История развития мэмс

Сложно сказать, когда впервые появились МЭМС-устройства, так как элементы ее неразрывно связаны с развитием интегральной электроники. Первые прототипы интегральных схем были изготовлены в конце 1958 года. Примерно в это же время были изготовлены тензодатчики на основе кремния, в которых механические напряжения вызывали изменение сопротивления вследствие пьезорезистивного эффекта. Промышленный выпуск таких датчиков был налажен только в 1974 году. К 1982 году термин микрообработка начал использоваться для описания процессов изготовления механических подсистем (диафрагм и микробалок) кремниевых датчиков ускорения и давления. Механические подсистемы изготавливались селективным травлением кремния. В 1986 году в одном из отчетов министерства обороны США был впервые использован термин «микроэлектромеханические системы», ставший в дальнейшем описанием различных интегральных устройств и технологий их производства.

Что касается технологии изготовления МЭМС-устройств, то в начале 60-х годов в производстве кремниевых транзисторов и других полупроводниковых приборов использовалось лишь изотропное травление кремния. При изотропном травлении материал удалялся с подложки при помощи химических реакций, причем скорость травления во всех направлениях была примерно одинаковой. В конце 60-х годов научились производить влажное анизотропное травление, которое отличалось от изотропного тем, что скорость травления материала зависела от кристаллографической ориентации кристалла кремния. Это дало возможность получения на подложке таких структур, как V-образные и U-образные канавки, пирамиды и т. д. Анизотропное травление является важной операцией при производства МЭМС-устройств, поскольку с ее помощью можно получать объемные структуры.

Заметным этапом в развитии МЭМС-технологий была разработка в начале 80-х годов технологии LIGA. Название технологии LIGA происходит от немецкой аббревиатуры Roentgen Lithography Galvanik Abformung, что означает комбинацию рентгеновской литографии, гальванотехники и прессовки (формовки). Суть технологии заключалась в том, что толстый рентгенорезистивный слой подвергался экспонированию рентгеновских лучей на большую глубину (до нескольких миллиметров). После проявления резиста в нем получались глубокие, с отвесными стенками отверстия нужной формы и размера, которые с помощью гальванического осаждения заполнялись электропроводящим материалом. После удаления резистивного слоя на подложке оставались «столбики» высотой, равной толщине резиста. Таким образом, технология LIGA позволяла формировать на поверхности подложки высокопрофильные трехмерные структуры. Это стимулировало появление множества новых МЭМС-устройств.

Так, в 1988 году сотрудниками университета в Berkeley (США) был создан первый электростатический двигатель (рис. 3.117а). В 1993 году компания Analog Devices стала первой, кто начал выпускать МЭМС-акселерометры (рис. 3.117б) в промышленном масштабе, которые сразу же нашли свое применение в различных областях техники. Чуть позже появились МЭМС-гироскопы, с помощью которых появилась возможность с высокой точностью измерять угловые скорости движения относительно трех координатных осей. Вместе с акселерометрами они составляют основу инерциальных навигационных систем. Начиная с середины 90-х годов рынок микроэлектромеханических систем испытал бурный рост, благодаря активному использованию различных миниатюрных сенсоров в автомобильной промышленности.

а) б)

Рис. 3.117. Электростатический двигатель (а) и акселерометр (б)

В настоящее время МЭМС-устройства повсеместно вошли в нашу жизнь. В первую очередь, это автомобильная промышленность (активная подвеска, системы навигации, системы безопасности, датчики давления в шинах). Инерциальные системы навигации на основе МЭМС-гироскопов и акселерометров используются также в беспилотных летательных аппаратах и необитаемых подводных аппаратах, а также в высокоточном оружии. Активно развиваются интегрированные многофункциональные мультисенсорные модули с десятью степенями свободы, объединяющие функции трехосевых акселерометров, гироскопов и магнетометров, а также сенсора давления.

МЭМС-устройства используются в робототехнике в качестве датчиков и систем контроля кинематических параметров движения. Они нашли применение в телекоммуникационной технике в качестве различных оптических и электронных переключателей. Одним из ярких примеров является цифровой микрозеркальный прибор, разработанный Texas Instruments, содержащий свыше 500 тысяч подвижных механических частей, предназначенный для формирования проекционного изображения и ряда других задач.

На основе датчиков давления изготовлены сверхчувствительные микрофоны, применяемые в телефонах, ноутбуках и планшетных компьютерах. С помощью МЭМС-технологий изготавливаются струйные сопла в лазерных принтерах. МЭМС-технологии позволяют изготовить исполнительные и сенсорные устройства микронных размеров: моторы, насосы, турбины, микророботы, аналитические микролаборатории.

МЭМС-технологии активно внедряются в технику радиосвязи, успешно конкурируя с электронными компонентами, полученными с помощью давно известных технологий. Среди таких МЭМС-устройств следует отметить резонаторы на объемных и поверхностных волнах, перестраиваемы конденсаторы, фильтры, переключатели и осцилляторы. Большой интерес вызывают устройства, способные осуществлять мониторинг биохимического состояния окружающей среды. В отличие от спектрометров и хроматографов, которые способны с высокой точностью идентифицировать летучие компоненты в воздухе, но при этом не могут быть встроены в переносные устройства по причине их большого энергопотребления, «электронный нос» в принципе способен имитировать механизм обоняния человека. Для функционирования такого «электронного носа», а также различных исполнительных микроустройств требуются источники питания соответствующих размеров. Компания Sharp, например, изготовила солнечную батарею в виде пленки толщиной от 1 до 3 мкм. Есть примеры использования в качестве источников питания микророботов электрических батарей размером 1 мкм.