Микроэлектромеханические системы (МЭМС) — устройства, объединяющие в себе микроэлектронные и микромеханические компоненты.

Механическим компонентом может быть миниатюрное зеркальце — элемент системы сканирования (например, для технологии DLP), либо примитивный инерциальный датчик, способный определить характерные движения, которые пользователь проделывает со своим устройством.

МЭМС-устройства обычно изготавливают на кремниевой подложке с помощью технологии микрообработки, аналогично технологии изготовления однокристальных интегральных микросхем. Типичные размеры микромеханических элементов лежат в диапазоне от 1 микрометра до 100 микрометров, тогда как размеры кристалла МЭМС-микросхемы имеют размеры от 20 микрометров до одного миллиметра.

Применение

В настоящее время МЭМС-технологии уже применяются для изготовления различных микросхем. Так, МЭМС-осцилляторы в некоторых применениях заменяют^[1] кварцевые генераторы. МЭМС-технологии применяются для создания разнообразных миниатюрных актуаторов и датчиков, таких какакселерометры, датчики угловых скоростей, гироскопы^[2], магнитометрические датчики, барометрические датчики, анализаторы среды (например для оперативного анализа крови), радиоприёмные измерительные преобразователи^[3].

Материалы для производства мэмс

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

Кремний

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

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

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

Основные методы получения всех МЭМС-устройств на основе кремния: осаждение слоев материала, структурирование этих слоев с помощьюфотолитографии и травления для создания требуемой формы.

Полимеры

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

Интеграция на едином кристалле микросхем с микроэлектромеханическими устройствами — наиболее безболезненный способ преодоления наноразмерных «выкрутас» электроники будущего. Микромашины открывают огромные перспективы для диверсификациии кремниевой электроники, а главное — для компактизации и повышения энерго- и экономической эффективности товаров электронной промышленности. Микроскопические сенсоры, актуаторы, резонаторы, да ещё и внедрённые в микрофлюидические системы — чего же ещё желать душеньке инженера, учёного, врача и пациента? Ну разве что наноэлектромеханики с нанофлюидикой — об этом тоже пара слов в статье сказана.

Микроэлектромеханика развивалась как отдельное направление полупроводниковой промышленности в течение 15-20 лет, однако при достижениипределов элементной интеграции в кристаллах это направление может возглавить диверсификацию CMOS-устройств и продлить славный путь кремния в электронике. Считается, что микроэлектромеханические системы позволят с минимальными затратами повысить чувствительность и механическую отдачу устройств на кристаллах. По предсказаниям экспертов, в ближайшие годы будет особенно интенсивно расширяться внедрение микроэлектромеханики в портативные медиаустройства (смартфоны, планшеты, ноутбуки).

Микроэлектромеханические системы (MEMS, MST, микромашины) — устройства из миниатюрных механических компонентов, интегрированных с микроэлектроникой, которые можно получать методами стандартной микрообработки.

Механическая составляющая часто представлена подвижными кронштейнами, консолями, мембранами, отверстиями, каналами и т.п.Размер устройств варьирует между единицами микрометров и миллиметрами, а основу обычно составляют микропроцессор и компоненты, взаимодействующие с окружающей средой. MEMS преобразуют механические воздействия в электричество (сенсоры) или проводят обратную трансформацию (актуаторы). Однако при рассмотрении приборов на основе этих систем подобное деление не всегда пригодно: в состав сложных сенсорных устройств могут входить MEMS-актуаторы, например.

Микромашины превосходят макроскопические аналоги по эффективности, в том числе экономической, обычно производятся хоть и по не слишком дешёвым и немного модифицированным, но отработанным кремниевым технологиям или же на основе полимеров. Для особых целей в ход идут металлы и керамика — например, устойчивый к биокоррозии нитрид титана (TiN) идеален при производстве биочипов, контактирующих со средами организма.

Кремниевые MEMS легко интегрируются со стандартными электронными устройствами управления и обработки данных. Различают два типа таких микросистем:

— гибридные: механическое устройство и отдельная микросхема размещены на общей подложке из кремния, стекла или кварца;

— монолитные: CMOS-микросхема и механические элементы интегрированы в одном кристалле. Последние отличаются более низкими издержками производства и корпусирования, причём один миниатюрный компонент может заменить тысячи традиционных элементов схемы.