymetrach, to rezonatory MEMS na 1 cm2 powierzchni mogą pomieścić kilkadziesiąt tysięcy sztuk. Obecna generacja modułów MEMS jest produkowana w fabryce Intel Fab 8 w Izraelu na 200-milimetrowych waflach o standardach projektowych 0,25 i 0,35 µm.

Na ostatniej konferencji poświęconej układom scalonym ISSCC?2005 zauważono ogromne możliwości na rynku filtrów preselektora wysokich częstotliwości. Naukowcy z University of Michigan zauważyli, że takie filtry znajdą zastosowanie w telefonach do wyboru pożądanego kanału RF oraz przyszłych generacji urządzeń RF, gdzie MEMS zapewniają rozwiązanie o współczynniku Q powyżej 10 000, który jest znacznie lepszy niż konwencjonalne filtry ceramiczne. Z kolei ich koledzy z Texas Instruments poinformowali, że filtry górnoprzepustowe MEMS mogą być stosowane we wzmacniaczach o niskim poziomie szumów. Problemem pozostaje to, że urządzenia MEMS są drogie, a ich wprowadzenie na rynek przemysłowy jest nadal dość trudne. Przedstawiciel firmy XCom Wireless, która produkuje podsystemy oparte na przekaźnikach i waraktorach MEMS, uważa ich zastosowanie w programowalnych urządzeniach radiowych, a także w stacjach radarowych z fazowanymi układami anten na satelitach za obiecujące.

Perspektywy wyświetlaczy MEMS

Jak podaje DigiTimes, tajwański producent małych paneli Prime View International (PVI) nawiązał długoterminowe strategiczne relacje z amerykańską firmą Qualcomm MEMS Technologies (QMT, http://www.qualcomm.com). Głównym obszarem współpracy jest rozwój komercyjnych rozwiązań opartych o wyświetlacze iMod, które QMT planuje wydać.

Ogólnie rzecz biorąc, technologia iMod Display opiera się na mikroelektronicznych mechanicznych systemach MEMS i jest obecnie preferowana dla urządzeń mobilnych. Ekran wyświetla informacje dobrze nawet przy bezpośrednim naświetleniu jasnego światła słonecznego. Jak deklarują przedstawiciele firmy Qualcomm, wiele problemów dotyczących zużycia energii zostało rozwiązanych dzisiaj. Na kolejne dwa lata, zgodnie z podpisaną umową, PVI jest deklarowane jako główny producent takich wyświetlaczy. Kierownictwo firmy z optymizmem podchodzi do rozwoju promowanej technologii. Wszakże oprócz poprawy powyższych parametrów technicznych rozwiązano również niektóre problemy procesu produkcyjnego. Technologia jest taka, że ​​nie ma potrzeby dodawania podświetlenia i filtrów kolorów do panelu. Co ciekawe, ekrany te będą jeszcze cieńsze niż panele TFT LCD.

Warto zauważyć, że obecnie stosowany know-how QMT nabyty wraz z Iridigm we wrześniu 2004 roku. Ogólnie rzecz biorąc, ideą tej technologii jest tworzenie kolorowych obrazów poprzez interferencję fal świetlnych – tak jak to się dzieje np. , w skrzydłach motyla lub pawich piórach. Z tego, co zostało powiedziane powyżej, natychmiast wynika pierwsza zaleta rozwoju Iridigmu, polegająca na tym, że początkowo nie wiązał się on z użyciem barwników. Dlatego oparte na nim wyświetlacze z biegiem czasu nie powinny tracić jasności i nasycenia kolorów. Kluczowym elementem technologii, która wówczas nazywała się iMoD Matrix, jest modulator zakłóceń iMoD (Interference Modulator). Jest to przykład mikroelektromechanicznego systemu MEMS i składa się z półprzezroczystej folii na podłożu szklanym, zdolnej do częściowego odbijania i częściowego przepuszczania światła, oraz elastycznej metalowej membrany. Ten ostatni może znajdować się w dwóch stanach: w pierwszym przypadku między nim a filmem jest szczelina powietrzna, w drugim nie ma. Przejście z jednego stanu do drugiego następuje w wyniku oddziaływania elektrostatycznego w wyniku przyłożenia napięcia zewnętrznego o różnej polaryzacji, a po jego usunięciu membrana zachowuje nową konfigurację.

Gdy folia i membrana są oddzielone szczeliną powietrzną, fale świetlne odbite od folii kolidują z falami przepuszczanymi przez nią, a następnie odbitymi od membrany, co skutkuje uwolnieniem promieniowania o określonej barwie. Jeśli nie ma luki, nie występują żadne zakłócenia. Zmieniając wielkość szczeliny można uzyskać trzy podstawowe kolory: o największej grubości szczeliny powietrznej - czerwony, o średniej - zielony i o najmniejszej - niebieski. Wymiary jednego modulatora interferencji to zaledwie kilkadziesiąt mikronów. Jeden piksel na wyświetlaczu opartym na iMoD Matrix składa się z trzech subpikseli - czerwonego, zielonego i niebieskiego, z których każdy składa się z kilku rzędów modulatorów. W tym przypadku obwody sterujące znajdują się na krawędziach wyświetlacza.

