MicroElectroMechanical Systems, sau pe scurt MEMS, este un set de microdispozitive cu o mare varietate de design și scopuri, produse prin metode similare folosind metode tehnologice de grup modificate ale microelectronicii. Combină două caracteristici. Primul este dimensiunea, al doilea este prezența pieselor în mișcare și scopul acțiunilor mecanice. În lume sunt cunoscute sub abrevierea MEMS - MicroElectroMechanical Systems.

Poate fi:

• piese miniaturale: supape hidraulice si pneumatice, duze pentru imprimanta cu jet de cerneala, arcuri pentru suspendarea capului hard diskului
• microinstrumente: bisturii și pensete pentru lucrul cu obiecte de dimensiuni micron
• micromașini: motoare, pompe, turbine de mărimea unui bob de mazăre
• microroboți
• microsenzori și dispozitive executive

Unele dintre ele sunt deja produse în lume în milioane de exemplare, altele sunt doar dezvoltate și testate. Microsistemele sunt asociate cu descoperirea tehnologică pe care umanitatea o va face în secolul 21, se prevede că vor face aceeași revoluție pe care a făcut-o microelectronica în secolul 20.

Microtehnologiile se dezvoltă pe baza restanțelor științifice și tehnologice ale microelectronicii. În același timp, sistemele microelectromecanice sunt concepute pentru a interacționa activ cu mediul. În plus, modelele de sistem au o tridimensionalitate pronunțată. Ceea ce le deosebește de sistemele mecanice clasice este dimensiunea lor - materialele la o astfel de scară se comportă oarecum diferit decât în ​​formă vrac, deși microsistemele încă respectă legile fizicii clasice, spre deosebire de nanosisteme. Cu toate acestea, fizica clasică prezice proprietăți speciale pentru microdispozitive. Toate acestea necesită o serie de abordări complet noi pentru proiectarea, fabricarea și materialele MEMS. Noile sarcini în proiectare sunt asociate cu necesitatea de a calcula și simula nu numai probleme de circuite și logică, ci și o combinație de probleme de mecanică solidă, termoelasticitate, gaz și hidrodinamică - care apar separat sau simultan în produs. În ceea ce privește materialele, în ciuda faptului că siliciul monocristal, un material microelectronic tradițional, are o serie de proprietăți unice, sunt necesare alte materiale cu noi combinații de proprietăți electro-fizico-mecanice. Noile sarcini ale tehnologiei sunt asociate cu cele mai caracteristice diferențe între microsisteme și produse microelectronice: dacă acestea din urmă sunt în esență bidimensionale și statice mecanic, atunci microsistemele sunt structuri tridimensionale reale, ale căror elemente trebuie să poată fi mișcate mecanice relative. Aceste noi proprietăți necesită dezvoltarea de noi operațiuni tehnologice pentru modelarea 3-D.

Deoarece MEMS se dezvoltă la intersecția multor ramuri ale științei și tehnologiei, este necesară participarea specialiștilor din diverse domenii de cunoaștere, care ar putea interacționa eficient. Munca unor astfel de grupuri ar trebui să fie coordonată de specialiști care au cunoștințe în toate domeniile domeniile subiectului legate de crearea de microsisteme și, de asemenea, dețin o metodologie modernă pentru implementarea activităților inovatoare.

microactuatori

Un microactuator (parte a MEMS) este un dispozitiv care convertește energia în mișcare controlată. Microactuatoarele variază în dimensiune de la câțiva micrometri pătrați la un centimetru pătrat. Gama de aplicare a microactuatoarelor este extrem de largă și variată și este în continuă creștere. Sunt utilizate în robotică, în dispozitive de control, în domeniul spațial, în biomedicină, dozimetrie, în instrumente de masura, în tehnologia de divertisment, aplicații auto și casnice.

Principalele metode utilizate pentru obținerea activării (deplasare, deformare, acționare) în astfel de dispozitive pot fi rezumate astfel: electrostatice, magnetice, piezoelectrice, hidraulice și termice. Cele mai promițătoare metode sunt piezoelectrice și hidraulice, deși altele sunt importante. Activarea electrostatică este utilizată în aproximativ o treime din actuatoare și este probabil cea mai comună și bine dezvoltată metodă, uzura și lipirea fiind principalele sale dezavantaje. Actuatoarele magnetice necesită de obicei un curent electric relativ mare (adică multă energie), și la nivel microscopic atunci când se folosesc metode de activare electrostatică, semnalul de ieșire rezultat este mai bun pe unitatea relativă de dimensiune decât utilizarea metodelor magnetice, de exemplu. cu aceeași dimensiune, dispozitivul electrostatic produce un semnal de ieșire mai bun. De asemenea, actuatoarele termice consumă relativ un numar mare de energie electrică, iar principalul lor dezavantaj este că căldura generată este disipată. Microactuatoarele cu memorie de formă sunt în curs de dezvoltare care pot fi miniaturizate la dimensiuni submicronice.

În fabricarea și funcționarea MEMS, există multe caracteristici și probleme cauzate de dimensiunile mici - de exemplu, problema frecării uscate sau pericolul de rupere din cauza forțelor de tensiune superficială. Prin urmare, proiectarea microsistemelor este extrem de proces important. Sunt destul de speciale instrumente software , care permit simularea dispozitivelor MEMS.

Legile miniaturizării proporționale

În studiul microsistemelor, consecințele reducerii proporționale a dimensiunii sunt de interes deosebit. Adică, se presupune că toate dimensiunile și unghiurile rămân într-o relație fixă ​​între ele și doar scara lungimii se modifică, de exemplu, să presupunem o scară izometrică. Procesele mecanice sunt descrise prin numerele caracteristice corespunzătoare, care trebuie să rămână constante pentru ca procesele să rămână aceleași. Unele numere caracteristice depind de dimensiunea sistemului, în timp ce altele sunt independente de acesta. Sunt prezentate aici doar câteva numere caracteristice care prezintă un interes deosebit pentru aplicații în microsisteme.

Numărul Cauchy (oscilații elastice)

Numărul Cauchy [Formula 1 (Fig.36)] determină raportul dintre forțele de inerție și forțele elastice dintr-un corp solid, caracterizează mișcarea sau vibrația. Numărul Cauchy depinde numai de pătratul lungimii L și de frecvența de oscilație ω, precum și de proprietățile materialului (de densitate - ρ și modulul lui Young - E). În vibrația elastică, aceasta implică, prin urmare, că scara frecvenței de vibrație este invers proporțională cu lungimea. De aici rezultă că microsistemele mecanice au frecvențe naturale foarte mari. Cu toate că frecvențe naturale limitează intervalul de operare, sistemele miniaturizate prezintă performanțe dinamice semnificativ îmbunătățite și timpi de răspuns mai mici.

Numărul Weber (inerție, tensiune superficială)

Numărul Weber [Formula 2 (Fig.36)] este definit ca raportul dintre forțele de inerție și tensiunea de suprafață. Unde u este viteza, ρ este densitatea și σ s este tensiunea superficială, pentru apă valoarea lui σ s = 0,073 N/m. Pentru numerele Weber mari, forțele inerțiale joacă un rol dominant, în timp ce pentru numerele Weber mici, forțele de tensiune superficială sunt semnificative. Numărul Weber este important în formarea undelor pe suprafețele libere, în fluxurile de fluid în capilare și canale și în formarea picăturilor. Numărul Weber raportează forța de tensiune superficială de forțele corpului. La dimensiuni mici, domină forțele asociate cu suprafața.

Numărul Fourier (tranzitoriu în timpul transferului de căldură)

Numărul Fourier [Formula 3 (Fig. 36)] indică relația dintre energia stocată și energia termică condusă. Determină gradul de penetrare și răspândire a căldurii în cazul unui proces tranzitoriu în timpul transferului de căldură prin coeficientul de conductivitate termică λ, capacitatea termică specifică c p și densitatea ρ. Numărul Fourier este invers proporțional cu pătratul lungimii L și direct proporțional cu timpul. Pentru 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.

Numărul Froude (mecanica, convecția, mecanica fluidelor)

Numărul Froude [Formula 4 (Fig.36)] este important pentru toate mișcările dinamice din câmpul gravitațional. Caracterizează relația dintre forțele inerțiale și forțele gravitaționale (greutate) în funcție de viteza υ, accelerația datorată gravitației g și scara de lungime L. La valori mari ale numărului Froude, efectul gravitației este neglijat, în timp ce la valori mici. valorile numărului Froude, se pot ignora forțele de inerție. Deoarece numărul Froude este invers proporțional cu mărimea lungimii, efectul gravitației scade pe măsură ce dimensiunea scade. Animalele cu adevărat mici și microorganismele folosesc o cadență mai mare decât oamenii sau animalele mari.

Criterii de evaluare a microactuatorilor

Următorii indicatori sunt utilizați pentru a evalua calitatea microactuatoarelor:

• Liniaritate definește liniaritatea semnalului de ieșire în funcție de intrare. Definit ca diferența maximă dintre linia de referință liniară și ieșirea actuatorului. · Exprimat ca procent din recuperarea totală.
• Precizie- cât de exact și reproductibil se realizează activarea dorită.
• Eroare definește diferența dintre deplasarea reală și cea țintă.
• Pentru Rpermisiuni există trei definiții:

1. Cel mai mic pas suportat.
2. Cel mai mic increment de intrare care are ca rezultat detectarea activării.
3. Cel mai mic pas definibil.

• Reproductibilitatea- abaterea semnalului de iesire prin cicluri de lucru
• Histerezis este diferența dintre ieșirea actuatorului Y atunci când Y este recepționat în două direcții opuse.
• Prag- începând de la intrarea zero, cea mai mică creștere inițială a intrării care are ca rezultat detectarea ieșirii actuatorului.
• Inactivmutare- alergare „moartă” după schimbarea direcției („b”).
• Zgomot- fluctuații (modificări aleatorii) ale semnalului de ieșire cu intrare zero.
• În derivă- modificarea semnalului de iesire al actuatorului (cu intrare constanta) in functie de modificarea timpului, temperaturii etc.
• Amplitudine- domeniul de funcționare complet al semnalului de ieșire al actuatorului.
• Sensibilitate- raportul dintre modificarea semnalului de ieșire al actuatorului ΔY și modificarea incrementului semnalului de intrare ΔX.
• Viteză este viteza cu care se modifică semnalul de ieșire al actuatorului.
• Răspuns la pas- o schimbare bruscă a semnalului de ieșire al actuatorului ca răspuns la un semnal de intrare în trepte.
• Variind - despre valoare pentru compararea diferitelor metode de activare: DS= -(dη/dV), unde η - ieșire de energie, V - volum.

Frecare și uzură

Regulile miniaturizării proporționale duc la faptul că, la nivel micro, forțele de suprafață sunt mai importante decât forțele de volum. De aici rezultă că frecarea este foarte importantă pentru microactuatori. În plus, datorită masei lor mici, elementele micromecanice au o forță de inerție redusă, ceea ce duce la o performanță dinamică ridicată și, prin urmare, funcționează adesea la o frecvență și o viteză de operare ridicate.

Pe de o parte, frecarea duce la pierderi, care este cauza deteriorării funcționării elementelor, pe de altă parte, frecarea duce la uzură, care afectează negativ comportamentul funcțional și duce la îmbătrânirea accelerată și, în cele din urmă, la eșecul componenta. Frecarea este un factor cheie care determină nu numai eficiența, ci și durabilitatea. Cu toate acestea, frecarea nu este întotdeauna însoțită de uzură; frecarea fără uzură este posibilă.

Frecarea este un fenomen care afectează stratul de suprafață al materialului și practic nu afectează caracteristicile volumetrice. Acesta este rezultatul interacțiunii zonelor de contact ale suprafețelor. Factorii importanți care afectează cantitatea de frecare sunt condițiile de suprafață, topologia suprafeței și materialele care interacționează. În comparație cu ingineria mecanică tradițională, frecarea solidelor (frecare uscată) apare în microsisteme. Pentru micromotoare, forța de tensiune superficială este atât de mare încât le afectează în mod semnificativ funcționarea. Prin urmare, rulmenții cu frecare uscată sunt utilizați ca lagăre de alunecare, care, totuși, pot fi prevăzute cu pelicule de lubrifiere moleculară pentru a reduce frecarea și uzura. În acest caz, caracteristicile lubrifiantului și suprafața de contact devin factorii principali. Caracteristicile materialelor pentru peliculele lubrifiante de grosime moleculară variază. Trebuie remarcat faptul că, până în prezent, nu există metode general acceptate pentru utilizarea filmelor moleculare cu o grosime de câțiva nanometri. În acest caz, rugozitatea suprafeței este de o importanță mai mare decât grosimea filmului utilizat în microsisteme, care variază de la câteva zeci la câteva sute de nanometri.

Modelul clasic de inginerie al frecării macroscopice are următoarele caracteristici esențiale:

1. Forța de frecare depinde numai de forța normală F N și acționează întotdeauna în direcția opusă direcției de mișcare.
2. Forța de frecare nu depinde de dimensiunea suprafeței de contact.
3. Forța de frecare nu depinde de viteza de alunecare.
4. Forța de frecare statică este întotdeauna mai mare decât forța de frecare în mișcare.
5. Forțele de frecare depind doar de două materiale care alunecă unul peste celălalt.

Următoarea formulă, numită legea Coulomb-Amonton, exprimă aceste relații: F 1 =μF N , unde F 1 și F N sunt componentele tangențiale și normale ale forței și μ este coeficientul cinetic de frecare. Câțiva coeficienți ai frecării de alunecare uscată μ pentru diferite combinații de materiale sunt prezentați în tabel.

Orice suprafață are neregularități și ondulații ale suprafeței, ceea ce duce la faptul că zona de contact reală este formată din puncte de contact individuale. Punctele de contact sau denivelările reprezintă doar o mică parte din suprafața totală, în funcție de sarcină.

Deoarece numai punctele de contact contribuie la generarea forței, efortul la punctele de contact este în mod corespunzător mare și limita de curgere a materialului σ m poate fi atinsă cu forțe relativ mici. În punctele de contact apar deformații elastice și plastice, prin care aria totală de contact A devine direct proporțională cu presiunea și invers proporțională cu limita de curgere, A=p/σ m . În zonele de contact, forțele de interacțiune interatomică acționează între secțiuni adiacente ale substanței, care se opun efortului de forfecare σ s . În acest caz, forțele de frecare sunt transferate numai în zona de contact. Astfel, forța de frecare devine proporțională cu aria de contact reală, iar coeficientul de frecare se găsește prin formula μ=σ s /σ m . Acest model face posibilă explicarea frecării Coulomb, deoarece frecarea devine proporțională cu sarcina și nu depinde de aria aparentă. Suma punctelor zonei aflate in contact real creste odata cu cresterea sarcinii, datorita implicarii unei zone mai mari in interactiunea adeziva prin deformare. Modelul explică, de asemenea, de ce diferite suprafețe ale materialelor au coeficienți de frecare diferiți - suprafețele atomice au legături intermoleculare diferite. Unele aplicații ale acestei idei pot susține concluzia că suprafețele aspre pot avea mai puțină frecare decât cele foarte bine lustruite, deoarece o mare parte din suprafață este în contact. Rolul principal al lubrifiantului este de a menține suprafețele separate.

Uzura care însoțește frecarea poate fi parțial reprezentată în imaginea următoare. În interiorul punctelor de contact se produce o sarcină puternică asupra materialului, ceea ce duce, pe de o parte, la deformații plastice și, pe de altă parte, datorită aderenței punctelor de contact, la formarea de fisuri pe suprafața materialului de contact și , ca urmare, la modificări ireversibile. Uzura este caracterizată de următoarele mecanisme:

• Aderenta (lipire)
• Uzura abraziva (stergere)
• Eroziunea datorată ruperii straturilor de oxid
• Oboseală.

Ca urmare a aderenței, substanța poate fi transferată între punctele de contact și rețeaua cristalină poate fi distorsionată. Forțele de aderență cresc pentru substanțele care au o asemănare reciprocă mai mare de adeziv sau solubilitate chimică, provocând mai multă uzură atunci când suprafețe similare intră în contact decât atunci când sunt diferite. Ideal pentru prevenirea frecării este un material care rezistă la formarea de legături chimice cu multe alte materiale. Această inerție chimică se găsește în unele materiale, cum ar fi teflonul. La nivel atomic, s-a determinat că frecarea uscată este uneori mai mică decât frecarea lichidă, deoarece fluidul asigură un contact real între suprafață și fluid, rezultând o frecare mult mai mare adeziv. Texturarea poate fi folosită în primul rând pentru a reduce adeziunea și frecarea statică, deoarece suprafețele mai neregulate au mai puțină aderență. Texturarea poate oferi, de asemenea, un oarecare ajutor lubrifiantului.

Diferite tipuri de microactuatori

Conversie de energie

Scopul microactivării este de a obține o forță care ar putea produce mișcare mecanică. Prin urmare, diferite principii de achiziție de activare pot fi evaluate în funcție de operabilitatea lor, i.e. posibilități de utilizare a energiei mecanice. În comparație cu conversia energiei electromagnetice care domină ingineria tradițională a motoarelor, microactivarea poate folosi o mare varietate de principii care nu ar avea sens în ceea ce privește funcționalitatea sau costul în tehnologia macro.

Să începem cu o relație fundamentală: o modificare a energiei acumulate a sistemului W este cauza apariției forței F:

[Formula 5 (Fig.36)]

Dacă stocarea energiei se schimbă între două stări W 1 și W 2 , obținem:

[Formula 6 (Fig.36)]

Dacă mai presupunem că una dintre cele două stări de energie este egală cu zero, atunci forța rezultată devine direct proporțională cu energia acumulată: F ~ W.

