3.4. Микроэлектромеханические и наноэлектромеханические системы
3.4.1. Микроэлектромеханические системы Общие сведения о мэмс и нэмс
Микроэлектромеханические системы (МЭМС) – это технологии и устройства, объединяющие в себе микроэлектронные и микромеханические компоненты. В Европе вместо МЭМС используют термин MST – Microsystem Technology, в Японии –термин «мехатроника». Обычно МЭМС-устройства представляют собой интегрированные устройства, выполненные на полупроводниковой (чаще всего – кремниевой) подложке и включающие в себя чувствительный элемент (сенсор) или актюатор, а также схему преобразования сигналов, системы хранения и передачи информации. Сенсор – это измерительное устройство, которое преобразует то или иное физическое воздействие в электрический сигнал. К сенсорам относятся акселерометры, гироскопы, магнетометры; датчики давления, расходомеры и т. д. Актюатор в общем понимании этого слова представляет собой исполнительное устройство, преобразующее один вид энергии (электрическую, магнитную, тепловую, химическую) в другой (чаще всего – в механическую). Это могут быть исполнительные устройства перемещения или поворота, гидравлические и пневматические клапаны, реле, струйные сопла, моторы, насосы, турбины и т. д.
МЭМС изготавливаются с помощью хорошо отработанных технологий производства интегральных микросхем, которые включают в себя стандартные технологические операции осаждения тонкопленочных слоев, литографии, травления и т. д. Для формирования механических и электромеханических элементов при изготовлении МЭМС используются совместимые процессы микрообработки, позволяющие селективно вытравливать элементы кремниевой подложки или добавлять новые структурные слои. Совмещая в себе элементы полупроводниковой микроэлектроники и механические элементы, созданные микрообработкой, МЭМС делают возможным создание полной лаборатории на чипе. В таких решениях к вычислительным мощностям микропроцессоров добавляются возможности восприятия окружающей среды с помощью интегрированных микросенсоров и воздействия на нее с помощью микроактюаторов. В такой системе микроэлектронная интегральная схема выполняет роль ее «мозга», а МЭМС предоставляет ей «глаза» и «руки», позволяя системе распознавать и контролировать параметры окружающей среды.
Микросенсоры системы способны собирать информацию об окружающей среде, измеряя механические, термические, биологические, химические, оптические и магнитные параметры; микропроцессоры обрабатывают полученную информацию и, реализуя алгоритм принятия решений, производят с помощью микроактюаторов ответные действия, управляя движением, позиционированием, стабилизацией, фильтрацией и пр. Поскольку производство МЭМС-устройств использует большое количество технологических приемов, заимствованных из микроэлектроники, это позволяет, при относительно низких затратах, реализовывать на маленьком полупроводниковом чипе системы, беспрецедентные по уровню сложности, функциональности и надежности.
Типичные размеры микромеханических элементов (компонент системы) лежат в диапазоне от 1 до 100 мкм, тогда как размеры кристалла МЭМС-микросхемы достигают величин от 20 мкм до 1 мм. В качестве примера на рис. 3.116 показаны различные конструкции зубчатых элементов гребенчатых микродвигателей МЭМС.
Рис. 3.116. Конструкции зубчатых элементов гребенчатых микродвигателей МЭМС
Наноэлектромеханические системы (НЭМС) представляют собой устройства, объединяющие в себе электронные и механические компоненты размером до 100 нм. Они являются следующим шагом миниатюризации по отношению к МЭМС. В настоящее время наноэлектромеханические системы могут изготавливаться как методами «сверху – вниз», к которым относятся традиционные методы микроэлектроники (оптическая, рентгеновская и электронно-лучевая литографии), так и методами «снизу – вверх», такими как молекулярное распознавание и самосборка. Следует отметить, что НЭМС-технологии находятся в основном на стадии научных исследований, какого-то серийного производства НЭМС-устройств практически нет. Наиболее близкими к массовому производству являются высокочастотные осцилляторы и некоторые виды химических сенсоров.
На основе МЭМС-технологий в настоящее время выпускается большое количество таких устройств, как сопла для струйных принтеров, акселерометры, гироскопы, микромоторы и микрозахваты, варакторы и переменные индуктивности, высокочастотные фильтры и резонаторы, аттенюаторы, микрозеркала, устройства для лаборатории-на-чипе (lab-on-chip), датчики давления и расходомеры. Рынок МЭМС-устройств непрерывно развивается: текущий объем рынка (данные на 2014 год) составляет порядка 14 млрд. долларов и согласно оценкам будет иметь ежегодный рост порядка 13 %, прогноз на 2018 год составляет порядка 22 млрд. долларов. Среди основных производителей МЭМС-устройств такие известные фирмы, как STMicroelectronics, Texas Instruments, Bosch, Hewlett Packard, Analog Devices и др.