Wśród zalet proponowanego rozwiązania, oprócz dobrej jakości obrazu, eksperci zwracają uwagę na bardzo niski poziom zużycia energii, co w przypadku komercyjnego wdrożenia technologii może sprawić, że będzie to najlepszy wybór dla różnych urządzeń mobilnych . Chociaż wielkość produkcji wciąż jest przedmiotem dyskusji, PVI wysłało już prototypy przyszłych urządzeń do firm partnerskich z branży telefonów komórkowych, smartfonów i laptopów. Im szybciej technologia zostanie przyjęta dla małych i średnich ekranów, tym szybciej może pojawić się w większych urządzeniach, takich jak panele TV.

Zasilacze MEMS do urządzeń przenośnych

Jednym z nowych i obiecujących obszarów jest wykorzystanie MEMS do tworzenia ogniw paliwowych i generatorów prądu, które są przeznaczone do przenośnych urządzeń elektronicznych przyszłych generacji (odtwarzacze CD, aparaty cyfrowe, PDA). Dość powiedzieć, że na konferencji IEEE w lutym ubiegłego roku zaprezentowano ponad 200 raportów na ten temat.

Toshiba Corporation (http://www.toshiba.co.jp) wprowadza na rynek oparte na MEMS ogniwo paliwowe oparte na bezpośrednim metanolu, o pojemności 140 cm3, o mocy wyjściowej 1 W, przystosowanej do 20 godzin pracy. Mikropompa została zaprojektowana do pompowania gazów i cieczy oraz do utrzymywania poboru mocy i wielkości w dopuszczalnych granicach. Konstrukcja wykorzystuje zespół elektrolityczny membrany polimerowej z katodą i anodą do pełnienia funkcji ogniwa paliwowego. Każda elektroda ma warstwę katalityczną i dyfuzyjną gazową. Wymiary urządzenia z grubsza odpowiadają wymiarom konwencjonalnego telefonu komórkowego.

Wspólny rozwój potężnego agregatu prądotwórczego przez twórców Instytutów Technologicznych Massachusetts i Georgia wzbudził duże zainteresowanie. Technologia ta oparta jest na mikromechanicznej strukturze MEMS wykorzystującej magnes trwały. Generatory to maszyny trójfazowe, osiowe, synchroniczne. Ponadto każdy z nich składa się z wielobiegunowego stojana uzwojonego powierzchniowo oraz wirnika opartego na magnesie trwałym. Cewki mikromechaniczne z wąskimi odstępami między przewodnikami i geometriami o zmiennej szerokości są kluczowymi elementami zapewniającymi wysoką gęstość mocy. Przy prędkości obrotowej 120 tys. obr./min generator wykazał przemianę energii mechanicznej w energię elektryczną na poziomie 2,6 wata. W połączeniu z transformatorem i prostownikiem generator dostarcza 1,1 wata prądu stałego do obciążenia rezystancyjnego. W przypadku maszyny czynnej o gabarytach 9,5 mm (średnica zewnętrzna), 5,5 mm (średnica wewnętrzna), 2,3 mm (grubość) odpowiada to mocy 10 MW/m3. Twórcy uważają, że tego rodzaju generatory MEMS mogą zapewnić moc od 10 do 100 watów. Uważają również, że wytwarzanie energii elektrycznej na tym poziomie stwarza warunki do stworzenia skalowalnych urządzeń wykorzystujących magnesy trwałe do praktycznych zastosowań. Takie generatory elektryczne mogą być zasilane z różnych źródeł pierwotnych, w tym przepływu płynu, sprężonego gazu lub małych silników spalinowych, takich jak turbiny gazowe o rozmiarach mikronowych.

Deweloperzy z Massachusetts Institute of Technology wraz z Lincoln Laboratory stworzyli elektroquasistatyczny generator prądu z turbiną indukcyjną. Przy wzbudzeniu samorezonansowym osiągnięto moc wyjściową 192 MW. Generator składa się z pięciu warstw krzemu stapianych w temperaturze 700 stopni. Stojan jest konstrukcją elektrody z tlenku platyny uformowanej na głębokiej wyspie tlenkowej, a wirnik to cienka warstwa słabo domieszkowanego polikrzemu, również umieszczona na wyspie tlenkowej. Wytwarzanie energii jest ograniczone pojemnościami wewnętrznymi i zewnętrznymi, dlatego do osiągnięcia wyższych poziomów mocy potrzebna jest symulacja.