Din acest motiv, energia stocată și/sau densitatea energiei este de o importanță cheie în evaluarea performanței oricărui actuator. Deoarece orice conversie de energie este asociată cu pierderi, performanța este, de asemenea, proporțională cu eficiența η cu care o formă de energie poate fi convertită în alta. Puterea și performanța sistemului se caracterizează și prin timpul necesar pentru obținerea și utilizarea rezervei de energie. Acest interval de timp poate fi estimat dintr-o constantă de timp care este specifică unui anumit principiu de activare. Decizia care principiu de activare să fie utilizat trebuie luată ținând cont de densitatea de energie realizabilă, rata de schimbare a stării (constanta de timp τ) și eficiența energetică η. În funcție de aceste valori, puterea sistemului poate fi exprimată astfel:

[Formula 7 (Fig.36)]

De remarcat faptul că aprovizionarea cu energie crește odată cu creșterea volumului, deci avem o a treia putere a unei mărimi care caracterizează dimensiunea lui λ, (de exemplu, m 3) și atunci când avem de-a face cu forță, atunci avem o a doua putere. (m 2). Cu toate acestea, deoarece în unele cazuri importante densitatea energetică realizabilă depinde și de mărime, această dependență - a treia putere a cantității care caracterizează dimensiunea - nu este întotdeauna corectă. Pentru microsisteme, acest lucru duce la un fapt atât de important: acele principii de conversie a energiei care nu corespund macrogamei vor deveni atractive pentru utilizare. În general, legătura dintre forță și valoarea care caracterizează mărimea poate fi descrisă prin relația F~λ n . Valorile tipice ale exponentului n pentru diferite principii de conversie a energiei sunt rezumate în tabel.

Principiile enumerate diferă în ceea ce privește densitatea de energie realizabilă, constanta de timp și producția de energie. Aceste rapoarte determină forța realizabilă și densitatea de energie. Densitatea tipică de energie pentru principiile de conversie de bază utilizate astăzi se află în intervalul w=10 5 -10 6 W*s/m 3 . Cu toate acestea, deoarece viteza, exprimată printr-o constantă de timp, diferă foarte mult, densitatea energiei w/ variază într-un interval mai larg, de la 10 -6 -10 0 W/cm3. Actuatoarele hidraulice și pneumatice ating cea mai mare densitate de energie, se poate chiar spune că nu există actuatoare cu densitate de energie mai mare în gama micro. Energia mecanică utilizabilă se obține din produsul densității energetice și eficienței. Eficiența (Eficiența) depinde de principiul acțiunii și mărimii, prin urmare, în microgamă, unele principii de activare au aceleași performanțe.

Actuatoare electrostatice

Pentru un condensator plat, energia acumulată U poate fi calculată prin formula [Formula 8 (Fig. 36)], unde C-capacitatea si V este tensiunea dintre plăcile condensatorului.

Atunci când plăcile unui condensator se deplasează una spre alta, munca efectuată de forța de interacțiune dintre ele poate fi calculată ca o schimbare Uîn funcție de modificarea distanței ( X). Forța se calculează cu formula [Formula 9 (Fig.36)]

Există mai multe opțiuni pentru implementarea actuatoarelor electrostatice bazate pe condensatori plan-paralel:

Totuși, pentru a genera forțe mari care vor efectua munca utilă a unui astfel de dispozitiv, este necesar ca capacitățile să se schimbe foarte mult atunci când se schimbă distanța. Acesta este un ghid de acțiune pentru obținerea de micromotoare electrostatice cu creasta (Fig. 5).

Micromotoare cu pieptene constau dintr-un număr mare de știfturi contra-tijei (Fig. 5). Când se aplică tensiune, apare o forță de interacțiune între pini și aceștia încep să se miște. Creșterea capacității este proporțională cu numărul de pini, astfel încât este necesar un număr mare de pini pentru a genera forțe mari. O problemă potențială a unui astfel de dispozitiv ar fi aceea că, dacă distanța laterală dintre pini nu este aceeași pe ambele părți (sau dacă dispozitivul este rupt), este posibil ca pinii să se miște în unghi drept în direcția corectă și să se conecteze. ei unul către altul. Motoarele cu pieptene sunt deosebit de comune printre dispozitivele obținute prin microprelucrare de suprafață.

Motoare de rulare numite după acțiunea de balansare care stă la baza principiului lor de funcționare. Figura 6(a,b) prezintă proiectarea unui motor de rulare obținut folosind tehnologia de microprelucrare de suprafață. Rotorul este un disc rotund. În timpul funcționării de jos, electrozii amplasați în serie, unul după altul, sunt porniți și opriți. Discul este atras secvenţial de fiecare electrod; marginea discului este în contact cu dielectricul situat deasupra electrozilor. În acest fel, el se rotește încet într-un cerc; făcând o rotație în jurul axei sale printr-o combinație de mai multe schimbări de tensiune pe stator.

Un alt design al motorului de rulare este prezentat în Figura 7. Rotorul, situat în interiorul statorului, formează axa motorului. Câmpul electric oscilează rotorul în interiorul statorului și frecarea rotește rotorul.Pot apărea probleme dacă izolația electrozilor statori se uzează rapid, dacă rotorul se blochează sau se lipește, dacă rotorul și rulmentul nu sunt rotunde.

Problema cu motoarele microprelucrate de suprafață este dimensiunile lor verticale foarte mici, motiv pentru care este atât de dificil să se realizeze o schimbare mare a capacității atunci când rotorul se mișcă. Pentru a depăși aceste probleme, puteți utiliza LIGA tehnologie. Un motor realizat folosind această tehnologie este prezentat în Figura 6(c,d) - aici un rotor cilindric se rotește în jurul unui stator.

1) Avantaje:

• beneficiile reducerii proporționale
• ușurința miniaturizării

2) Dezavantaje

• Pentru majoritatea actuatoarelor electrostatice, particulele de praf și defectele de suprafață pot cauza defecțiuni din cauza golurilor mici de aer.
• tensiune înaltă
• pentru motoare cu rotație, cuplu redus și durată scurtă de viață datorită frecării.

Dispozitive de acționare magnetice

În primul rând, trebuie spus că destul de des microdispozitivele sunt fabricate prin galvanizare folosind nichel (acest lucru este valabil mai ales pentru LIGA tehnologie). Și deoarece nichelul este un material feromagnetic, aceasta a fost cauza principală a apariției actuatoarelor magnetice.

Componenta principală a majorității dispozitivelor de acționare de acest tip este o structură de placă cu peliculă subțire care susține o secțiune electrolitică de permaloy care generează forță mecanică și cuplu atunci când este plasată într-un câmp magnetic. Atât plăcile structurale, cât și grinzile de susținere sunt realizate din pelicule subțiri policristaline. Mecanismul de activare este ilustrat în Figura 8. Când câmpul magnetic extern este zero, placa structurală este paralelă cu planul substratului. Când un câmp magnetic extern H ext este aplicat în mod normal pe planul plăcii structurale, un vector de magnetizare M apare în interiorul secțiunii de permaloy și ulterior interacționează cu H ext. Interacțiunea creează un cuplu (Mmag) și o forță mică care acționează asupra capătului liber al grinzii cantilever în timp ce o determină să se îndoaie.

Când se aplică o polarizare externă, se consideră că un material permaloy are un vector de magnetizare plan-paralel constant cu o mărime egală cu magnetizarea de saturație M sat. Când sunt plasate într-un câmp magnetic extern, sunt generate două componente de forță. Mărimea atât a F 1 (care acționează pe fața superioară) cât și a F 2 (care acționează pe fața inferioară) se calculează după cum urmează:

F 1 = M us × L × T × H 1

F 2 \u003d M us × L × T × H 2,

unde H1 și H2 sunt intensitățile câmpului magnetic de pe fețele superioare și inferioare ale plăcii (în configurația curentă H1< 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

Cuplul tinde întotdeauna să reducă energia totală din sistemul de acţionare prin alinierea vectorului de magnetizare cu liniile de forţă ale câmpului magnetic extern.

În fig. 9 (a-vedere de sus, b-perspectivă).

Un exemplu de microactuator magnetic de alt design este motorul liniar prezentat în Figura 10. Magnetul situat în canal se mișcă înainte și înapoi la comutarea curentului în înfășurări, apoi dintr-o parte a canalului, apoi din cealaltă parte a canalului. canalul.

O problemă comună cu actuatoarele magnetice este aceea că înfășurările sunt bidimensionale (înfășurările tridimensionale sunt foarte greu de realizat la nivel micro). În plus, alegerea materialului magnetic este limitată - sunt selectate doar acele materiale care sunt ușor de prelucrat la nivel micro și se dovedește că materialul magnetic nu este întotdeauna ales optim. În mare parte din această cauză, actuatoarele magnetice consumă multă energie și disipă multă căldură. Trebuie remarcat faptul că pentru fabricarea componentelor microscopice (cu dimensiunea de până la câțiva milimetri), dispozitivele electrostatice sunt de obicei mai profitabile decât cele magnetice, cu toate acestea, la dimensiuni mai mari, dispozitivele magnetice sunt superioare dispozitivelor electrostatice.

Actuatoare piezoelectrice

Teoria actuatoarelor piezoelectrice se bazează pe efectul piezoelectric direct - apariția sarcinilor electrice de diferite semne pe fețele opuse ale unor cristale în timpul deformărilor mecanice ale acestora: compresie, tensiune etc. și efectul piezoelectric invers - constă în deformarea acestora. aceleași cristale sub acțiunea unui câmp electric extern. Formula de bază pentru efect direct:

[Formula 10 (Fig.36)],

pentru invers:

[Formula 11 (Fig.36)],

unde Di este vectorul deplasării electrice, Ej este intensitatea câmpului electric, Ek este deformarea relativă, σk este efortul mecanic. Parametrii principali sunt: ​​dik - coeficienții piezoelectrici, Sik - coeficienții de deformare elastică, coeficienții de permitivitate Eik.

Pe fig. 11 prezintă două exemple simple care demonstrează principiul de funcționare al actuatoarelor piezoelectrice. Pe fig. Al 11-lea strat piezoelectric este depus pe fascicul. Când se aplică stres, grinda se îndoaie. Același principiu poate fi aplicat unei membrane subțiri de siliciu (Fig. 11-b). Dacă se aplică o tensiune, membrana se deformează.

Cele mai populare sunt următoarele modele de piezoelectrice

Microactuatori (Fig. 35).

Actuatoare hidraulice

Microactuatoarele hidraulice au un potențial semnificativ, deoarece pot transfera destul de multă putere de la o sursă externă prin tuburi foarte înguste. Acest fapt poate fi folosit în locuri precum vârful unui cateter, un instrument microchirurgical montat.

Pentru producția de microturbine pot fi utilizate LIGA tehnologie (Fig.12). Această microturbină furnizează energie microuneltei de tăiere.

Caracteristicile microactuatoarelor hidraulice includ faptul că are o dimensiune destul de mare, un nivel ridicat de forțe de ieșire și poate avea frecare extrem de scăzută.

Servomotoare termice

Actuatoarele termice profita atat de dilatarea liniara sau volumetrica a unui lichid sau gaz, cat si de deformarea formei datorata efectului bimetalic, care au loc ca urmare a schimbarilor de temperatura. Luați în considerare un actuator bimetalic. Pe fig. În Figura 13 vedeți un fascicul dintr-un material (siliciu) și un strat dintr-un alt material (aluminiu). Coeficientul lor de dilatare termică este diferit. Când este încălzit, un material se extinde mai repede decât celălalt, iar fasciculul se îndoaie. Încălzirea poate fi produsă prin trecerea unui curent electric prin acest dispozitiv.

Actuatoarele termice pot genera forțe relativ mari, dar nu există un proiect care să facă acest lucru în ceea ce privește eficiența energetică. Rezultatul se îmbunătățește odată cu creșterea diferenței dintre coeficienții de dilatare termică și cu o schimbare mare a temperaturii, cu toate acestea, eficiența atinsă este încă relativ mică. Gazele și lichidele au un coeficient de dilatare termică mult mai mare decât solidele, iar acesta poate fi utilizat în microactuatoarele termopneumatice. Pe fig. 14 prezintă un rezonator cu un lichid în interior, cu o membrană subțire ca perete inferior. Un curent trece prin elementul de încălzire (rezistor). Lichidul se încălzește și începe să se extindă, deformând membrana.

Avantajele microactuatoarelor termice:

1. Design simplu, elementele de lucru sunt o rezistență de încălzire și o structură de film pentru a utiliza efectul bimetalic.
2. Dimensiune potrivită situată în gama micro.
3. Ca elemente active, sunt aplicabile aproape orice materiale, care, pe lângă diverși coeficienți de dilatare, trebuie să aibă o rezistență suficientă. De obicei, încălzitorul este un rezistor de formă sinuoasă care poate fi fabricat cu ușurință folosind tehnologia filmului subțire sau gros.

Defecte:

1. În prezent, elementul de încălzire consumă multă energie pentru ca actuatorul termic să poată dezvolta o forță relativ mare, adică. actuatoarele termice au randament scazut.
2. Elementul de încălzire trebuie răcit pentru a readuce actuatorul în poziția inițială, ceea ce înseamnă că căldura trebuie disipată în mediu. Acest lucru durează în mod natural o anumită perioadă de timp și limitează performanța.

Fabricarea MEMS

Proiectarea microsistemelor

Deoarece proiectarea MEMS este automatizată în aproape toate fazele sale, ne vom concentra pe metodologiile, algoritmii, metodele de descriere și modelare utilizate în proiectarea asistată de computer. Toate cele de mai sus sunt combinate într-un concept încăpător de CAE - Computer Aided Engineering. Caracteristicile specifice și diferențele dintre proiectarea, fabricarea și aplicarea microsistemelor față de implementările tradiționale (macro) provin din dimensiunea acestora.

Tehnologia microsistemelor nu este potrivită pentru producția de prototipuri. Dacă schema de producție pentru producția de masă prin tehnologia lotului este încălcată, atunci aceasta implică costuri suplimentare. Prin urmare, producția de prototipuri trebuie evitată pe cât posibil. Pe lângă costul ridicat al producerii unui prototip, este nevoie de un timp foarte lung pentru a finaliza ciclul de producție. În funcție de complexitate, ciclul durează câteva zile, săptămâni sau chiar șase luni. În același timp, un număr mare de opțiuni de proiectare pot fi testate folosind simulări.

Designul include o responsabilitate de cost ridicat pentru fiecare pas următor din ciclul de viață al unui produs. Într-un ciclu tipic de produs:

• a) planificarea proiectului;
• b) Proiectare;
• c) producţie;
• d) Vânzări;
• e) Serviciu;
• f) eliminarea,

designul are un impact semnificativ asupra costului următorilor pași, deși costul direct al proiectării este relativ mic. De obicei, costurile de proiectare sunt de 10% din costul total, deși este responsabil pentru 70-80% din costul total.

Spre deosebire de sistemele tradiționale, capacitatea de a repara microsisteme și mai ales circuite integrate este foarte limitată. Astfel, scopul principal în dezvoltare este de a avea un sistem complet funcțional în prima implementare. Deși rata tipică de eșec este relativ mare (aproximativ 10%), controlabilitatea sistemului este, de asemenea, o preocupare importantă de proiectare.

Astăzi, microsistemele constau din componente individuale, cum ar fi senzori și actuatoare, care sunt integrate și ambalate cu electronice de control și de calcul. MEMS se disting printr-o varietate de aplicații. Pentru proiectare, se pune întrebarea în ce măsură pașii individuali de proiectare pot fi standardizați și automatizați. Relația dintre sarcinile de proiectare și simulare este prezentată în Fig. 1. cincisprezece.

Nu toți pașii pot fi automatizați în mod egal. În special, proiectarea conceptuală și dezvoltarea principiilor de funcționare, care se bazează pe creativitatea dezvoltatorului și, prin urmare, nu pot fi standardizate. Iar creativitatea poate fi susținută doar într-o mică măsură de mediul de design.

Materiale pentru MEMS

La crearea microsistemelor, de fapt, se disting două grupuri de materiale:

1. Structural (sticlă, monocristalin, policristalin, siliciu poros, dioxid și nitrură de siliciu, poliimidă, wolfram, nichel, cupru, aur, carbon asemănător diamantului) utilizat pentru a forma:

• structuri portante;
• cablarea curentului;
• lubrifianți.

2. „Active smart” (nichel/titan, permalloy, cuarț, oxid de zinc, piezoceramice, materiale din grupa A 3 B 5, A 4 B 6), performante datorită fenomenelor electrostatice, electromecanice, piezoelectrice, magnetice, optice și memoriei formei caracteristicile efectului:

• surse de trafic;
• mecanisme de transmitere a mișcării;
• medii senzoriale și activatoare.

Atunci când se creează microsisteme pentru diverse scopuri funcționale bazate pe compoziții de materiale diferite, ar trebui să se țină cont de următorii parametri:

• compatibilitate cristal-chimică;
• compatibilitate termomecanica;
• stabilitate termică (sarcină termică admisă, ținând cont de temperatura Debye, punctul Curie, iar pentru semiconductori, temperatura de tranziție la o stare în care concentrația propriilor purtători de sarcină este apropiată de impuritate; capacitatea unei substanțe de a degaja energie către mediu datorită conductivității termice, iar la temperaturi ridicate și datorită radiației termice);
• rezistență electrică;
• rezistenta mecanica;
• oboseala mecanica.

Experiența mondială în fabricarea MEMS se bazează pe utilizarea pe scară largă a siliciului, un material ieftin și ușor disponibil. Cu toate acestea, tehnologiile micromecanicei siliciului și procesarea informațiilor pe siliciu (circuite CMOS) nu sunt suficiente pentru dezvoltarea cu succes a MEMS. Prin urmare, sistemele în care, alături de siliciu și alte materiale semiconductoare, sunt utilizați polimeri, ceramică și metale sunt de mare importanță.

În microelectromecanica clasică, axată pe microtehnologiile de bază ale siliciului, în prezent domină structura „siliciu pe dioxid de siliciu”. Ținând cont de faptul că microsistemele sunt compoziții complexe eterogene care necesită o combinație a unui set de materiale diferite și ținând cont de posibilele caracteristici ale funcționării acestora (temperaturi ridicate, medii agresive, radiații), compoziția „carbură de siliciu pe nitrură de aluminiu”. „este de un interes indubitabil ca mediu de bază al științei materialelor”. Această compoziție combină două materiale cu decalaj larg, dintre care unul, nitrură de aluminiu, este un dielectric pronunțat (6,2 eV) și are proprietăți piezoelectrice bune, iar celălalt, carbură de siliciu (3,0 eV), este un semiconductor cu decalaj larg. Ambele materiale sunt optic active, inclusiv cele din regiunea ultravioletă a spectrului, au conductivitate termică ridicată și temperatură Debye, ceea ce caracterizează rezistența materialului la influențe externe (termice, chimice, radiații).

