Механика, лояльная к кремнию и нанотехнологиям. Микроэлектромеханические системы

Наномир на данный момент является своего рода фронтиром – передним краем науки, который пока еще только покоряют ученые-пионеры. А вот микромир уже достаточно давно освоен и в нем вовсю идет строительство. Пожалуй, самым впечатляющим типом микроструктур, которые создаются людьми, являются MEMS – микроэлектромеханические системы.

Обычно MEMS делят на два типа: сенсоры – измерительные устройства , которые переводят те или иные физические воздействия в электрический сигнал, и актуаторы (исполнительные устройства) – системы, которые занимаются обратной задачей, то есть переводом сигналов в те или иные действия. В этой части статьи поговорим о первой категории MEMS.

Датчики движения

Пожалуй, самыми «трендовыми» из MEMS-сенсоров являются датчики движения. Они в последнее время постоянно на слуху: телефоны, коммуникаторы, игровые приставки, фотокамеры и ноутбуки все чаще и чаще снабжаются акселерометрами (датчиками ускорения) и гироскопами (датчиками поворота).

В мобильных телефонах и видеоприставках чувствительность к движениям пользователя используется в основном, что называется, «для прикола». А вот в портативных компьютерах акселерометры выполняют очень даже полезную функцию: улавливают момент, когда жесткий диск может подвергнуться повреждению из-за удара и паркуют его, диска, головки. В фототехнике использование датчиков движения не менее актуально – именно на их основе работают честные системы стабилизации изображения.

Классический гироскоп образца XIX века. Засунуть такой в iPhone или джойстик Wii довольно-таки затруднительно

Впрочем, рассуждать о том, что в реальности полезнее – активные игры на Wii, функция автоматического поворота картинки на iPhone, защита винчестера или возможность снимать фотографии без смазывания – дело неблагодарное. Покупателям нравится и то, и другое, и третье, и четвертое. Поэтому производители в последнее время стараются как можно более плотно использовать датчики движения.

Благо, возможностей у них для этого предостаточно: автопроизводители (из массовых индустрий они первыми опробовали данного рода устройства) уже несколько десятилетий активно эксплуатируют датчики движения, например, в подушках безопасности и антиблокировочных системах тормозов.

Так что соответствующие чипы давно разработаны, выпускаются целым рядом крупных и сравнительно мелких компаний и производятся в таких количествах, что цены давно и надежно сбиты до минимума. Типичный MEMS-акселерометр сегодня обходится в несколько долларов за штуку.

И места занимает – всего ничего. Для примера, размер корпуса пьезогироскопа Epson XV-8000 составляет 6×4,8×3,3 мм, а трехосного акселерометра LIS302DL производства ST Microelectronics – всего лишь 3×5×0,9 мм. Причем речь именно о размерах готового устройства с корпусом и контактами – сам кристалл еще меньше.

Датчик движения Epson XV-8000. И это далеко не самый компактный MEMS-сенсор

На сегодняшний день наиболее популярны датчики движения, основанные на конденсаторном принципе. Подвижная часть системы – классический грузик на подвесах. При наличии ускорения грузик смещается относительно неподвижной части акселерометра. Обкладка конденсатора, прикрепленная к грузику, смещается относительно обкладки на неподвижной части. Емкость меняется, при неизменном заряде меняется напряжение – это изменение можно измерить и рассчитать смещение грузика. Откуда, зная его массу и параметры подвеса, легко найти и искомое ускорение.

Основной принцип работы конденсаторных акселерометров

Это теория. На практике, MEMS-акселерометры устроены таким образом, что отделить друг от друга составные части – грузик, подвес, корпус и обкладки конденсатора – не так-то просто. Собственно, изящество MEMS в том и заключается, что в большинстве случаев в одной детали здесь удается (а вернее, попросту приходится) комбинировать сразу несколько предметов.

Относительно простой, но чрезвычайно миниатюрный и чувствительный MEMS-акселерометр разработки Sandia Labs

Зачастую, современные MEMS-гироскопы устроены идентично акселерометрам. Просто в них значения ускорений по осям пересчитываются в значения углов поворота – конструкция примерно та же, но на выходе другая величина.

Гироскоп L3G4200D производства ST Microelectronics используется в iPhone 4

Тот же STM L3G4200D, фотография с большим увеличением

Однако встречаются и гироскопы, устройство которых «заточено» именно под вращение. Такие MEMS – одни из красивейших.

Еще один гироскоп ST Microelectronics – LYPR540AH

Крупный план STM LYPR540AH. Толщина деталей этой ажурной конструкции – около 3 микрон!

Еще один MEMS-гироскоп

Помимо конденсаторных датчиков, существуют MEMS-акселерометры, использующие иные принципы. Например, датчики, основанные на пьезоэффекте. Вместо смещения обкладок конденсатора, в акселерометрах такого типа происходит давление грузика на пьезокристалл. Основной принцип тот же, что и в пьезозажигалках – под воздействием деформации пьезоэлемент вырабатывает ток. Из значения напряжения, зная параметры системы, можно найти силу, с которой грузик давит на кристалл – и, соответственно, рассчитать искомое ускорение.