Nowe podejście, zaproponowane przez pracowników Kalifornijskiego Instytutu Technologicznego, polega na wykorzystaniu macierzy MEMS ciekłych obrotowych generatorów prądu elektretowego. Są to kondensatory z powłoką teflonową, w których występują ładunki elektrostatyczne, w których szczeliny wypełnione są kroplami powietrza i cieczy, które są poruszane przez drgania. Gdy ciecz przemieszcza się między szczelinami, na kondensatorze wytwarzane jest napięcie netto, podczas gdy ładunek zwierciadlany jest redystrybuowany na elektrodzie zgodnie z położeniem kropel.

MEMS są również obiecujące w produkcji narzędzi, które pomogą w tworzeniu miniaturowych ogniw paliwowych i katalitycznych mikroreaktorów chemicznych. Jednym z narzędzi jest pasywny mikroregulator do sterowania przepływem gazu w miniaturowych ogniwach paliwowych. Pierwsze takie opracowanie zostało przeprowadzone wspólnie przez Canon Corporation i Uniwersytet Tokijski.

Uwagi

Najmniejszy czujnik
W zeszłym roku amerykański Narodowy Instytut Standardów i Technologii ogłosił stworzenie miniaturowego czujnika magnetycznego, który może wykrywać zmiany w polu magnetycznym rzędu 50 pT (czyli miliony razy słabsze niż pole magnetyczne Ziemi). Urządzenie wielkości ziarna ryżu jest około 100 razy mniejsze od nowoczesnych sensorów o podobnej czułości. Nowy czujnik magnetyczny można wyprodukować i zmontować przy użyciu istniejącej mikroelektroniki i technologii MEMS. Nowy magnetometr jest w stanie wykryć ukrytą broń z odległości 12 m lub stalową rurę o średnicy 150 mm pod ziemią na głębokości 35 m. Czujnik działa na zasadzie wykrywania subtelnych zmian poziomu energii elektronów w polu magnetycznym. Miniaturowy element rubidowy jest podgrzewany w szczelnie zamkniętej, przezroczystej komorze, aż utworzy się para rubidu. Wiązka lasera półprzewodnikowego przechodzi przez parę atomową. W obecności pola magnetycznego część promieniowania laserowego jest pochłaniana przez atomy, co jest wykrywane przez fotokomórkę. Duże pola magnetyczne powodują proporcjonalnie duże zmiany w poziomach energii atomowej i zmieniają absorpcję atomu.

Nanoczujniki w kosmosie
We wspólnym projekcie NASA i Aerospace Corporation planowane jest stworzenie „czarnej skrzynki”, która będzie wykorzystywać nanoczujniki ważące kilka gramów. Takie urządzenia będą służyły do ​​zbierania danych o wejściu obiektów kosmicznych do atmosfery ziemskiej z kosmosu. Po przejściu niebezpiecznego odcinka o dużej prędkości i wejściu w gęste warstwy atmosfery, czarna skrzynka „zadzwoni do domu” i prześle dane za pomocą satelity przed lądowaniem na lądzie lub wodzie.

Dla porównania czarna skrzynka lotnictwa przemysłowego (REBR) waży około 2,2 funta. NASA ma przeprowadzić testy REBR jesienią 2006 roku na pokładzie bezzwrotnej rakiety Delta II. Jeśli testy zakończą się sukcesem, planowane jest wykorzystanie nanotechnologii w wyprawach na Księżyc i Marsa. Nanoczujniki można by upakować w małe kulki, które można by wykorzystać w statku kosmicznym Crew Exploration Vehicle (CEV) opracowywanym w celu zastąpienia wahadłowca. Jak zapowiedział prezydent Bush, demonstracyjny lot CEV odbędzie się w 2008 roku, a załogowy w 2014 roku.

Nanotechnologia może służyć do wykonywania funkcji kontrolnych na pokładzie. Sondy mogą być używane jako urządzenia rozpoznawcze, które wybierają miejsca lądowania dla statku kosmicznego lub do orientacji statku kosmicznego na nieznanym terytorium. Sygnały radiowe z nanosond poinformują załogę, gdzie się znajdują.

Nanotechnologia może również odgrywać rolę w lotach „aerocapture” lub podczas wchodzenia w nieznaną atmosferę. W technice aerocapture atmosfera planetarna służy do zmiany prędkości statku. Statek kosmiczny wykonuje głęboki „skok” w atmosferę, aby ustanowić orbitę bez użycia paliwa. Ta metoda zmniejszyłaby o połowę typową masę międzyplanetarnego statku kosmicznego, umożliwiając wykorzystanie mniejszych, tańszych pojazdów.

Sonda rozpoznawcza może poruszać się przed statkiem kosmicznym i dostarczać dane o ciśnieniu atmosferycznym i gęstości, określając korytarz lotu ze stabilną pozycją statku i zmniejszając ryzyko misji przechwytywania powietrza.