Tehnologii de fabricație MEMS

Pentru fabricarea microsistemelor se utilizează în principal tehnologia batch. Atunci când se utilizează această tehnologie, un număr mare de elemente sunt procesate simultan, iar intervenția manuală fie nu este deloc necesară, fie este nesemnificativă. De exemplu, depunerea de film, litografie optică, galvanizare sau gravare. Multe dintre aceste tehnologii au fost dezvoltate în tehnologie semiconductoare.

Deoarece microsistemele sunt mici, costurile materialelor sunt mici, ceea ce înseamnă că costurile de producție sunt mici, în ciuda faptului că există cerințe speciale pentru puritatea necesară a materialelor. Costul fabricilor de producție este mare. Echipamentele de producție necesită o precizie foarte mare (camera curată, acoperire...). În plus, sunt necesare costuri mari pentru întreținere și control (de exemplu, controlul procesului, controlul acoperirii).

În prezent, există mai multe tehnologii de bază pentru producerea MEMS, care includ, printre altele, microactuatoare.

Microprelucrare de siliciu în vrac.

Microprelucrarea volumetrică cu siliciu este înțeleasă ca tehnologia gravării volumetrice profunde, în care gravarea poate fi fie chimică lichidă anizotropă, fie cu plasmă.

Murarea uscată.

Gravarea uscată este o metodă de îndepărtare cu silicați a suprafețelor nemascate. Caracteristicile procesului sunt că acest proces poate fi combinat cu tehnologia filmului subțire și cu tehnologia CMOS. Profilul de gravare este de asemenea controlat prin gravare fizico-chimică.

Parametrii procesului	Avantaje	Defecte
1. Parametrii plasmatici: compozitia gazelor tensiune de polarizare temperatura substratului densitatea plasmei presiunea procesului	1. Imagine orizontală produsă cu sens.	1. Prelucrarea plăcilor separat.
- SiO termic, - aplicarea de fotorezist - metalizare (Cr, Al).	2.Profil modificabil	2. Creșterea timpului de decapare.
3. Expunere chimică: pe verso (membrane, orificii) - forma geometrică este determinată de modelul măștii, din partea din față (console, canale, închideri)	3.Este posibil să se obțină imagini în relief	3. Fără limitator de etch propriu și definiție a imaginii
4. Gaze de gravare: SF 6 - CBrF 3 la t< 270K SF 6 - O 2 la t< 100 K CHF 3 - O 2 la t< 100 K CHCI3 la t< 270 K.

Gravurare chimică lichidă anizotropă

Acest proces profită de faptul că diferite direcții cristalografice ale cristalului sunt gravate la viteze diferite (lăsând o suprafață cu orientarea 111).

Parametrii procesului	Avantaje	Defecte
1. Orientarea substratului: 111 (canelură în V) 110 (canelură în U, nestandardizat)	1. Proces ușor de producție în lot.	1. Mascare pentru gravare profundă.
2. Mascare cu pelicule subțiri: - termic SiO 2 , - depunerea chimică de vapori la presiune redusă SiO 2 sau Si 3 N 4 - metalizare (Cr) pentru prelucrare termomecanica.		2. Set limitat de imagini primite.
3. Expunere chimică: pe verso (membrane, canale) - forma geometrică este determinată de planurile cristalografice, din partea din față (console, canale) - forma geometrică se determină prin gravare.		3. Probleme cu colțurile exterioare.
4. Procesul de fabricație în vrac este limitat de reacția la suprafață.

Etapele gravării anizotrope chimice lichide sunt prezentate în detaliu în Fig. 16.

1. (100 - substrat)
2. p + dopaj pentru a obține un strat de stopare a gravării
3. depuneri epitaxiale
4. oxidare
5. litografie şi gravare pe SiO 2
6. gravare anizotropă

Microprelucrarea suprafeței de silicon

Caracteristica principală a acestei tehnologii este că este compatibilă cu tehnologia semiconductoare, tehnologia CMOS este folosită pentru microprelucrare.

Parametrii procesului	Avantaje	Defecte
1. Depunere de vapori chimici cu plasmă sau depunere de vapori chimici sub presiune redusă de siliciu policristalin, sticlă fosfor-cuarț.	1. Formă geometrică orizontală derivată în mod semnificativ	1. Raport redus dintre lățimea și lungimea canalului
2. Mascare cu polimeri și pelicule subțiri: - aplicarea de fotorezist - SiO2 termic - depunerea chimică de vapori la presiune redusă SiO 2 sau Si 3 N 4 fosfor-cuarţ.	2. Profil modificabil	Reducerea materialului
3. Oxidare termică uscată și lichidă.	3. Este posibil să primiți structuri gratuite
4. Forma geometrică este determinată prin mascare și gravare.	4. Compatibil cu CMOS.
5. Gravare (uscata si umeda)

Etapele microprelucrării suprafeței cu siliciu sunt prezentate în detaliu în Fig. 17.

1. Depunerea unui strat izolator și a unui substrat de siliciu policristalin.
2. Depunerea primului strat de sacrificiu și formarea modelului inițial.
3. Depunerea de siliciu policristalin și imagistica de model de stator și rotor
4. Desenarea unui model pe primul strat de sacrificiu și pe al 2-lea strat de sacrificiu
5. Gravarea straturilor de sacrificiu și eliberarea rotorului

Tehnologia LIGA

Tehnologia a fost dezvoltată în Germania în urmă cu aproximativ 30 de ani. Abrevierea înseamnă - litografie cu raze X, galvanizare și turnare. Esența procesului constă în utilizarea radiației cu raze X de la sincrotron pentru a obține modele topologice profunde cu pereți puri într-un material polimeric. Radiația sincrotron are un unghi de divergență a fasciculului ultra-mic. Sursa de radiație este electronii de înaltă energie (energie Е>1 GeV) care se deplasează cu viteze relativiste. Adâncimea de penetrare a radiației ajunge la câțiva milimetri. Acest lucru duce la o eficiență ridicată a expunerii la costuri reduse de timp. Etapele tehnologiei LIGA sunt prezentate detaliat în fig. optsprezece.

Tehnologia SIGA

Abrevierea înseamnă - litografie ultravioletă, galvanizare și turnare. Dintre caracteristicile acestui proces, se poate observa că lățimea profilului poate fi controlată și că tehnologia este compatibilă cu tehnologia filmului subțire. Etapele tehnologiei SIGA sunt prezentate detaliat în fig. 19.

Tehnologia modelării fasciculului corpuscular

În prezent, există două direcții de modelare a fasciculului de particule: creșterea stimulată local (depunere sau polimerizare) și gravarea de precizie stimulată local, care se bazează pe impactul asupra mediului sau materialului al unui flux de energie concentrat (lumină, electroni, ioni). grinzi) controlate în timp și spațiu. Tehnologia tradițională pentru formarea unui model tridimensional în sticlă, polimeri și ceramică este prelucrarea unui obiect cu un fascicul laser focalizat ascuțit (microfrezare cu laser).

Acest tip de impact, în funcție de puterea eliberată local (10 5 -10 9 W / cm 2), de durata și ciclul de funcționare al impactului, de capacitatea de absorbție a materialului prelucrat și de difuzivitatea termică a acestuia, permite atât procesele de modificare. materialelor și îndepărtarea prin evaporare. Schimbarea adâncimii de focalizare, împreună cu variația parametrilor specificați anterior, vă permite să treceți de la suprafață la microprocesarea volumetrică a obiectelor.

Recent, în ceea ce privește rezolvarea problemelor de formare a micro-obiectelor tridimensionale, s-au intensificat lucrările în străinătate în domeniul creșterii locale stimulate a structurilor 3D de configurație complexă (arcuri, supape). Există două direcții principale pentru obținerea microobiectelor volumetrice datorită stimulării cu laser:

• depunere de vapori cu laser (LCVD);
• polimerizare fotostimulată.

Se numește ultima opțiune pentru obținerea de micro-obiecte în vrac din polimeri microstereolitografia. Depunerea și polimerizarea se realizează strat cu strat și permit realizarea unei varietăți de obiecte tridimensionale de până la câțiva milimetri în dimensiune cu rezoluție micron.

Avantajele modelării cu laser sunt:

• posibilitatea implementării operațiunilor în sisteme deschise fără vid, ceea ce simplifică poziționarea și deplasarea obiectului;
• capacitatea de a lucra nu numai cu obiecte plate (plane), ci și cu semifabricate de formă complexă, capacitatea de a crea un relief complex.
• capacitatea de a oferi un grad ridicat de automatizare a procesării, flexibilitate a procesului și reglabilitate în timp real;
• capacitatea de a modifica proprietățile materialului, care determină modificarea caracteristicilor fizico-chimice (de exemplu, structura sau compoziția de fază, rezistența mecanică sau solubilitatea).

Dezavantajele metodei de modelare cu laser includ:

Alături de modelarea cu laser, este posibilă utilizarea microprelucrării electronice, ionice și cu plasmă. Cu toate acestea, particularitățile de obținere a focalizării și poziționării acestor tipuri de impact, care permit asigurarea unei rezoluții submicronice, necesită utilizarea sistemelor tehnologice de vid și, de asemenea, creează restricții semnificative asupra adâncimii de procesare în condițiile operațiunilor precise spațial.

Oreion

MUMPs - un acronim pentru Multi-User MEMS Technology - este un program comercial foarte bine cunoscut care oferă designerului acces rentabil la prelucrarea suprafețelor. Acest program, oferit exclusiv de Cronos, este conceput pentru a oferi microprelucrare versatilă unei varietăți de utilizatori care doresc să proiecteze și să producă dispozitive MEMS. A început să fie folosit în decembrie 1992. Se poate spune că acest proces este o rampă de lansare pentru proiectarea și testarea prototipurilor de dispozitive MEMS și accelerarea proceselor de dezvoltare a produselor. MUMPs este un proces de microprelucrare a suprafeței policristaline cu 3 straturi care combină cu succes etapele principale ale proceselor mai simple.

tehnologia fibrelor

Produsele din sticlă cu o secțiune transversală mică sub forma unei anumite microstructuri și tehnologia fabricării lor sunt cunoscute de mult timp (plăci cu microcanal, măști cu raze X din fibră de sticlă, dispozitive cu fibră optică). Esența tehnologiei fibrei de sticlă este sinterizarea unui mănunchi de fibre de sticlă (cav sau solide), care diferă în selectivitate pentru gravare față de solvent, trăgând acest fascicul la dimensiunea transversală necesară, tăind partea alungită a mănunchiului în bucăți și apoi gravarea fibrelor solubile dintr-o bucată. Stivuirea fibrelor într-un mănunchi este realizată în așa fel încât fibrele insolubile să formeze o structură (topologie) a microstructurii fabricate într-o secțiune a fasciculului la o anumită scară.

Deoarece produsele de micromecanică se caracterizează prin prezența găurilor și a suprafețelor de diferite configurații, este necesară selecția materialelor și a geometriei fibrelor. Aceste procese de asamblare și întindere a grinzilor nu sunt banale, dar permit fabricarea pieselor cu dimensiuni minime ale orificiilor transversale de până la 0,2 µm la o înălțime (adâncime, lungime) de la 100 µm la 1 cm.

De remarcat în mod deosebit este posibilitatea de a fabrica piese cu suprafețe elicoidale prin răsucirea unei grinzi alungite în jurul axei sale. Astfel de suprafețe, după cum se știe, sunt tipice pentru șuruburi, angrenaje melcate și angrenaje elicoidale și nu pot fi realizate în principiu folosind tehnologia LlGA.

Tehnologia cu fibre poate fi clasificată ca tehnologie de grup, deoarece același tip de produse sunt replicate în acest caz ca parte a unui singur pachet de fibre.

Aplicația MEMS

Microactuatori biomedicali.

Microactuatoarele sunt utile în biomedicină, atunci când obiectele biologice trebuie controlate la nivel microscopic. În plus, capacitatea de a integra mai multe microactuatoare la fel de ușor ca unul face posibilă producerea de microsisteme complexe capabile să controleze mulți parametri.

Micromanipulatoare.

Pentru a controla celulele, tesuturile si alte obiecte biologice, micromanipulatoarele trebuie controlate prin mecanisme de microactivare capabile sa functioneze intr-o solutie conductoare. Cei mai buni candidați sunt aliajele magnetice, pneumatice, termice și cu memorie de formă. Microactuatorul magnetic prezentat în fig. 20 a fost folosit pentru a controla un protozoar unicelular în soluție salină. Microactuatorul din aliaj cu memorie de formă prezentat în fig. 21 este capabil de cusătura de țesut în procedurile chirurgicale endoscopice. Dispozitivele de a doua generație fabricate din polimeri sunt în prezent testate pe oameni.

Submicromanipulatoare

Angajații Universității Nagoya au realizat pensete și un ac montat pe axe conectate la o bază de susținere folosind microstereolitografia cu doi fotoni ( Ti/laser safir, λ=763nm cu o durată a impulsului de 130fs și o rată de repetiție de 8MHz). Mai întâi, axa fixă ​​și limitatoarele au fost polimerizate prin scanarea circulară a fasciculului laser cu o scădere a planului focal. Apoi, s-a format partea inelară a tijei pensetei, tulpina în sine a fost formată prin creșterea arcelor cu o creștere a razei și, în cele din urmă, vârful submicron a fost un șir de puncte (Fig. 22). Este de remarcat faptul că în timpul procesului de polimerizare, piesele plutesc în rășină, a cărei vâscozitate le menține pe loc. Lungimea vârfurilor pensetei este de 1,8 μm, diametrul este de 250 nm, timpul de creștere a acestora este de 6 min.

Pensele au fost puse in miscare folosind laserul mentionat functionand in modul de generare continua. Autorii subliniază că, spre deosebire de pensetele electrostatice, care se închid rapid la atingerea tensiunii de prag, aici mișcarea piciorului pensei este controlată cu precizie de poziția de focalizare dată de-a lungul întregii traiectorii. Precizia setării poziției pensetei este de ~ 15 nm, iar forța de reținere a pensetei este ajustată prin mișcarea focalizării de-a lungul tijei cu un ordin de femtonewtoni.

Autorii testează fabricarea de micromecanisme cu o mai mare libertate de mișcare cu un singur fascicul focalizat. Orez. 23 a,b arătați o imagine SEM a unui microac cu două grade de libertate și o diagramă a „unității laser” (focalizare 250 nm). Au fost testate două tipuri de mișcare a acului - mișcare liniară la 6,8 μm și rotație la o viteză de 34 rpm. De asemenea, este demonstrată mișcarea unei microparticule într-un lichid și plasarea acesteia pe vârful acului (Fig. 24). Autorii pregătesc o combinație a manipulatoarelor descrise cu sisteme microfluidice polimerice tridimensionale pentru aplicarea lor în bionanotehnologie, de exemplu, în echipamente pentru nanochirurgia celulelor vii și în sisteme de nanoanaliza cu o singură moleculă.

Microinstrumente chirurgicale.

Capacitatea majorității microactuatorilor de a interacționa chirurgical cu țesuturile biologice este împiedicată de incapacitatea lor de a rezista la forțe de ordinul a 1 mN. Cea mai reușită utilizare a microactivării în instrumentele chirurgicale este utilizarea motoarelor pas cu pas de mare putere și a microstructurilor rezonante. Tehnologia MEMS poate fi utilizată pentru a crește versatilitatea instrumentelor chirurgicale (de exemplu, microîncălzitoare, microsenzori, livrare și extracție a fluidului). Un bisturiu controlat de un microactuator piezoelectric este un exemplu inovator de utilizare a tehnologiei MEMS în instrumentele chirurgicale (Fig. 25). Motorul pas cu pas piezoelectric permite controlul precis al poziției bisturiului. Folosind capacitatea de a măsura stresul experimentat de bisturiu în timpul tăierii, forța reală de tăiere poate fi cuantificată și controlată. Un instrument de tăiere cu ultrasunete realizat prin microprelucrare volumetrică este un alt exemplu bun de utilizare a tehnologiei MEMS pentru aplicații în instrumentele chirurgicale. Un material piezoelectric este atașat la instrumentul de tăiere pentru a rezona vârful dispozitivului la o frecvență ultrasonică. Numai când dispozitivul este acționat, acesta va tăia rapid și ușor chiar și țesuturile dure (de exemplu, cristalinul înghețat al unui pacient cu cataractă). Dispozitivul prezentat în fig. 26 include un microcanal încorporat prin care lichidul și resturile chirurgicale pot fi îndepărtate în timpul tăierii.

Microacele

Reducerea durerii cauzate de intepatura cu ac este importanta pentru fobia pacientului fata de procedura si pentru sanatatea acestuia. Acest lucru este important în special pentru pacienții diabetici care injectează insulină cel puțin o dată pe zi. Nu este de mirare că cele mai mici ace sunt acum destinate utilizării de către diabetici (Fig. 27 - stânga). Tehnologia de microprelucrare și MEMS a fost utilizată pentru a produce microacele de siliciu care sunt mult mai ascuțite decât acele existente (Fig. 27 - dreapta).

Microfiltre

Procesul utilizat pentru producerea filtrelor convenționale capabile să selecteze obiecte la nivel micro nu este aplicabil din cauza variației statice mari a dimensiunii obiectelor care pot trece prin filtru. Tehnologia de micromachining și MEMS este utilizată pentru a crea filtre care sunt procesate cu acuratețe și uniform și în care dispersia statistică a obiectelor care trec este redusă semnificativ (Fig. 28).

microvalve

Au fost fabricate mai multe tipuri diferite de microvalve, inclusiv supape convenționale de deschidere și închidere pentru controlul gazelor sau lichidelor. Liderul în comercializarea microvalvelor este Redwood Microsystem. Au dezvoltat multe valve diferite, dar fiecare are multe caracteristici generale. În primul rând, mecanismul de activare utilizat în fiecare supapă este același - o cantitate mică de lichid inert este încălzită de un rezistor încorporat până când se produce o schimbare de fază, ceea ce va provoca o forță destul de mare (Fig. 29). În timp ce procesul de microfabricare care captează cu acuratețe lichidul în interiorul unui microshell este departe de a fi banal, astfel de microvalve pot fi comercializate. Performanța microvalvelor se compară favorabil cu cea a electrovalvelor macroscopice. În special, micro supapele funcționează în general mai rapid și au o durată de viață mai lungă decât macrovalvele. TiNi, HP și NovaSensor și-au dezvoltat, de asemenea, propriile microvalve. Deoarece microvalvele sunt de obicei controlate de actuatoare termice, consumul lor de putere este încă destul de mare (0,1-2,0 W). Trebuie avut grijă pentru a preveni ca supapa să depășească temperatura permisă de comenzile pentru gaz și lichid.

Micropompe

Pentru controlul micropompelor se folosesc următoarele tipuri de microactivare: electrică, magnetică și piezoelectrică. Primul exemplu este un mecanism de pompă miniaturizat, care constă din micromecanisme realizate folosind tehnologia LIGA, care sunt antrenate de forța magnetică. Este comercializat de MEMStek Products. Al doilea exemplu este o pompă electrică controlată electrostatic, obținută prin legarea mai multor substraturi volumetrice de siliciu microprelucrate împreună. Procesul de conectare creează o cavitate a pompei cu o diafragmă deformabilă și două supape de reținere cu un singur sens (fig. 30).

Un grup de la Universitatea din California a prezentat recent magnetic un micromotor care rotește un rotor liber într-o soluție cu ajutorul unui stator situat în afara lichidului și format din trei microsonde moi magnetic cu înfășurări (Fig. 31). Viteza rotorului a fost obținută până la 250 rpm, limitată de rata de comutare a canalelor de către computer. Viteza poate fi mult mai mare ca urmare a masei mici și a momentului de inerție a rotorului, precum și a inductanței scăzute a ansamblului sondei.

Rețea universală sensibilă - „Praf inteligent”

S-a lansat Agenția de Proiecte de Cercetare Avansată a Apărării program nou„Praf inteligent”, care vizează crearea de dispozitive minuscule care pot genera energie, simți (o mare varietate de senzori) și pot comunica între ele și cu lumea exterioară. Combinate, vor trebui să formeze o rețea sensibilă universală. Pe fig. 32 prezintă microcircuite similare cu care vor fi folosite pentru a crea praf inteligent.

Multe particule de praf „inteligente” se pot depune imperceptibil pe obiect, interacționează între ele și transmit informații despre starea obiectului către panoul de control central.

Nanobot cu un ban

Și un alt proiect american promițător folosind tehnologii de microsistem: un grup de cercetare implicat în crearea de dispozitive electronice și nanoroboți anunță crearea de nanoroboți de mărimea unei monede (Fig. 33, 34) (terminologia autorilor, ar fi mai corect). pentru a numi acest dispozitiv microrobot, sau chiar minirobot) care sunt capabili să producă zece mii de mișcări pe minut. Proiectul se numește NanoWalker și este dezvoltat la Laboratorul de Biotehnologie de la Institutul de Tehnologie din Massachusetts. În primul rând și caracteristica principală dintre acești nanoroboți constă în faptul că aceștia sunt acum capabili să se miște autonom - adică „a alerga și a repara” fără fire. A doua caracteristică este viteza de mișcare a roboților. Majoritatea nanoroboților existenți sunt departe de a fi perfecți: nu numai că trebuie să lucreze acolo unde sunt așezați, dar dacă se mișcă, o fac extrem de încet - o mișcare pe secundă dimensiuni). Noua generație este capabilă să se miște în trei planuri și suficient de rapid. A treia caracteristică a roboților este complexitatea manipulărilor: roboții primitivi pot efectua mișcările unui încărcător - l-au luat într-un loc și l-au pus în altul. Roboții din Massachusetts pot îndeplini sarcini complexe care necesită mai mult decât efort mecanic.

În concluzie, se poate observa încă o dată că sistemele microelectromecanice vor asigura că tehnologia atinge un nou nivel și, aparent, își va ocupa ferm locul în viața noastră în viitorul apropiat.

Bibliografie :

1. Ingineria microsistemelor (Prof. Dr.-Ing. Kasper), http://www.tu-harburg.de/mst/deutsch/lehre/mikrosystemtechnik/mst_eng.shtml
2. Introducere în sistemele microelectromecanice, http://www-ee.uta.edu/Online/cbutler/MEMSWebpage/
3. prest.isssph.kiae.ru
4. Latsapnev E., Yashin K.D., www.micromachine.narod.ru
5. Jurnalul „Tehnologia microsistemului”, www.microsystems.ru
6. Laboratorul de Cercetare de Microtehnologii și MEMS, Universitatea de Stat din Sankt Petersburg, 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., „SISTEME NANO-ȘI MICROELECTROMECANICE - Fundamentele Nano- și Microingineriei”, CRC Press

Alexei Borzenko

Multe dintre inovațiile existente nu își folosesc întregul potențial până când pe piață apar dezvoltări fundamentale noi. Deci, una dintre tehnologiile cheie până în 2012, compania analitică Gartner numește tehnologia sistemelor microelectromecanice - MEMS (Micro-Electro Mechanical Systems). Conform celor mai recente prognoze In-Stat/MDR, piața MEMS crește cu 13,2% în fiecare an. Apropo, această ramură a industriei IT din Japonia se numește micromașini (Micromachines), iar în Europa - tehnologii de microsistem (Micro System Technology). Potrivit analiștilor de la Gartner, sistemele microelectromecanice vor permite cu cost minim crește sensibilitatea și răspunsul mecanic al dispozitivelor la nivelul cristalului.

Se poate spune că MEMS este un set de microdispozitive cu cel mai divers design și scop, în producția cărora se folosesc metode tehnologice modificate de microelectronice. Într-adevăr, sistemele microelectromecanice sunt obținute prin combinarea elementelor mecanice, senzorilor și electronicii pe o bază comună de siliciu prin tehnologii de microfabricare. Toate elementele pot fi implementate ca un singur produs și în zeci sau sute deodată, ca microcircuite pe o placă de siliciu. Aceasta se bazează pe o tehnologie tradițională dovedită pentru producția de circuite integrate semiconductoare. MEMS sunt deja folosite în aplicații de nișă, cum ar fi filtrele pasive de trecere înaltă în wireless și comunicare celulară, sisteme de oglinzi mobile pentru proiectoare multimedia, microfoane. Numărul acestor nișe și dimensiunea lor crește în funcție de nevoile pieței.

În istoria dezvoltării tehnologiei MEMS, conform experților moderni de top, au fost deja trecute patru etape. La prima etapă scurtă - cercetare (de la mijlocul anilor '50 până la începutul anilor '60 ai secolului trecut), principalele eforturi în conturarea imaginii viitoarei tehnologii au fost făcute de ambele divizii științifice ale marilor companii (în primul rând celebrele Laboratoare Bell). ), iar companiile industriale înseși și academicul știința. Specificul acestei perioade constă în faptul că atenția principală a fost acordată tehnologiilor cu dublă utilizare care au fost solicitate în timpul Războiului Rece, în primul rând crearea de senzori precisi și ieftini de diferite tipuri (proiectarea unor avioane de luptă cu reacție promițătoare, de exemplu, a necesitat un număr semnificativ de experimente) potrivite pentru producția de masă. Nu este de mirare că a doua etapă a dezvoltării tehnologiei este asociată exclusiv cu puternice companii industriale (mai precis, militar-industriale): giganți precum Fairchild, Westinghouse, Honeywell s-au grăbit să comercializeze primele dezvoltări experimentale. Comercializarea a durat destul de mult și abia la începutul anilor '70 știința academică a început să primească finanțare direcționată din partea industriei pentru a rezolva problemele reducerii costurilor și extinderii domeniului de aplicare a dispozitivelor MEMS. Zece ani mai târziu, această etapă a fost depășită și ea - și a venit vremea producției de micromașini. Se poate considera ca de la sfarsitul anilor '90 ai secolului trecut a inceput epoca micromecanica.

Mulți experți, inclusiv una dintre firmele de top în acest domeniu, Integrated Sensing Systems (http://www.mems-issys.com), cred că tehnologia MEMS aduce schimbări literalmente revoluționare în fiecare aplicație, combinând microelectronica bazată pe siliciu cu tehnologia micromecanică. , care vă permite să implementați un sistem pe un singur cip SoC (Systems-on-a-Chip). Astfel, tehnologia MEMS a dat un nou impuls dezvoltării sistemelor de navigație inerțială și sistemelor integrate, deschizând calea dezvoltării de produse „inteligente”, mărind capacitățile de calcul ale microsenzorilor și extinzând posibilitățile de proiectare ale unor astfel de sisteme.

Astăzi, dispozitivele MEMS sunt folosite aproape peste tot. Acestea pot fi piese miniaturale (supape hidraulice și pneumatice, duze cu jet de imprimantă, arcuri pentru agățarea capului hard diskului), microunelte (bisturii și pensete pentru lucrul cu obiecte de dimensiuni micron), micromașini (motoare, pompe, turbine de dimensiunea unui bob de mazăre). ), microroboți, microsenzori și dispozitive executive, microlaboratoare analitice (pe un singur cip) etc.

Noțiuni de bază

În general, un microsistem presupune integrarea unui număr de tehnologii diferite (MEMS, CMOS, optice, hidraulice etc.) într-un singur modul. De exemplu, tehnologiile de fabricație pentru dispozitive MEMS pentru aplicații cu microunde (inductoare, varactoare, întrerupătoare, rezonatoare) implică cicluri tradiționale de fabricare a circuitelor integrate adaptate pentru a crea structuri mecanice tridimensionale (de exemplu, microprelucrare volumetrică, microprelucrare de suprafață și așa-numita LIGA). tehnologie). ).

Microprelucrarea în vrac cu siliciu include tehnologia de gravare în vrac adânc. Cu acest proces, se obține o structură în vrac în interiorul substratului datorită proprietăților sale anizotrope, adică rate diferite de gravare a cristalelor în funcție de direcția axelor cristalografice. O structură tridimensională se poate obține și prin metoda creșterii, atunci când mai multe substraturi sunt topite și formează legături verticale la nivel atomic.

În timpul microprelucrării de suprafață, se formează o structură tridimensională datorită aplicării succesive a principalelor pelicule subțiri și îndepărtării straturilor auxiliare în conformitate cu topologia necesară. Avantajul acestei tehnologii este posibilitatea de îndepărtare (dizolvare) repetată a straturilor auxiliare fără a deteriora interconexiunile straturilor de bază. Și principala sa caracteristică este că este compatibil cu tehnologia semiconductoare, deoarece tehnologia CMOS convențională este utilizată pentru microprelucrare.

Denumirea tehnologiei LIGA provine de la abrevierea germană Roentgen Lithography Galvanik Abformung, care înseamnă o combinație de litografie cu raze X, galvanizare și presare (mulare). Aici, un strat fotorezistiv gros este expus la razele X (flare), urmat de depunerea galvanică a structurilor 3D de profil înalt. Esența procesului constă în utilizarea radiației cu raze X de la sincrotron pentru a obține modele topologice profunde cu pereți puri într-un material polimeric. Radiația sincrotron are un unghi de divergență a fasciculului ultra-mic. Sursa de radiație sunt electronii de înaltă energie (cu o energie mai mare de 1 GeV) care se deplasează la viteze relativiste. Adâncimea de penetrare a radiației ajunge la câțiva milimetri. Acest lucru duce la o eficiență ridicată a expunerii la costuri reduse de timp. Se crede că această tehnologie oferă cel mai bun raport dintre lățimea canalului reproductibil și lungimea acestuia (cu dimensiuni minime).

Cea mai importantă componentă a majorității MEMS este microactuatorul (Fig. 1). De obicei acest aparat transformă energia în mișcare controlată. Dimensiunile microactuatoarelor pot varia destul de mult. Gama de aplicare a acestor dispozitive este extrem de largă și este în continuă creștere. Astfel, microactuatoarele sunt utilizate în robotică, în dispozitive de control, în industria spațială, în biomedicină, dozimetrie, în instrumente de măsură, în tehnologia divertismentului, în industria auto și în gospodărie. De exemplu, microactuatoarele sunt necesare pentru a controla senzorii de rezonanță (aceștia generează și le transmit o frecvență de rezonanță), pentru a controla sculele de tăiere în microchirurgie. Pot fi, de asemenea, diverse micromotoare care sunt folosite pentru a controla microrelee, microoglinzi și microcleme. Un microactuator poate fi chiar un dispozitiv cu microelectrod pentru excitarea țesuturilor musculare în protezele neurologice.

Orez. 1. Microactuator în MEMS.

Toate metodele de activare (mișcare, deformare, acționare) în astfel de dispozitive pot fi rezumate pe scurt după cum urmează: electrostatic, magnetic, piezoelectric, hidraulic și termic. Atunci când se evaluează utilizarea unei anumite metode, se aplică adesea legile reducerii proporționale a dimensiunii. Cele mai promițătoare metode sunt piezoelectrice și hidraulice, deși altele sunt de mare importanță. Activarea electrostatică este utilizată în aproximativ o treime dintre microactuatori și este probabil cea mai comună și bine stabilită metodă; Principalele sale dezavantaje sunt uzura. Microactuatoarele magnetice necesită de obicei un curent electric relativ mare, tot la nivel microscopic. Când se utilizează metode de activare electrostatică, semnalul de ieșire rezultat este mai bun pe unitate de dimensiune decât atunci când se utilizează metode magnetice. Cu alte cuvinte, pentru aceeași dimensiune, un dispozitiv electrostatic produce un semnal de ieșire puțin mai bun. De asemenea, microactuatoarele termice consumă o cantitate relativ mare de energie electrică; principalul lor dezavantaj este că căldura generată trebuie disipată.

Pentru evaluarea microactuatoarelor se folosesc criterii de calitate precum liniaritatea, acuratețea, eroarea, repetabilitatea, rezoluția, histerezisul, valoarea pragului, reacția, zgomotul, deplasarea, capacitatea de transport, amplitudinea, sensibilitatea, viteza, răspunsul tranzitoriu, scalabilitatea, eficiența energetică.

Senzori și microactuatori

De fapt, a fost nevoie de mai bine de 30 de ani pentru a apărea prima aplicație comercială MEMS. Una dintre primele tehnologii MEMS care s-a răspândit pe scară largă au fost senzorii de accelerație (accelerometre), care sunt acum instalați în aproape toate mașinile moderne pentru detectarea coliziunilor și eliberarea airbag-urilor de protecție (SRS). Cunoscuta Analog Devices Corporation (http://www.analog.com), care a fabricat primii astfel de senzori în 1993, vinde acum zeci de milioane de așa-numitele accelerometre iMEMS producătorilor de automobile pe an.

Un accelerometru MEMS modern obișnuit constă din știfturi de blocare care se mișcă și se blochează alternativ. Modificarea accelerației se reflectă în capacitatea structurii, care este ușor de măsurat. Elementele pot fi amplasate ca niște creste în cazul accelerometrelor liniare sau ca butuc de roată în cazul unui accelerometru rotativ. Accelerometrele rotative pot contribui la îmbunătățirea capacităților sistemelor de frânare antiblocare (ABS) ale unui vehicul, deoarece pot detecta mișcarea reală a vehiculului, nu doar blocarea roților.

Accelerometrele airbag sunt considerate unul dintre cele mai bune exemple Senzori MEMS care oferă producătorilor de automobile beneficii atât de cost, cât și de performanță. Vine momentul în care același lucru se poate spune și despre monitoarele de presiune în anvelope care sunt acum integrate în modelele produse în serie, ca răspuns la legea siguranței. Cu toate acestea, există un alt domeniu în care MEMS poate contribui la introducerea electronicelor în mașină - este protecția împotriva impacturilor laterale în caz de accident. Experții cred că ar putea aduce o contribuție mare la vânzările de MEMS dacă guvernul SUA adoptă standarde mai stricte pentru protecția împotriva impactului lateral în caz de accident. Experții de la NHTSA Traffic Safety Agency consideră că astfel de măsuri vor salva până la o mie de vieți pe an.

În depozit pentru hard disk-uri accelerometrele rotative pot fi folosite pentru a detecta mișcările de rotație care afectează poziționarea capului și pot duce la pierderea urmărilor. Compensarea mișcărilor de rotație este de obicei utilizată în modelele scumpe de unități de disc, deoarece cu puțin mai mult timp petrecut pentru citire și scriere, este nevoie de mult mai puțin timp pentru a restabili poziția capului după un impact.

Laboratoarele Naționale Sandia au dezvoltat un design de senzor care poate detecta mișcarea de până la 1 nm (Figura 2). Partea principală a dispozitivului este o grilă formată din doi piepteni suprapusi (dimensiune transversală 50 µm): unul este fix, celălalt este atașat de un arc. Distanța dintre dinții pieptenelor este între 600 și 900 nm, ceea ce este comparabil cu lungimea de undă a luminii vizibile. Chiar și cu o mișcare ușoară a dispozitivului, pieptenul mobil oscilează, extinzând sau îngustând grătarul format prin intersectarea dinților. Schimbarea golurilor rețelei îi afectează proprietățile optice, iar fasciculul laser, reflectat de dinții suprapusi, va fi vizibil luminos sau slab. Se consideră posibilă utilizarea unui astfel de detector ca bază a unui dispozitiv de navigație care poate funcționa independent de rețeaua de satelit a sistemului de poziționare globală.

Orez. 2. Senzor MEMS.

În mod tradițional, sistemele de poziționare bazate pe mișcare suferă de acumularea de mici erori. În timp, aceste erori pot duce la citiri care deviază cu mile de la poziția reală. Blocarea pozițională, care este caracteristică instrumentului Sandia, asigură o degradare mult mai lentă a caracteristicilor. În plus, dispozitivul poate funcționa sub apă și într-un tunel în care semnalul GPS nu trece. În prezent, se lucrează la crearea unei versiuni portabile a dispozitivului, astfel încât acesta să poată fi transferat altor cercetători pentru experimente. Un dispozitiv bazat pe acest design poate intra pe piață în trei până la cinci ani.

Cel mai mic senzor Anul trecut, Institutul Național de Standarde și Tehnologie din SUA a anunțat crearea unui senzor magnetic miniatural care poate detecta modificări ale câmpului magnetic de ordinul a 50 pT (de milioane de ori mai slab decât câmpul magnetic al Pământului). Un dispozitiv de dimensiunea unui bob de orez este de aproximativ 100 de ori mai mic decât senzorii moderni cu sensibilitate similară. Noul senzor magnetic poate fi fabricat și asamblat folosind microelectronica și tehnologiile MEMS existente. Noul magnetometru este capabil să detecteze arme ascunse la o distanță de 12 m sau o țeavă de oțel cu diametrul de 150 mm subteran la o adâncime de 35 m. Senzorul funcționează pe principiul detectării modificărilor subtile ale nivelurilor de energie electronică într-un câmp magnetic. Un element miniatural de rubidiu este încălzit într-o celulă transparentă sigilată până când se formează vapori de rubidiu. Un fascicul laser semiconductor este trecut printr-un vapor atomic. În prezența unui câmp magnetic, o parte din radiația laser este absorbită de atomi și aceasta este detectată de o fotocelulă. Câmpurile magnetice mari provoacă modificări proporționale mari ale nivelurilor de energie atomică și modifică absorbția atomului.

Microactuatoarele, care funcționează pe baza efectului invers (tensiunea aplicată provoacă mișcări mici ale structurilor de siliciu), sunt acum utilizate, de exemplu, pentru reglarea fină a capetelor magnetice. Aceștia din urmă sunt de obicei responsabili pentru detectarea semnalelor în dispozitivele de stocare pornite discuri magnetice. Acest lucru crește semnificativ densitatea informațiilor „track per inch” sau tpi (track per inch) și, prin urmare, capacitatea unității în sine.

Există, de asemenea, o serie de produse MEMS de succes, cum ar fi capete de imprimantă cu micro jet de cerneală, giroscoape și senzori de presiune, care sunt furnizate de sute de milioane industriilor medicale și auto. Să numim, de asemenea, proiectoare digitale de înaltă rezoluție construite pe baza rețelelor MEMS de microoglinzi. În ultimii ani, s-a obținut un succes notabil în fabricarea de motoare, pompe și cleme, senzori de presiune și deplasare - o varietate de unități mecanice de diverse scopuri, atât de mici încât nu sunt vizibile cu ochiul liber. Dar mai întâi lucrurile.

Nanosenzori în spațiu Într-un proiect comun între NASA și Aerospace Corporation, se plănuiește crearea unei „cutii negre” în care vor fi folosiți nanosenzori cu cântărirea de câteva grame. Dispozitive similare va servi la colectarea datelor despre intrarea obiectelor spațiale în atmosfera Pământului din spațiu. După ce a trecut printr-o secțiune periculoasă de mare viteză și a intrat în straturile dense ale atmosferei, cutia neagră va „chema acasă” și va transmite date folosind satelit înainte de a ateriza pe uscat sau pe suprafața apei. Prin comparație, Industrial Aircraft Rigid Black Box (REBR) cântărește aproximativ 2,2 lire sterline. NASA este programată să testeze REBR în toamna lui 2006 la bordul unei rachete Delta II nereturnabile. Dacă testele au succes, se plănuiește utilizarea nanotehnologiei în expedițiile pe Lună și Marte. Nanosenzorii ar putea fi ambalați în sfere mici pentru a fi utilizați pe nava spațială Crew Exploration Vehicle (CEV) care este dezvoltată pentru a înlocui naveta. După cum a anunțat președintele Bush, un zbor demonstrativ CEV va avea loc în 2008 și un zbor cu echipaj în 2014. Nanotehnologia poate servi la îndeplinirea funcțiilor de control la bord. Sondele pot fi folosite ca dispozitive de recunoaștere care selectează locurile de aterizare pentru o navă spațială sau pentru a orienta o navă spațială pe un teritoriu necunoscut. Semnalele radio de la nanosonde vor informa echipajul unde se află. Nanotehnologia poate juca, de asemenea, un rol în zborurile de „aerocaptură” sau reintrarea în atmosfere nefamiliare. În tehnica de aerocaptură, atmosfera planetară este folosită pentru a schimba viteza navei. Nava spațială face un „salt” adânc în atmosferă pentru a stabili o orbită fără a utiliza propulsor. Această metodă ar reduce masa tipică a unei nave spațiale interplanetare la jumătate, permițând utilizarea vehiculelor mai mici și mai puțin costisitoare. Sonda de recunoaștere se poate deplasa înaintea navei și poate furniza date despre presiunea atmosferică și densitatea, determinând un coridor de zbor cu o poziție stabilă a navei și reducând riscul unei misiuni de captare a aerului.

DMD pentru DLP

Tehnologia digitală de procesare a luminii care stă la baza oricărui proiector DLP (Digital Light Processing) se bazează pe dezvoltările Texas Instruments Corporation (http://www.ti.com), care a creat un nou tip de imager bazat pe MEMS. În 1987, DMD (Digital Micromirror Device) inventat de Larry J. Hornbeck a finalizat zeci de ani de cercetare Texas Instruments în dispozitivele de oglindă deformabile micromecanice. Esența descoperirii a fost respingerea oglinzilor flexibile în favoarea unei matrice de oglinzi rigide cu doar două poziții stabile. Cristalul DMD este o matrice de înaltă precizie care funcționează transformare digitală lumina (Fig. 3).

Orez. 3. Dezvoltare modernă Matrice DMD.

Un cip DMD este în esență un cip semiconductor cu statică memorie cu acces aleator(SRAM), fiecare celulă a cărei celulă (mai precis, conținutul său) determină poziția uneia dintre numeroasele (de la câteva sute de mii la un milion sau mai multe) microoglinzi de dimensiuni 16x16 microni plasate pe suprafața substratului. La fel ca o celulă de memorie de control, o microoglindă are două stări care diferă în direcția de rotație a planului oglinzii în jurul unei axe care trece de-a lungul diagonalei oglinzii.

O serie de oglinzi microscopice formează un fascicul, fiecare astfel de oglindă corespunzând unui pixel de lumină din imaginea proiectată. Combinate cu un semnal digital, o sursă de lumină și o lentilă de proiecție, aceste oglinzi oferă cel mai mult calitate superioară redare video și grafică.

Memorie electromecanica

Astăzi, este greu să ne amintim câte idei diferite au existat despre ce să folosești pentru dispozitivele de stocare. Iar compania Cavendish Kinetics (http://www.cavendish-kinetics.com) a propus o altă abordare a creării de dispozitive de stocare nevolatile. Abordarea ei se bazează pe sisteme mecanice microelectronice cu capacitatea de a se integra în procesele CMOS. Memoria Cavendish Kinetics este disponibilă în două versiuni, scrisă o singură dată și reinscriptabilă.

Compania crede că tehnologia sa, numită Nanomech, are cel mai mic consum de energie dintre tipurile de memorie încorporată și este comparabilă ca viteză cu memoria flash. Denumirea Nanomech ilustrează principiul său de funcționare (Fig. 4). Celula de memorie este o placă conductoare (metală) - un cantilever (actuator microelectromecanic) fixat deasupra contactului. Dacă se creează o diferență de potențial între electrodul de contact și placă, placa se va îndoi și atinge contactul, rezultând în rezistență electrică scade la aproape zero. În mod curios, acest efect are histerezis, deoarece după atingerea plăcii de contact, apare „lipirea” - este nevoie de energie suplimentară pentru a rupe contactul. Astfel, este posibil să se creeze o memorie de tip ROM în care ceva poate fi scris o singură dată. Pentru rescrierea deasupra plăcii, este suficient să puneți un electrod suplimentar, prin aplicarea unui potențial la care puteți deschide contactul.

Prototipurile actuale au fost construite folosind tehnologia CMOS cu un cod de proiectare de 0,35 microni, dar compania susține că astfel de celule de memorie pot fi construite respectând codul de proiectare de 45 nm. Avantajele noului tip de memorie includ faptul că nu există curent în modul de așteptare, iar pentru înregistrare este necesar să consumați energie mecanică de doar 25 pJ. Dispozitivul rămâne operațional chiar și la o temperatură de 200 de grade, în timp ce numărul de cicluri de scriere-rescriere poate ajunge la 20 de milioane.

La CeBIT"2005, IBM a demonstrat o unitate care oferă o densitate a datelor de peste 19,2 GB pe 1 cm2. Experții spun că acest prototip de sistem MEMS microelectromecanic este capabil să înregistreze informații aproximativ echivalente cu capacitatea a 25 de DVD-uri pe o zonă de dimensiunea unui timbru poștal.Angajații IBM și-au numit cu afecțiune dispozitivul Millipede („centipede”), deoarece are mii de vârfuri foarte mici de siliciu care pot „coase” un model de bucăți individuale într-o peliculă subțire de polimer (Fig. 5).

Orez. 5. Memorie MEMS Millipede.

În general, tehnologia centipede a fost propusă în urmă cu câțiva ani de laureatul Nobel Gerd Binnig, autorul microscopului de scanare tunel și angajat al Institutului de Cercetare IBM. El a atras atenția asupra capacității unui microscop de a forma gropi nanometrice în polimeri, a căror prezență în anumite puncte dintr-o substanță poate fi interpretată ca o valoare de un singur bit. Binnig, încercând să-și adapteze descoperirea la nevoile industriei, a învățat cum să scaneze simultan multe dintre aceste gropi. Astfel, principiul de funcționare al Millipede amintește tuturor de binecunoscutele cărți perforate. Elementul cheie al noii tehnologii este o serie de suporturi de siliciu în formă de V (console), la capătul fiecăruia dintre ele se află un ac microni în miniatură. Datele sunt scrise pe suport, care este un strat foarte subțire de material polimeric pe un substrat de siliciu. Vârful fiecărui suport V cu un ac plasat simultan servește ca zonă de rezistență sporită. Când un impuls de curent electric este trecut prin el, acul se încălzește până la o temperatură care depășește punctul de topire al polimerului și „topește” o pâlnie cu diametrul de aproximativ 10 nm în purtător. Când curentul este întrerupt, acul se răcește și polimerul se întărește. Pentru a citi datele, se măsoară rezistența „părții de lucru” a suportului. În acest caz, acul este de asemenea încălzit, dar numai la o temperatură mai scăzută la care polimerul utilizat în purtător nu este încă înmuiat. Suprafața purtătorului este scanată, iar atunci când acul intră în pâlnie, intensitatea eliminării căldurii din acesta crește brusc, temperatura scade, ca urmare, rezistența se modifică brusc, datorită căreia se fixează un pic de informație.

Posibilitatea înregistrării multiple este oferită de particularitățile proprietăților vâscoelastice ale sistemelor polimerice. Faptul este că în regiunea pâlniei, polimerul se află în așa-numita stare metastabilă, din care poate fi îndepărtat printr-o influență externă, de exemplu, folosind aceeași încălzire la o anumită temperatură. Acest lucru se face prin trecerea unui ac încălzit peste pâlnie, după care aceasta din urmă dispare, adică datele sunt șterse. Potrivit experților IBM, până în prezent au reușit să obțină o durabilitate media de peste 100.000 de cicluri de rescriere.

Matricea de vârfuri a Millipede este controlată de circuite electronice multiplexate în timp, similar cipurilor DRAM. Mișcarea suportului de-a lungul matricei și poziționarea precisă a acestuia sunt asigurate de o unitate electromagnetică. IBM susține că Millipede este potrivit pentru dispozitive mobile R: camere digitale, telefoane mobile și carduri USB. Cu toate acestea, deocamdată vorbim doar despre o mostră de laborator, iar înainte de a intra pe piață, Millipede se va coace în doi ani, nu mai devreme.

După cum notează NanoMarkets, o companie de analiză, în raportul său privind piața de memorie, segmentul memorie non volatila până în 2011 va fi estimată la 65,7 miliarde de dolari.Totodată, compania a inclus MRAM, FRAM, memorie holografică, precum și MEMS-dezvoltări realizate folosind noile tehnologii în conceptul de „memorie non-volatilă”. Experții estimează că cotele de piață ale tipurilor de memorie nevolatile, denumite în sondaj Nanostorage (dispozitive de stocare realizate folosind microtehnologie), pot ajunge la 40% atât în ​​sectorul memoriei convenționale, cât și în cel al dispozitivelor de disc.

„Electromecanica” în telecomunicații

Mulți experți consideră în prezent piața telecomunicațiilor ca fiind unul dintre cele mai promițătoare zone pentru introducerea MEMS. Încă de la sfârșitul anului 2000, compania privată MEMX (http://www.memx.com), care se ocupă de probleme de aplicație comercială creat în laboratorul de tehnologii MEMS. Compania și-a concentrat activitățile pe comutatoare optice pentru sistemele de telecomunicații cu fibră optică. Acestea se bazează pe tehnologia proprietară Sandia numită SUMMiT V (de la Sandia Ultraplanar Multilevel MEMS Technology). Este un proces de tratare a suprafeței de pulverizare și gravare cu micromașină, care acoperă cinci straturi independente de siliciu policristalin - patru straturi „mecanice” pentru mecanismele de construcție și un strat electric pentru interconectarea întregului sistem. Tehnologia permite aducerea dimensiunilor elementelor mecanice la 1 micron.

În ceea ce privește unul dintre giganții electronici - Intel Corporation (http://www.intel.com), decizia de a dezvolta tehnologii MEMS a fost luată de acesta încă din 1999. La Forumul Intel pentru Dezvoltatori de primăvară din 2002, nu a fost doar a declarat oficial interes pentru dispozitivele microelectromecanice, dar a proclamat și importanța strategică a acestei direcții. Având în vedere potențialul corporației atât în ​​dezvoltare, cât și în producție, semnificația acestei declarații pentru piața MEMS nu ar putea fi supraestimată. Aproximativ în același timp, la fabrica Intel Fab 8 a fost introdusă tehnologia microelectromecanică, care a făcut posibilă formarea de dispozitive mecanice minuscule în interiorul sau pe suprafața cristalelor semiconductoare - senzori, supape, angrenaje, oglinzi, actuatoare. Pentru Intel, MEMS este mai mult un sistem mecanic microelectronic - componente mecanice microscopice pentru dispozitive care se caracterizează printr-un consum redus de energie și caracteristici de design ultra-compact și îndeplinesc funcții de calcul și comunicare. Corporația investighează posibilele aplicații ale acestor tehnologii în antene, scuturi, filtre reglate, condensatoare, inductori și microîntrerupătoare.

În primăvara lui 2004, Intel a început să ofere partenerilor săi module front-end RF bazate pe tehnologia MEMS pentru integrarea în telefoanele mobile. Într-un astfel de modul sunt integrate aproximativ 40 de elemente pasive, ceea ce economisește până la două treimi din spațiul din telefon mobil. Numărul și compoziția modulelor depind de nevoile clienților care sunt invitați să utilizeze astfel de module MEMS pentru miniaturizarea filtrelor pasive, a circuitelor rezistive și capacitive. În viitor, este planificată integrarea comutatoarelor de viteză mică în module similare, iar în viitor, eventual, comutatoare de transmisie/recepție de înaltă frecvență și filtre SAW (Surface Acoustic Wave). Deși filtrele SAW discrete existente sunt destul de voluminoase în comparație cu circuitele integrate, indicele lor de calitate de filtrare este cu aproximativ două ordine de mărime mai mare. În plus, dacă dimensiunea filtrelor SAW este măsurată în centimetri, atunci rezonatoarele MEMS pe 1 cm2 de suprafață pot găzdui câteva zeci de mii de piese. Actuala generație de module MEMS este fabricată la fabrica Intel Fab 8 din Israel pe wafer-uri de 200 mm cu standarde de proiectare de 0,25 și 0,35 µm.

Recenta conferință de circuite integrate ISSCC 2005 a evidențiat marea oportunitate de piață pentru filtrele preselector RF.Oamenii de știință de la Universitatea din Michigan au remarcat că astfel de filtre își vor găsi aplicație în telefoanele de selecție a canalelor RF și în generațiile viitoare de dispozitive RF, unde MEMS oferă o soluție cu un factor de calitate Q. peste 10.000, ceea ce este semnificativ mai bun decât filtrele ceramice convenționale.Colegii lor de la Texas Instruments, la rândul lor, au raportat că filtrele MEMS de trecere înaltă pot fi utilizate în amplificatoare cu zgomot redus.Problema rămâne că dispozitivele MEMS sunt scumpe și introducerea lor în piața industrială este încă destul de dificilă. Un reprezentant al companiei XCom Wireless, care produce subsisteme bazate pe relee și varactor MEMS, consideră că utilizarea lor în dispozitive radio programabile, precum și în stațiile radar cu rețele de antene în faze pe sateliți, este promițătoare.

Perspective pentru afișajele MEMS

Producătorul taiwanez de panouri mici Prime View International (PVI) a stabilit o relație strategică pe termen lung cu Qualcomm MEMS Technologies (QMT, http://www.qualcomm.com) din SUA, potrivit DigiTimes. Principalul domeniu de cooperare este dezvoltarea de soluții comerciale bazate pe afișaje iMod, pe care QMT intenționează să le lanseze.

În general, tehnologia iMod Display se bazează pe sisteme MEMS mecanice microelectronice și este în prezent preferată pentru dispozitivele mobile. Ecranul afișează bine informațiile chiar și în cazul expunerii directe la lumina puternică a soarelui. După cum declară reprezentanții Qualcomm, multe probleme legate de consumul de energie sunt rezolvate astăzi. Pentru următorii doi ani, în conformitate cu contractul semnat, PVI este declarat principal producător de astfel de display-uri. Directorii companiei sunt optimiști cu privire la dezvoltarea tehnologiei promovate. Într-adevăr, pe lângă îmbunătățirea celor de mai sus specificații, sunt rezolvate si unele probleme ale procesului de productie. Tehnologia este de așa natură încât nu este nevoie să adăugați lumini de fundal și filtre de culoare la panou. Interesant este că aceste ecrane vor fi chiar mai subțiri decât panourile LCD TFT.

Este de remarcat faptul că actualul know-how QMT a dobândit împreună cu Iridigm în septembrie 2004. În general, ideea acestei tehnologii este de a forma imagini color prin interferența undelor luminoase - exact așa cum se întâmplă, de exemplu , în aripi de fluture sau pene de păun. Din cele spuse mai sus, urmează imediat primul avantaj al dezvoltării Iridigmei, constând în faptul că nu a presupus inițial utilizarea coloranților. De aceea, afișajele bazate pe acesta de-a lungul timpului nu ar trebui să-și piardă luminozitatea și saturația culorii. Elementul cheie al tehnologiei, care la acea vreme se numea iMoD Matrix, este modulatorul de interferență iMoD (Interference Modulator). Este un exemplu de sistem MEMS microelectromecanic și constă dintr-un film translucid pe un substrat de sticlă, capabil să reflecte parțial și să transmită parțial lumina și o membrană metalică flexibilă. Acesta din urmă poate fi în două stări: în primul caz, există un spațiu de aer între acesta și film, în al doilea - nu. Trecerea de la o stare la alta se realizează datorită interacțiunii electrostatice ca urmare a aplicării unei tensiuni externe de polaritate diferită, iar după îndepărtarea acesteia, membrana păstrează o nouă configurație.

Când filmul și membrana sunt separate printr-un spațiu de aer, undele luminoase reflectate de peliculă interferează cu undele transmise prin acesta și apoi reflectate de membrană, ducând la eliberarea de radiații de o anumită culoare. Dacă nu există niciun decalaj, atunci nu apare nicio interferență. Variând dimensiunea golului, puteți obține trei culori primare: cu cea mai mare grosime a spațiului de aer - roșu, cu o medie - verde și cu cea mai mică - albastru. Dimensiunile unui modulator de interferență sunt de numai zeci de microni. Un pixel dintr-un afișaj bazat pe iMoD Matrix este format din trei sub-pixeli - roșu, verde și albastru, fiecare dintre care este format din mai multe rânduri de modulatori. În acest caz, circuitele de control sunt situate la marginile afișajului.

Printre avantajele soluției propuse, pe lângă calitate bună imagini, experții remarcă, de asemenea, un nivel foarte scăzut de consum de energie, care, în cazul implementării comerciale a tehnologiei, îl poate face cea mai buna alegere pentru o varietate de dispozitive mobile. Deși volumele de producție sunt încă în discuție, PVI a trimis deja prototipuri de dispozitive viitoare companiilor partenere din industria telefoanelor mobile, smartphone-urilor și laptopurilor. Cu cât tehnologia este adoptată mai devreme pentru ecranele mici și medii, cu atât mai devreme poate apărea pe dispozitive mai mari precum panourile TV.

Surse de alimentare MEMS pentru dispozitive portabile

Unul dintre domeniile noi și promițătoare este utilizarea MEMS pentru a crea pile de combustie și generatoare de energie care sunt destinate dispozitivelor electronice portabile ale generațiilor viitoare (CD playere, camere digitale, secretare digitale personale). Este suficient să spunem că peste 200 de rapoarte au fost prezentate pe această temă la conferința IEEE din februarie anul trecut.

Toshiba Corporation (http://www.toshiba.co.jp) lansează o pilă de combustie cu metanol direct bazată pe MEMS cu o capacitate de 140 cm3, cu o putere de ieșire de 1 W, nominală pentru 20 de ore de funcționare. Micropompa a fost concepută pentru a pompa gaze și lichide și pentru a menține consumul de energie și dimensiunea în limite acceptabile. Designul folosește un ansamblu electrolitic cu membrană polimerică cu un catod și un anod pentru a îndeplini funcțiile unei celule de combustibil. Fiecare electrod are un strat catalitic și de difuzie a gazului. Dimensiunile dispozitivului corespund aproximativ cu dimensiunile unui telefon mobil convențional.

Dezvoltarea în comun a unui generator puternic de energie de către dezvoltatorii institutelor tehnologice din Massachusetts și Georgia a stârnit un mare interes. Această tehnologie se bazează pe o structură MEMS micromecanică care utilizează un magnet permanent. Generatoarele sunt mașini trifazate, axiale, sincrone. Mai mult, fiecare dintre ele constă dintr-un stator cu bobinaj la suprafață cu mai mulți poli și un rotor bazat pe un magnet permanent. Bobinele micromecanice cu spații strânse între conductori și geometrii cu lățime variabilă sunt elementele cheie pentru o densitate mare de putere. La o viteză de rotație de 120 mii rpm, generatorul a demonstrat conversia energiei mecanice în energie electrică la nivelul de 2,6 wați. Cuplat cu un transformator și un redresor, generatorul furnizează 1,1 wați de curent continuu unei sarcini rezistive. Pentru cazul unei mașini active cu dimensiuni totale de 9,5 mm (diametrul exterior), 5,5 mm (diametrul interior), 2,3 mm (grosime), aceasta corespunde unei puteri de 10 MW/m3. Dezvoltatorii cred că acest tip de generatoare MEMS poate furniza putere de la 10 la 100 de wați. Ei cred, de asemenea, că generarea de energie electrică la acest nivel creează premisele pentru crearea de dispozitive scalabile folosind magneți permanenți pentru aplicații practice. Astfel de generatoare electrice pot fi alimentate de o varietate de surse primare, inclusiv fluxul de fluid, gaz comprimat sau motoare mici cu ardere internă, cum ar fi turbinele cu gaz de dimensiuni micron.

Dezvoltatorii de la Massachusetts Institute of Technology, împreună cu Lincoln Laboratory, au creat un generator de putere cu turbină cu inducție electrocvasistatică. Cu excitație autorezonantă, a fost atinsă o putere de ieșire de 192 MW. Generatorul este format din cinci straturi de siliciu topite la 700 de grade. Statorul este o structură a unui electrod de oxid de platină format pe o insulă de oxid adâncă, iar rotorul este o peliculă subțire de polisiliciu ușor dopat, situat și pe o insulă de oxid. Generarea de energie este limitată de capacități interne și externe, astfel încât simularea este necesară pentru a atinge niveluri mai mari de putere.

O nouă abordare, propusă de personalul Institutului de Tehnologie din California, este folosirea matricelor MEMS ale generatoarelor de energie cu electret rotativ lichid. Aceste dispozitive sunt condensatoare de încărcare statică acoperite cu teflon, cu goluri umplute cu aer și picături de lichid care se mișcă cu vibrații. Pe măsură ce lichidul se mișcă între goluri, pe condensator este generată o tensiune netă, în timp ce sarcina oglindă este redistribuită pe electrod în funcție de poziția picăturilor.

MEMS sunt, de asemenea, promițătoare pentru producția de instrumente care să ajute la crearea pilelor de combustibil miniaturale și a microreactoarelor chimice catalitice. Unul dintre instrumente este un micro-regulator pasiv pentru controlul fluxului de gaz în celulele de combustibil miniaturale. Prima astfel de dezvoltare a fost realizată în comun de Canon Corporation și Universitatea din Tokyo.

Componente MEMS (MEMS rusești) - stand pentru sisteme microelectromecanice. Principala caracteristică distinctivă a acestora este că conțin o structură 3D mobilă. Se mișcă datorită influenței externe. În consecință, nu numai electronii, ci și părțile constitutive se mișcă în componentele MEMS.

Componentele MEMS sunt unul dintre elementele microelectronicii și micromecanicii, adesea realizate pe un substrat de siliciu. În structură, ele seamănă cu circuitele integrate cu un singur cip. De obicei, aceste părți mecanice ale MEMS variază în dimensiune de la unități la sute de micrometri, iar cristalul în sine este de la 20 de microni la 1 mm.

Figura 1 - un exemplu de structură MEMS

Exemple de utilizare:

1. Fabricarea diferitelor microcircuite.

2. Oscilatorii MEMS în unele cazuri înlocuiesc .

3. Fabricarea de senzori, inclusiv:

accelerometru;

giroscop

senzor de viteza unghiulara;

senzor magnetometric;

barometre;

analizoare de mediu;

convertoare de măsurare a unui semnal radio.

Materiale utilizate în structurile MEMS

Principalele materiale din care sunt fabricate componentele MEMS includ:

1. Siliciu.În prezent, marea majoritate a componentelor electronice sunt realizate din acest material. Are o serie de avantaje, printre care: prevalență, rezistență, practic nu își schimbă proprietățile în timpul deformării (histerezisul nu apare). Principala metodă de fabricare a MEMS de siliciu este fotolitografia urmată de gravare.

2. Polimeri. Deoarece siliciul, deși un material obișnuit, este relativ scump, polimerii pot fi folosiți pentru a-l înlocui în unele cazuri. Sunt produse de industrie în volume mari și cu o varietate de caracteristici. Principalele metode de fabricare a polimerilor MEMS sunt turnarea prin injecție, ștanțarea și stereolitografia.

Volume de producție pe exemplul unui mare producător

Pentru un exemplu al cererii pentru aceste componente, să luăm ST Microelectronics. Face investiții mari în tehnologii MEMS, până la 3.000.000 de elemente pe zi sunt produse în fabricile și fabricile sale.

Figura 2 - capacitatea de producție a unei companii care dezvoltă componente MEMS

Ciclul de producție este împărțit în 5 etape principale principale:

1. Producția de așchii.

2. Testare.

3. Ambalare în cutii.

4. Testarea finală.

5. Livrare către dealeri.

Figura 3 - ciclu de producție

Exemple de senzori MEMS de diferite tipuri

Luați în considerare câțiva senzori MEMS populari.

Accelerometru este un dispozitiv care măsoară accelerația liniară. Este folosit pentru a determina locația sau mișcarea unui obiect. Folosit în tehnologia mobilă, mașini și multe altele.

Figura 4 - trei axe recunoscute de accelerometru

Figura 5 - structura internă a accelerometrului MEMS

Figura 6 - explicații pentru structura accelerometrului

Caracteristicile accelerometrului pe exemplul componentei LIS3DH:

1. Accelerometru cu 3 axe.

2. Funcționează cu interfețe SPI și I2C.

3. Masurare pe 4 scale: ±2, 4, 8 si 16g.

4. Rezoluție înaltă (până la 12 biți).

5. Consum redus: 2uA în modul de consum redus (1Hz), 11uA în modul Normal (50Hz) și 5uA în modul Power Down.

6. Flexibilitatea muncii:

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

Lățime de bandă de până la 2,5 kHz;

FIFO pe 32 de niveluri (16 biți);

3 intrari ADC;

Senzor de temperatura;

Alimentare de la 1,71 la 3,6 V;

Funcție de autotestare;

Carcasa 3 x 3 x 1 mm. 2.

Giroscop este un dispozitiv care măsoară deplasarea unghiulară. Cu acesta, puteți măsura unghiul de rotație în jurul axei. Astfel de dispozitive pot fi folosite ca sistem de navigație și control al zborului pentru aeronave: aeronave și diferite UAV-uri sau pentru a determina poziția dispozitivelor mobile.

Figura 7 - date măsurate cu un giroscop

Figura 8 - structura internă

De exemplu, luați în considerare caracteristicile giroscopului MEMS L3G3250A:

Giroscop analog cu 3 axe;

Imunitate la zgomot analogic și vibrații;

2 scale de masura: ±625°/s si ±2500°/s;

Moduri de oprire și repaus;

Funcție de autotestare;

calibrare din fabrică;

Sensibilitate ridicată: 2 mV/°/s la 625°/s

Filtru trece-jos încorporat

Stabilitate la temperaturi ridicate (0,08°/s/°C)

Stare de șoc ridicat: 10000g pentru 0,1 ms

Interval de temperatură -40 până la 85°C

Tensiune de alimentare: 2,4 - 3,6V

Consum: 6,3 mA în mod normal, 2 mA în repaus și 5 µA în modurile de oprire

Șasiu 3,5 x 3 x 1 LGA

concluzii

Pe lângă exemplele discutate în raport, există și alte elemente pe piața senzorilor MEMS, inclusiv:

Senzori cu mai multe axe (de exemplu, 9 axe);

busole;

Senzori pentru măsurarea mediului (presiune și temperatură);

Microfoane digitale și multe altele.

Sisteme microelectromecanice industriale moderne de înaltă precizie care sunt utilizate în mod activ în vehicule și computere portabile portabile.

Sisteme microelectromecanice sau prescurtate ca MEMS, sunt dispozitive cu tehnologie microsistem realizate folosind tehnologia micromecanica în vrac, formate prin gravarea locală a unui substrat, dopaje, depunerea unui material pe acesta etc. Substraturile sunt de obicei realizate din siliciu datorită proprietăților sale electrice, mecanice și termice excelente. Dimensiunile MEMS variază de la 1 micron la câțiva milimetri, în funcție de putere, aplicație, circuite de procesare încorporate și numărul de elemente.

Principalele avantaje:

• Miniatură;
• Functionalitate ridicata;
• Fiabilitate;
• Consum redus de putere;
• Abilitatea de a integra electronice cu noduri mecanice, optice și alte noduri;
• Răspândire mică a parametrilor într-un singur lot de produse;
• Fabricabilitate și repetabilitate ridicate;
• Capacitatea de a realiza costuri foarte mici (pentru volume de producție mari sau foarte mari).

Următoarele dispozitive pot fi realizate sub formă de MEMS:

Caracteristicile tehnologiei MEMS și dispozitivele realizate folosind această tehnologie

Tehnologia de producție MEMS presupune depunerea și modificarea unor straturi întregi de material, folosind o tehnică specială de depunere și straturi speciale de mascare pentru a forma un relief de elemente mecanice și întregul produs într-un singur ciclu tehnologic. În acest ciclu, este procesat un singur substrat, care poate conține de la zeci la sute de semifabricate MEMS.

De ce MEMS?

Utilizarea tehnologiei MEMS face posibilă obținerea de unități micromecanice și optice de dimensiuni mult mai mici decât este posibilă cu tehnologiile tradiționale. Ideea de a produce senzori și circuite de procesare într-un singur dispozitiv oferă o oportunitate excelentă de a crea produse gata făcute, destul de complexe, într-un singur pachet relativ mic, ceea ce este benefic pentru dezvoltatorii de dispozitive finale, deoarece vă permite să realizarea unui proiect bazat pe solutii gata facute la nivelul modulelor functionale finite. De asemenea, avantajul MEMS este partea electronică, precum și conexiunile electrice cu senzori și mecanisme, realizate folosind tehnologie integrată și având dimensiuni reduse, deoarece îmbunătățesc caracteristici precum frecvențele de operare, raportul semnal-zgomot etc. Repetabilitate ridicată a sensibilității elementele și fabricarea lor integrată împreună cu circuitul de procesare pot îmbunătăți semnificativ acuratețea măsurătorilor. Datorită tehnologiei integrate, fiabilitatea MEMS este mai mare decât fiabilitatea unui sistem similar care este asamblat din componente discrete. De asemenea, sistemele optice au o mai mare fiabilitate și durabilitate, deoarece sunt amplasate într-o carcasă etanșă și sunt protejate de influențe. Mediul extern. Utilizarea MEMS reduce costul părților mecanice și electronice ale dispozitivului, deoarece electronica de procesare și MEMS sunt integrate pe un singur substrat, ceea ce evită conexiuni suplimentare și, în unele cazuri, utilizarea circuitelor de potrivire.

În acest moment, dezvoltarea generatoarelor de energie electrică bazate pe micromotoare cu ardere internă este în curs de desfășurare.

Această lucrare este condusă de profesorul Simone Hochgreb de la Centrul de Cercetare în Combustie de la Universitatea Cambridge și de Dr. Kyle Jiang de la Centrul de Cercetare în Micro-Inginerie și Nano-Tehnologie) de la Universitatea din Birmingham.

Ei proiectează motoare cu un volum al camerei de ardere de ordinul unui milimetru cub.

Interesant este că motoarele cu ardere internă create de britanici sunt diesel-uri. Numai că acum nu funcționează pe motorină, ci pe niște amestecuri de metanol (cu adaos de hidrogen) care pot declanșa de la sine în timpul cursei de compresie.

De asemenea, proiectat și fabricat folosind tehnologia MEMS este un micromotor rotativ (motor cu combustie internă Wankel). Diametrul rotorului: 1mm; viteza rotorului (max): 40000 rpm; putere: 26 mW; volum de lucru: 0,064 mm3. Puterea este similară cu cea a unei baterii alcaline, cu toate acestea, dimensiunea este mult mai mică.

Iar puterea micromotorului rotativ din dreapta este de 4W.

Aplicație:

• Echipament militar;
• nave spațiale;
• Automobile;
• Medicamentul;
• Știința;
• Industrie;
• Dispozitive mobile;
• Aparate;

Alexei Borzenko

Multe dintre inovațiile existente nu își folosesc întregul potențial până când pe piață apar dezvoltări fundamentale noi. Deci, una dintre tehnologiile cheie până în 2012, compania analitică Gartner numește tehnologia sistemelor microelectromecanice - MEMS (Micro-Electro Mechanical Systems). Conform celor mai recente prognoze In-Stat/MDR, piața MEMS crește cu 13,2% în fiecare an. Apropo, această ramură a industriei IT din Japonia se numește micromașini (Micromachines), iar în Europa - tehnologii de microsistem (Micro System Technology). Potrivit analiștilor de la Gartner, sistemele microelectromecanice vor permite, la un cost minim, creșterea sensibilității și a răspunsului mecanic al dispozitivelor la nivel de cristal.

Putem spune că MEMS este un set de microdispozitive cu cel mai divers design și scop, în producția cărora se folosesc metode tehnologice modificate de microelectronică. Într-adevăr, sistemele microelectromecanice sunt obținute prin combinarea elementelor mecanice, senzorilor și electronicii pe o bază comună de siliciu prin tehnologii de microfabricare. Toate elementele pot fi implementate ca un singur produs și în zeci sau sute deodată, ca microcircuite pe o placă de siliciu. Aceasta se bazează pe o tehnologie tradițională dovedită pentru producția de circuite integrate semiconductoare. MEMS sunt deja folosite în aplicații de nișă, cum ar fi filtrele pasive de trecere înaltă în terminalele wireless și celulare, sistemele de oglinzi mobile pentru proiectoare multimedia și microfoanele. Numărul acestor nișe și dimensiunea lor crește în funcție de nevoile pieței.

În istoria dezvoltării tehnologiei MEMS, conform experților moderni de top, au fost deja trecute patru etape. La prima etapă scurtă - cercetare (de la mijlocul anilor '50 până la începutul anilor '60 ai secolului trecut), principalele eforturi în conturarea imaginii viitoarei tehnologii au fost făcute de ambele divizii științifice ale marilor companii (în primul rând celebrele Laboratoare Bell). ), iar companiile industriale înseși și academicul știința. Specificul acestei perioade constă în faptul că atenția principală a fost acordată tehnologiilor cu dublă utilizare care au fost solicitate în timpul Războiului Rece, în primul rând crearea de senzori precisi și ieftini de diferite tipuri (proiectarea unor avioane de luptă cu reacție promițătoare, de exemplu, a necesitat un număr semnificativ de experimente) potrivite pentru producția de masă. Nu este de mirare că a doua etapă a dezvoltării tehnologiei este asociată exclusiv cu puternice companii industriale (mai precis, militar-industriale): giganți precum Fairchild, Westinghouse, Honeywell s-au grăbit să comercializeze primele dezvoltări experimentale. Comercializarea a durat destul de mult și abia la începutul anilor '70 știința academică a început să primească finanțare direcționată din partea industriei pentru a rezolva problemele reducerii costurilor și extinderii domeniului de aplicare a dispozitivelor MEMS. Zece ani mai târziu, această etapă a fost depășită și ea - și a venit vremea producției de micromașini. Se poate considera ca de la sfarsitul anilor '90 ai secolului trecut a inceput epoca micromecanica.

Mulți experți, inclusiv una dintre companiile de top în acest domeniu, Integrated Sensing Systems (http://www.mems-issys.com), consideră că tehnologia MEMS aduce schimbări literalmente revoluționare în fiecare aplicație, combinând microelectronica bazată pe siliciu cu tehnologia micromecanică. , care vă permite să implementați un sistem pe un singur cip SoC (Systems-on-a-Chip). Astfel, tehnologia MEMS a dat un nou impuls dezvoltării sistemelor de navigație inerțială și sistemelor integrate, deschizând calea dezvoltării de produse „inteligente”, mărind capacitățile de calcul ale microsenzorilor și extinzând posibilitățile de proiectare ale unor astfel de sisteme.

Astăzi, dispozitivele MEMS sunt folosite aproape peste tot. Acestea pot fi piese miniaturale (supape hidraulice și pneumatice, duze cu jet de imprimantă, arcuri pentru agățarea capului hard diskului), microunelte (bisturii și pensete pentru lucrul cu obiecte de dimensiuni micron), micromașini (motoare, pompe, turbine de dimensiunea unui bob de mazăre). ), microroboți, microsenzori și dispozitive executive, microlaboratoare analitice (pe un singur cip) etc.

Noțiuni de bază

În general, un microsistem presupune integrarea unui număr de tehnologii diferite (MEMS, CMOS, optice, hidraulice etc.) într-un singur modul. De exemplu, tehnologiile de fabricație pentru dispozitive MEMS pentru aplicații cu microunde (inductoare, varactoare, întrerupătoare, rezonatoare) implică cicluri tradiționale de fabricare a circuitelor integrate adaptate pentru a crea structuri mecanice tridimensionale (de exemplu, microprelucrare volumetrică, microprelucrare de suprafață și așa-numita LIGA). tehnologie). ).

Microprelucrarea în vrac cu siliciu include tehnologia de gravare în vrac adânc. Cu acest proces, se obține o structură în vrac în interiorul substratului datorită proprietăților sale anizotrope, adică rate diferite de gravare a cristalelor în funcție de direcția axelor cristalografice. O structură tridimensională se poate obține și prin metoda creșterii, atunci când mai multe substraturi sunt topite și formează legături verticale la nivel atomic.

În timpul microprelucrării de suprafață, se formează o structură tridimensională datorită aplicării succesive a principalelor pelicule subțiri și îndepărtării straturilor auxiliare în conformitate cu topologia necesară. Avantajul acestei tehnologii este posibilitatea de îndepărtare (dizolvare) repetată a straturilor auxiliare fără a deteriora interconexiunile straturilor de bază. Și principala sa caracteristică este că este compatibil cu tehnologia semiconductoare, deoarece tehnologia CMOS convențională este utilizată pentru microprelucrare.

Denumirea tehnologiei LIGA provine de la abrevierea germană Roentgen Lithography Galvanik Abformung, care înseamnă o combinație de litografie cu raze X, galvanizare și presare (mulare). Aici, un strat fotorezistiv gros este expus la razele X (flare), urmat de depunerea galvanică a structurilor 3D de profil înalt. Esența procesului constă în utilizarea radiației cu raze X de la sincrotron pentru a obține modele topologice profunde cu pereți puri într-un material polimeric. Radiația sincrotron are un unghi de divergență a fasciculului ultra-mic. Sursa de radiație sunt electronii de înaltă energie (cu o energie mai mare de 1 GeV) care se deplasează la viteze relativiste. Adâncimea de penetrare a radiației ajunge la câțiva milimetri. Acest lucru duce la o eficiență ridicată a expunerii la costuri reduse de timp. Se crede că această tehnologie oferă cel mai bun raport dintre lățimea canalului reproductibil și lungimea sa (cu dimensiuni minime).

Cea mai importantă componentă a majorității MEMS este microactuatorul (Fig. 1). De obicei, acest dispozitiv transformă energia în mișcare controlată. Dimensiunile microactuatoarelor pot varia destul de mult. Gama de aplicare a acestor dispozitive este extrem de largă și este în continuă creștere. Astfel, microactuatoarele sunt utilizate în robotică, în dispozitive de control, în industria spațială, în biomedicină, dozimetrie, în instrumente de măsură, în tehnologia divertismentului, în industria auto și în gospodărie. De exemplu, microactuatoarele sunt necesare pentru a controla senzorii de rezonanță (aceștia generează și le transmit o frecvență de rezonanță), pentru a controla sculele de tăiere în microchirurgie. Pot fi, de asemenea, diverse micromotoare care sunt folosite pentru a controla microrelee, microoglinzi și microcleme. Un microactuator poate fi chiar un dispozitiv cu microelectrod pentru excitarea țesuturilor musculare în protezele neurologice.

Orez. 1. Microactuator în MEMS.

Toate metodele de activare (mișcare, deformare, acționare) în astfel de dispozitive pot fi rezumate pe scurt după cum urmează: electrostatic, magnetic, piezoelectric, hidraulic și termic. Atunci când se evaluează utilizarea unei anumite metode, se aplică adesea legile reducerii proporționale a dimensiunii. Cele mai promițătoare metode sunt piezoelectrice și hidraulice, deși altele sunt de mare importanță. Activarea electrostatică este utilizată în aproximativ o treime dintre microactuatori și este probabil cea mai comună și bine stabilită metodă; Principalele sale dezavantaje sunt uzura. Microactuatoarele magnetice necesită de obicei un curent electric relativ mare, tot la nivel microscopic. Când se utilizează metode de activare electrostatică, semnalul de ieșire rezultat este mai bun pe unitate de dimensiune decât atunci când se utilizează metode magnetice. Cu alte cuvinte, pentru aceeași dimensiune, un dispozitiv electrostatic produce un semnal de ieșire puțin mai bun. De asemenea, microactuatoarele termice consumă o cantitate relativ mare de energie electrică; principalul lor dezavantaj este că căldura generată trebuie disipată.

Pentru evaluarea microactuatoarelor se folosesc criterii de calitate precum liniaritatea, acuratețea, eroarea, repetabilitatea, rezoluția, histerezisul, valoarea pragului, reacția, zgomotul, deplasarea, capacitatea de transport, amplitudinea, sensibilitatea, viteza, răspunsul tranzitoriu, scalabilitatea, eficiența energetică.

Senzori și microactuatori

De fapt, a fost nevoie de mai bine de 30 de ani pentru a apărea prima aplicație comercială MEMS. Una dintre primele tehnologii MEMS care s-a răspândit pe scară largă au fost senzorii de accelerație (accelerometre), care sunt acum instalați în aproape toate mașinile moderne pentru detectarea coliziunilor și eliberarea airbag-urilor de protecție (SRS). Cunoscuta Analog Devices Corporation (http://www.analog.com), care a fabricat primii astfel de senzori în 1993, vinde acum zeci de milioane de așa-numitele accelerometre iMEMS producătorilor de automobile pe an.

Un accelerometru MEMS modern obișnuit constă din știfturi de blocare care se mișcă și se blochează alternativ. Modificarea accelerației se reflectă în capacitatea structurii, care este ușor de măsurat. Elementele pot fi amplasate ca niște creste în cazul accelerometrelor liniare sau ca butuc de roată în cazul unui accelerometru rotativ. Accelerometrele rotative pot contribui la îmbunătățirea capacităților sistemelor de frânare antiblocare (ABS) ale unui vehicul, deoarece pot detecta mișcarea reală a vehiculului, nu doar blocarea roților.

Accelerometrele airbag sunt considerate unul dintre cele mai bune exemple de senzori MEMS, oferind producătorilor de mașini beneficii atât de cost, cât și de performanță. Vine momentul în care același lucru se poate spune și despre monitoarele de presiune în anvelope care sunt acum integrate în modelele produse în serie, ca răspuns la legea siguranței. Cu toate acestea, există un alt domeniu în care MEMS poate contribui la introducerea electronicelor în mașină - este protecția împotriva impacturilor laterale în caz de accident. Experții cred că ar putea aduce o contribuție mare la vânzările de MEMS dacă guvernul SUA adoptă standarde mai stricte pentru protecția împotriva impactului lateral în caz de accident. Experții de la NHTSA Traffic Safety Agency consideră că astfel de măsuri vor salva până la o mie de vieți pe an.

În hard disk-urile, accelerometrele rotative pot fi folosite pentru a detecta mișcările de rotație care afectează poziția capului și pot duce la pierderea pistei. Compensarea mișcărilor de rotație este de obicei utilizată în modelele scumpe de unități de disc, deoarece cu puțin mai mult timp petrecut pentru citire și scriere, este nevoie de mult mai puțin timp pentru a restabili poziția capului după un impact.

Laboratoarele Naționale Sandia au dezvoltat un design de senzor care poate detecta mișcarea de până la 1 nm (Figura 2). Partea principală a dispozitivului este o grilă formată din doi piepteni suprapusi (dimensiune transversală 50 µm): unul este fix, celălalt este atașat de un arc. Distanța dintre dinții pieptenelor este între 600 și 900 nm, ceea ce este comparabil cu lungimea de undă a luminii vizibile. Chiar și cu o mișcare ușoară a dispozitivului, pieptenul mobil oscilează, extinzând sau îngustând grătarul format prin intersectarea dinților. Schimbarea golurilor rețelei îi afectează proprietățile optice, iar fasciculul laser, reflectat de dinții suprapusi, va fi vizibil luminos sau slab. Se consideră posibilă utilizarea unui astfel de detector ca bază a unui dispozitiv de navigație care poate funcționa independent de rețeaua de satelit a sistemului de poziționare globală.

Orez. 2. Senzor MEMS

În mod tradițional, sistemele de poziționare bazate pe mișcare suferă de acumularea de mici erori. În timp, aceste erori pot duce la citiri care deviază cu mile de la poziția reală. Blocarea pozițională, care este caracteristică instrumentului Sandia, asigură o degradare mult mai lentă a caracteristicilor. În plus, dispozitivul poate funcționa sub apă și într-un tunel în care semnalul GPS nu trece. În prezent, se lucrează la crearea unei versiuni portabile a dispozitivului, astfel încât acesta să poată fi transferat altor cercetători pentru experimente. Un dispozitiv bazat pe acest design poate intra pe piață în trei până la cinci ani.

Microactuatoarele, care funcționează pe baza efectului invers (tensiunea aplicată provoacă mișcări mici ale structurilor de siliciu), sunt acum utilizate, de exemplu, pentru reglarea fină a capetelor magnetice. Acestea din urmă sunt de obicei responsabile pentru detectarea semnalului în unitățile de disc magnetice. Acest lucru crește semnificativ densitatea informațiilor „track per inch” sau tpi (track per inch) și, prin urmare, capacitatea unității în sine.

Există, de asemenea, o serie de produse MEMS de succes, cum ar fi capete de imprimantă cu micro jet de cerneală, giroscoape și senzori de presiune, care sunt furnizate de sute de milioane industriilor medicale și auto. Să numim, de asemenea, proiectoare digitale de înaltă rezoluție construite pe baza rețelelor MEMS de microoglinzi. În ultimii ani, s-au înregistrat progrese semnificative în fabricarea de motoare, pompe și cleme, senzori de presiune și deplasare - o varietate de unități mecanice de diverse scopuri, atât de mici încât nu sunt vizibile cu ochiul liber. Dar mai întâi lucrurile.

DMD pentru DLP

Tehnologia digitală de procesare a luminii care stă la baza oricărui proiector DLP (Digital Light Processing) se bazează pe dezvoltările Texas Instruments Corporation (http://www.ti.com), care a creat un nou tip de imager bazat pe MEMS. În 1987, DMD (Digital Micromirror Device) inventat de Larry J. Hornbeck a finalizat zeci de ani de cercetare Texas Instruments în dispozitivele de oglindă deformabile micromecanice. Esența descoperirii a fost respingerea oglinzilor flexibile în favoarea unei matrice de oglinzi rigide cu doar două poziții stabile. Un cristal DMD este o matrice de înaltă precizie care transformă digital lumina (Fig. 3).

Orez. 3. Dezvoltarea modernă a matricei DMD.

Un cristal DMD este în esență un cip semiconductor de memorie statică cu acces aleatoriu (SRAM), fiecare celulă a căruia (mai precis, conținutul său) determină poziția uneia dintre numeroasele (de la câteva sute de mii la un milion sau mai multe) microoglinzi de 16x16 microni. în mărime aşezată pe suprafaţa substratului. La fel ca o celulă de memorie de control, o microoglindă are două stări care diferă în direcția de rotație a planului oglinzii în jurul unei axe care trece de-a lungul diagonalei oglinzii.

O serie de oglinzi microscopice formează un fascicul, fiecare astfel de oglindă corespunzând unui pixel de lumină din imaginea proiectată. Combinate cu un semnal digital, o sursă de lumină și o lentilă de proiecție, aceste oglinzi oferă reproducere video și grafică de cea mai înaltă calitate.

Memorie electromecanica

Astăzi, este greu să ne amintim câte idei diferite au existat despre ce să folosești pentru dispozitivele de stocare. Iar compania Cavendish Kinetics (http://www.cavendish-kinetics.com) a propus o altă abordare a creării de dispozitive de stocare nevolatile. Abordarea ei se bazează pe sisteme mecanice microelectronice cu capacitatea de a se integra în procesele CMOS. Memoria Cavendish Kinetics este disponibilă în două versiuni, scrisă o singură dată și reinscriptabilă.

Compania crede că tehnologia sa, numită Nanomech, are cel mai mic consum de energie dintre tipurile de memorie încorporată și este comparabilă ca viteză cu memoria flash. Denumirea Nanomech ilustrează principiul său de funcționare (Fig. 4). Celula de memorie este o placă conductoare (metală) - un cantilever (actuator microelectromecanic) fixat deasupra contactului. Dacă se creează o diferență de potențial între electrodul de contact și placă, placa se va îndoi și atinge contactul, drept urmare rezistența electrică va scădea la aproape zero. În mod curios, acest efect are histerezis, deoarece după atingerea plăcii de contact, apare „lipirea” - este nevoie de energie suplimentară pentru a rupe contactul. Astfel, este posibil să se creeze o memorie de tip ROM în care ceva poate fi scris o singură dată. Pentru rescrierea deasupra plăcii, este suficient să puneți un electrod suplimentar, prin aplicarea unui potențial la care puteți deschide contactul.

Orez. 4. Principiul de funcționare al tehnologiei Nanomech.

Prototipurile actuale au fost construite folosind tehnologia CMOS cu un cod de proiectare de 0,35 microni, dar compania susține că astfel de celule de memorie pot fi construite respectând codul de proiectare de 45 nm. Avantajele noului tip de memorie includ faptul că nu există curent în modul de așteptare, iar pentru înregistrare este necesar să consumați energie mecanică de doar 25 pJ. Dispozitivul rămâne operațional chiar și la o temperatură de 200 de grade, în timp ce numărul de cicluri de scriere-rescriere poate ajunge la 20 de milioane.

La CeBIT?2005, IBM a demonstrat o unitate capabilă să aibă o densitate de date de peste 19,2 GB/cm2. Experții spun că acest prototip de sistem microelectromecanic MEMS este capabil să înregistreze informații aproximativ echivalente cu capacitatea a 25 de DVD-uri pe o zonă de dimensiunea unei timbre poștale. Angajații IBM și-au numit cu afecțiune dispozitivul Millipede („centipede”), deoarece are mii de vârfuri de siliciu foarte mici care pot „coase” un model de bucăți individuale într-o peliculă subțire de polimer (Fig. 5).

Orez. 5. Memorie MEMS Millipede.

În general, tehnologia centipede a fost propusă în urmă cu câțiva ani de laureatul Nobel Gerd Binnig, autorul microscopului de scanare tunel și angajat al Institutului de Cercetare IBM. El a atras atenția asupra capacității unui microscop de a forma gropi nanometrice în polimeri, a căror prezență în anumite puncte dintr-o substanță poate fi interpretată ca o valoare de un singur bit. Binnig, încercând să-și adapteze descoperirea la nevoile industriei, a învățat cum să scaneze simultan multe dintre aceste gropi. Astfel, principiul de funcționare al Millipede amintește tuturor de binecunoscutele cărți perforate. Elementul cheie al noii tehnologii este o serie de suporturi de siliciu în formă de V (console), la capătul fiecăruia dintre ele se află un ac microni în miniatură. Datele sunt scrise pe suport, care este un strat foarte subțire de material polimeric pe un substrat de siliciu. Vârful fiecărui suport V cu un ac plasat simultan servește ca zonă de rezistență sporită. Când un impuls de curent electric este trecut prin el, acul se încălzește până la o temperatură care depășește punctul de topire al polimerului și „topește” o pâlnie cu un diametru de aproximativ 10 nm în purtător. Când curentul este întrerupt, acul se răcește și polimerul se întărește. Pentru a citi datele, se măsoară rezistența „părții de lucru” a suportului. În acest caz, acul este de asemenea încălzit, dar numai la o temperatură mai scăzută la care polimerul utilizat în purtător nu este încă înmuiat. Suprafața purtătorului este scanată, iar atunci când acul intră în pâlnie, intensitatea eliminării căldurii din acesta crește brusc, temperatura scade, ca urmare, rezistența se modifică brusc, datorită căreia se fixează un pic de informație.

Posibilitatea înregistrării multiple este oferită de particularitățile proprietăților vâscoelastice ale sistemelor polimerice. Faptul este că în regiunea pâlniei, polimerul se află în așa-numita stare metastabilă, din care poate fi îndepărtat printr-o influență externă, de exemplu, folosind aceeași încălzire la o anumită temperatură. Acest lucru se face prin trecerea unui ac încălzit peste pâlnie, după care aceasta din urmă dispare, adică datele sunt șterse. Potrivit experților IBM, până în prezent au reușit să obțină o durabilitate media de peste 100.000 de cicluri de rescriere.

Matricea de vârfuri a Millipede este controlată de circuite electronice multiplexate în timp, similar cipurilor DRAM. Mișcarea suportului de-a lungul matricei și poziționarea precisă a acestuia sunt asigurate de o unitate electromagnetică. IBM susține că Millipede este potrivit pentru dispozitive mobile: camere digitale, telefoane mobile și stick-uri USB. Totuși, până acum vorbim doar despre o probă de laborator, iar înainte de a intra pe piață, Millipede se va coace în doi ani, nu mai devreme.

Potrivit companiei de analiză NanoMarkets în raportul său privind piața memoriei, segmentul memoriei nevolatile până în 2011 va fi estimat la 65,7 miliarde de dolari, realizate folosind noile tehnologii. Experții estimează că cotele de piață ale tipurilor de memorie nevolatile, denumite în sondaj Nanostorage (dispozitive de stocare realizate folosind microtehnologie), pot ajunge la 40% atât în ​​sectorul memoriei convenționale, cât și în cel al dispozitivelor de disc.

„Electromecanica” în telecomunicații

Mulți experți consideră în prezent piața telecomunicațiilor ca fiind unul dintre cele mai promițătoare zone pentru introducerea MEMS. Încă de la sfârșitul anului 2000, compania privată MEMX (http://www.memx.com) s-a desprins din Laboratorul Național Sandia (http://www.sandia.gov), deținut de Departamentul Energiei al SUA, care se ocupa de aplicarea comerciala a produselor create in laborator.tehnologii MEMS. Compania și-a concentrat activitățile pe comutatoare optice pentru sistemele de telecomunicații cu fibră optică. Acestea se bazează pe tehnologia proprietară Sandia numită SUMMiT V (de la Sandia Ultraplanar Multilevel MEMS Technology). Este un proces de pulverizare și gravare cu micromașină de tratare a suprafeței cipului, care acoperă cinci straturi independente de siliciu policristalin - patru straturi „mecanice” pentru mecanismele de construcție și un strat electric pentru interconectarea întregului sistem. Tehnologia permite aducerea dimensiunilor elementelor mecanice la 1 micron.

În ceea ce privește unul dintre giganții electronici - Intel Corporation (http://www.intel.com), decizia de a dezvolta tehnologii MEMS a fost luată de acesta încă din 1999. La Forumul Intel pentru Dezvoltatori de primăvară din 2002, nu a fost doar a declarat oficial interes pentru dispozitivele microelectromecanice, dar a proclamat și importanța strategică a acestei direcții. Având în vedere potențialul corporației atât în ​​dezvoltare, cât și în producție, semnificația acestei declarații pentru piața MEMS nu ar putea fi supraestimată. Aproximativ în aceeași perioadă, fabrica Intel Fab 8 a introdus tehnologia microelectromecanică, care a făcut posibilă formarea de dispozitive mecanice minuscule în interiorul sau pe suprafața cristalelor semiconductoare - senzori, supape, angrenaje, oglinzi, actuatoare. Pentru Intel, MEMS seamănă mai mult cu sistemele mecanice microelectronice — componente mecanice microscopice pentru dispozitive care prezintă un consum redus de energie și caracteristici de design ultra-compacte și care îndeplinesc funcții de calcul și comunicare. Corporația cercetează posibilele aplicații ale acestor tehnologii în antene, scuturi, filtre reglate, condensatoare, inductori și microîntrerupătoare.

În primăvara lui 2004, Intel a început să ofere partenerilor săi module front-end RF bazate pe tehnologia MEMS pentru integrarea în telefoanele mobile. Într-un astfel de modul sunt integrate aproximativ 40 de elemente pasive, ceea ce economisește până la două treimi din spațiul dintr-un telefon mobil. Numărul și compoziția modulelor depind de nevoile clienților care sunt invitați să utilizeze astfel de module MEMS pentru miniaturizarea filtrelor pasive, a circuitelor rezistive și capacitive. În viitor, este planificată integrarea comutatoarelor de viteză mică în module similare, iar în viitor, eventual, comutatoare de transmisie/recepție de înaltă frecvență și filtre SAW (Surface Acoustic Wave). Deși filtrele SAW discrete existente sunt destul de voluminoase în comparație cu circuitele integrate, indicele lor de calitate de filtrare este cu aproximativ două ordine de mărime mai mare. În plus, dacă dimensiunea filtrelor SAW este măsurată în centimetri, atunci rezonatoarele MEMS pe 1 cm2 de suprafață pot găzdui câteva zeci de mii de piese. Actuala generație de module MEMS este fabricată la fabrica Intel Fab 8 din Israel pe wafer-uri de 200 mm cu standarde de proiectare de 0,25 și 0,35 µm.

La ultima conferință privind circuitele integrate ISSCC?2005 au fost remarcate marile oportunități de pe piața filtrelor preselector de înaltă frecvență. Oamenii de știință de la Universitatea din Michigan au remarcat că astfel de filtre vor găsi aplicație în telefoane pentru a selecta canalul RF dorit și generațiile viitoare de dispozitive RF, unde MEMS oferă o soluție cu un factor Q peste 10.000, care este semnificativ mai bun decât filtrele ceramice convenționale. Colegii lor de la Texas Instruments, la rândul lor, au raportat că filtrele MEMS de trecere înaltă pot fi folosite în amplificatoare cu zgomot redus. Problema rămâne că dispozitivele MEMS sunt scumpe și introducerea lor pe piața industrială este încă destul de dificilă. Un reprezentant al XCom Wireless, care produce subsisteme bazate pe relee și varactor MEMS, consideră promițătoare utilizarea lor în dispozitivele radio programabile, precum și în stațiile radar cu rețele de antene în fază pe sateliți.

Perspective pentru afișajele MEMS

Producătorul taiwanez de panouri mici Prime View International (PVI) a stabilit o relație strategică pe termen lung cu Qualcomm MEMS Technologies (QMT, http://www.qualcomm.com) din SUA, potrivit DigiTimes. Principalul domeniu de cooperare este dezvoltarea de soluții comerciale bazate pe afișaje iMod, pe care QMT intenționează să le lanseze.

În general, tehnologia iMod Display se bazează pe sisteme MEMS mecanice microelectronice și este în prezent preferată pentru dispozitivele mobile. Ecranul afișează bine informațiile chiar și în cazul expunerii directe la lumina puternică a soarelui. După cum declară reprezentanții Qualcomm, multe probleme legate de consumul de energie sunt rezolvate astăzi. Pentru următorii doi ani, în conformitate cu contractul semnat, PVI este declarat principal producător de astfel de display-uri. Directorii companiei sunt optimiști cu privire la dezvoltarea tehnologiei promovate. La urma urmei, pe lângă îmbunătățirea caracteristicilor tehnice de mai sus, au fost rezolvate și unele probleme ale procesului de producție. Tehnologia este de așa natură încât nu este nevoie să adăugați lumini de fundal și filtre de culoare la panou. Interesant este că aceste ecrane vor fi chiar mai subțiri decât panourile LCD TFT.

Este de remarcat faptul că know-how-ul QMT utilizat acum a fost dobândit cu Iridigm în septembrie 2004. În general, ideea acestei tehnologii este de a forma imagini color prin interferența undelor luminoase - exact așa cum se întâmplă, de exemplu , în aripi de fluture sau pene de păun. Din cele spuse mai sus, urmează imediat primul avantaj al dezvoltării Iridigmei, constând în faptul că nu a presupus inițial utilizarea coloranților. De aceea, afișajele bazate pe acesta de-a lungul timpului nu ar trebui să-și piardă luminozitatea și saturația culorii. Elementul cheie al tehnologiei, care la acea vreme se numea iMoD Matrix, este modulatorul de interferență iMoD (Interference Modulator). Este un exemplu de sistem MEMS microelectromecanic și constă dintr-un film translucid pe un substrat de sticlă, capabil să reflecte parțial și să transmită parțial lumina și o membrană metalică flexibilă. Acesta din urmă poate fi în două stări: în primul caz, există un spațiu de aer între acesta și film, în al doilea, nu există. Trecerea de la o stare la alta se realizează datorită interacțiunii electrostatice ca urmare a aplicării unei tensiuni externe de polaritate diferită, iar după îndepărtarea acesteia, membrana păstrează o nouă configurație.

Când filmul și membrana sunt separate printr-un spațiu de aer, undele luminoase reflectate de peliculă interferează cu undele transmise prin acesta și apoi reflectate de membrană, ducând la eliberarea de radiații de o anumită culoare. Dacă nu există niciun decalaj, atunci nu apare nicio interferență. Variând dimensiunea golului, se pot obține trei culori primare: cu cea mai mare grosime a spațiului de aer - roșu, cu o medie - verde și cu cea mai mică - albastru. Dimensiunile unui modulator de interferență sunt de numai zeci de microni. Un pixel dintr-un afișaj iMoD Matrix este format din trei sub-pixeli - roșu, verde și albastru, fiecare dintre care este format din mai multe rânduri de modulatori. În acest caz, circuitele de control sunt situate la marginile afișajului.

Printre avantajele soluției propuse, pe lângă calitatea bună a imaginii, experții remarcă un nivel foarte scăzut de consum de energie, care, în cazul unei implementări comerciale a tehnologiei, o poate face cea mai bună alegere pentru o varietate de dispozitive mobile. . Deși volumele de producție sunt încă în discuție, PVI a trimis deja prototipuri de dispozitive viitoare companiilor partenere din industria telefoanelor mobile, smartphone-urilor și laptopurilor. Cu cât tehnologia este adoptată mai devreme pentru ecranele mici și medii, cu atât mai devreme poate apărea pe dispozitive mai mari precum panourile TV.

Surse de alimentare MEMS pentru dispozitive portabile

Unul dintre domeniile noi și promițătoare este utilizarea MEMS pentru a crea pile de combustie și generatoare de energie care sunt destinate dispozitivelor electronice portabile ale generațiilor viitoare (CD playere, camere digitale, asistenți digitali personali). Este suficient să spunem că peste 200 de rapoarte au fost prezentate pe această temă la conferința IEEE din februarie anul trecut.

Toshiba Corporation (http://www.toshiba.co.jp) lansează o pilă de combustie cu metanol direct bazată pe MEMS cu o capacitate de 140 cm3, cu o putere de ieșire de 1 W, nominală pentru 20 de ore de funcționare. Micropompa a fost concepută pentru a pompa gaze și lichide și pentru a menține consumul de energie și dimensiunea în limite acceptabile. Designul folosește un ansamblu electrolitic cu membrană polimerică cu un catod și un anod pentru a îndeplini funcțiile unei celule de combustibil. Fiecare electrod are un strat catalitic și de difuzie a gazului. Dimensiunile dispozitivului corespund aproximativ cu dimensiunile unui telefon mobil convențional.

Dezvoltarea în comun a unui generator puternic de energie de către dezvoltatorii institutelor tehnologice din Massachusetts și Georgia a stârnit un mare interes. Această tehnologie se bazează pe o structură MEMS micromecanică care utilizează un magnet permanent. Generatoarele sunt mașini trifazate, axiale, sincrone. Mai mult, fiecare dintre ele constă dintr-un stator cu bobinaj la suprafață cu mai mulți poli și un rotor bazat pe un magnet permanent. Bobinele micromecanice cu spații strânse între conductori și geometrii cu lățime variabilă sunt elementele cheie pentru o densitate mare de putere. La o viteză de rotație de 120 mii rpm, generatorul a demonstrat conversia energiei mecanice în energie electrică la nivelul de 2,6 wați. Cuplat cu un transformator și un redresor, generatorul furnizează 1,1 wați de curent continuu unei sarcini rezistive. Pentru cazul unei mașini active cu dimensiuni totale de 9,5 mm (diametrul exterior), 5,5 mm (diametrul interior), 2,3 mm (grosime), aceasta corespunde unei puteri de 10 MW/m3. Dezvoltatorii cred că acest tip de generatoare MEMS poate furniza putere de la 10 la 100 de wați. Ei cred, de asemenea, că generarea de energie electrică la acest nivel creează premisele pentru crearea de dispozitive scalabile folosind magneți permanenți pentru aplicații practice. Astfel de generatoare electrice pot fi alimentate de o varietate de surse primare, inclusiv fluxul de fluid, gaz comprimat sau motoare mici cu ardere internă, cum ar fi turbinele cu gaz de dimensiuni micron.

Dezvoltatorii de la Massachusetts Institute of Technology, împreună cu Lincoln Laboratory, au creat un generator de putere cu turbină cu inducție electrocvasistatică. Cu excitație autorezonantă, a fost atinsă o putere de ieșire de 192 MW. Generatorul este format din cinci straturi de siliciu topite la 700 de grade. Statorul este o structură a unui electrod de oxid de platină format pe o insulă de oxid adâncă, iar rotorul este o peliculă subțire de polisiliciu ușor dopat, situat și pe o insulă de oxid. Generarea de energie este limitată de capacități interne și externe, astfel încât simularea este necesară pentru a atinge niveluri mai mari de putere.

O nouă abordare, propusă de personalul Institutului de Tehnologie din California, este folosirea matricelor MEMS ale generatoarelor de energie cu electret rotativ lichid. Aceste dispozitive sunt condensatoare de încărcare statică acoperite cu teflon, cu goluri umplute cu aer și picături de lichid care se mișcă cu vibrații. Pe măsură ce lichidul se mișcă între goluri, pe condensator este generată o tensiune netă, în timp ce sarcina oglindă este redistribuită pe electrod în funcție de poziția picăturilor.

MEMS sunt, de asemenea, promițătoare pentru producția de instrumente care să ajute la crearea pilelor de combustibil miniaturale și a microreactoarelor chimice catalitice. Unul dintre instrumente este un micro-regulator pasiv pentru controlul fluxului de gaz în celulele de combustibil miniaturale. Prima astfel de dezvoltare a fost realizată în comun de Canon Corporation și Universitatea din Tokyo.

Note

Cel mai mic senzor
Anul trecut, Institutul Național de Standarde și Tehnologie din SUA a anunțat crearea unui senzor magnetic miniatural care poate detecta modificări ale câmpului magnetic de ordinul a 50 pT (de milioane de ori mai slab decât câmpul magnetic al Pământului). Un dispozitiv de dimensiunea unui bob de orez este de aproximativ 100 de ori mai mic decât senzorii moderni cu sensibilitate similară. Noul senzor magnetic poate fi fabricat și asamblat folosind microelectronica și tehnologiile MEMS existente. Noul magnetometru este capabil să detecteze arme ascunse la o distanță de 12 m sau o țeavă de oțel cu diametrul de 150 mm subteran la o adâncime de 35 m. Senzorul funcționează pe principiul detectării modificărilor subtile ale nivelurilor de energie electronică într-un câmp magnetic. Un element miniatural de rubidiu este încălzit într-o celulă transparentă sigilată până când se formează vapori de rubidiu. Un fascicul laser semiconductor este trecut printr-un vapor atomic. În prezența unui câmp magnetic, o parte din radiația laser este absorbită de atomi și aceasta este detectată de o fotocelulă. Câmpurile magnetice mari provoacă modificări proporționale mari ale nivelurilor de energie atomică și modifică absorbția atomului.

Nanosenzori în spațiu
Într-un proiect comun între NASA și Aerospace Corporation, se plănuiește crearea unei „cutii negre” care va folosi nanosenzori cu cântărirea de câteva grame. Astfel de dispozitive vor servi pentru a colecta date despre intrarea obiectelor spațiale în atmosfera Pământului din spațiu. După ce a trecut de o secțiune periculoasă de mare viteză și a intrat în straturile dense ale atmosferei, cutia neagră va „chema acasă” și va transmite date folosind satelit înainte de a ateriza pe uscat sau pe apă.

Prin comparație, Industrial Aviation Black Box (REBR) cântărește aproximativ 2,2 lire sterline. NASA este programată să testeze REBR în toamna lui 2006 la bordul unei rachete Delta II nereturnabile. Dacă testele au succes, se plănuiește utilizarea nanotehnologiei în expedițiile pe Lună și Marte. Nanosenzorii ar putea fi ambalați în sfere mici pentru a fi utilizați pe nava spațială Crew Exploration Vehicle (CEV) care este dezvoltată pentru a înlocui naveta. După cum a anunțat președintele Bush, un zbor demonstrativ CEV va avea loc în 2008 și un zbor cu echipaj în 2014.

Nanotehnologia poate servi la îndeplinirea funcțiilor de control la bord. Sondele pot fi folosite ca dispozitive de recunoaștere care selectează locurile de aterizare pentru o navă spațială sau pentru a orienta o navă spațială pe un teritoriu necunoscut. Semnalele radio de la nanosonde vor informa echipajul unde se află.

Nanotehnologia poate juca, de asemenea, un rol în zborurile de „aerocaptură” sau la intrarea într-o atmosferă necunoscută. În tehnica de aerocaptură, atmosfera planetară este folosită pentru a schimba viteza navei. Nava spațială face un „salt” adânc în atmosferă pentru a stabili o orbită fără a utiliza propulsor. Această metodă ar reduce masa tipică a unei nave spațiale interplanetare la jumătate, permițând utilizarea vehiculelor mai mici și mai puțin costisitoare.

Sonda de recunoaștere se poate deplasa înaintea navei și poate furniza date despre presiunea atmosferică și densitatea, determinând un coridor de zbor cu o poziție stabilă a navei și reducând riscul unei misiuni de captare a aerului.