Основной принцип работы акселерометров на пьезоэлементах

Есть и более экзотический тип MEMS-акселерометров – термальные датчики ускорения. В них в качестве основного объекта используется горячий пузырек воздуха. При движении пузырек отклоняется от центра системы, это отслеживается датчиками температуры. Чем дальше сместился пузырек – тем больше величина ускорения.

Двухосный термальный акслерометр

Микрофоны

Менее популярный в статьях и обсуждениях, но гораздо более массовый тип MEMS-устройств – микроскопические микрофоны. Опять-таки, наиболее распространенными системами этого типа являются те, которые основаны на конденсаторном принципе.

Устроены они – проще некуда. Принципиально важных элементов в таком микрофоне всего два: это гибкая обкладка – мембрана, и более толстая, неподвижная обкладка. Под воздействием давления воздуха мембрана смещается, изменяется емкость между обкладками – при постоянном заряде изменяется напряжение. Эти данные пересчитываются в амплитуды и частоты звуковой волны.

Чтобы минимизировать влияние давления воздуха на неподвижную обкладку, эта обкладка перфорируется. Кроме того, под ней делается сравнительно большая ниша с обязательным вентиляционным отверстием. Идея в том, что единственным подвижным элементом в системе в идеале должна быть мембрана – и только она.

микроэлектромеханический микрофон под микроскопом. Диаметр мембраны чуть больше половины миллиметра

Как и в случае с акселерометрами, здесь может быть использован пьезоэффект – в этом случае под мембраной ставится пьезокристалл. Дальше – как и в случае пьезоакселерометров: давление воздуха передается мембраной на пьезоэлемент, под этим воздействием кристалл вырабатывает ток. Напряжение измеряется и переводится в амплитуду и частоту звука.

Самый миниатюрный MEMS-микрофон компании Akustica (площадь кристалла – 1 кв.мм) теряется рядом со своими более крупными родственниками

Датчики давления

То, что годится для звука, подходит и для измерения давления в иных областях. Похожие на микрофоны MEMS-системы могут использоваться в качестве датчиков давления. Несложно догадаться, что применение такие сенсоры находят в уйме областей.

Но можно выделить одну область, которая является наиболее интересной и наиболее специфичной для датчиков давления, основанных на MEMS-технологии. Это медицина. Здесь размер действительно имеет значение. Если в какой-нибудь трубопровод вполне можно встроить «обычный», макроскопический датчик, то с кровеносным сосудом такой фокус, очевидно, не получится. Тут нужны очень и очень компактные решения.

Ультракомпактный и высокоточный датчики давления на фоне одноцентовой монеты (по размеру она примерно эквивалентна нынешним русским 50 копейкам)

Разумеется, в медицине востребованы не только датчики давления. Существует множество микроскопических биодатчиков, измеряющих массу разнообразных величин – от температуры до уровня глюкозы. Есть и более неожиданные устройства, вроде микроскопических систем подачи лекарств. И, разумеется, есть куча интереснейших прототипов, многие из которых в принципе не имеют аналогов среди макроустройств.

Прототип щипцов для микрохирургии глаза. Размеры головки щипцов – порядка 1,5х1,5 миллиметра. Толщина губ – несколько десятков микрон. Человеческий волос этими щипцами подцепить не получится – он для них слишком толстый

Что ж, разговор о MEMS-сенсорах мы на этом завершим. Впереди у нас еще более интересная и захватывающая тема: MEMS-актуаторы. Печатающие головки струйных принтеров, микрозеркальные матрицы, элементы оптико-волоконных сетей и многое другое. Обещаем: скучно не будет!

MEMS-компоненты (рус. МЕМС) – расшифровываются, как микроэлектромеханические системы. Основной отлиительной особенностью в них является, то что они содержат в себе подвижную 3D-структуру. Она движется за счет внешнего воздействия. Следовательно, движутся в МЕМС-компонентах не только электроны, но и составные части.

MEMS-компоненты – это один из элементов микроэлектроники и микромеханики, изготовленный зачастую на кремниевой подложке. По структуре они напоминают однокристальные ИМС. Обычно эти механические части МЕМС имеют размеры от единиц до сотен микрометров, а сам кристалл от 20 мкм до 1 мм.

Рисунок 1 – один из примеров структуры MEMS

Примеры использования:

1. Изготовление различных микросхем.

2. МЭМС-осцилляторы в некоторых случаях заменяют .

3. Изготовление датчиков, среди которых:

акселерометр;

гироскоп

датчик угловых скоростей;

магнитометрический датчик;

барометры;

анализаторы среды;

измерительные преобразователи радиосигнала.

Материалы, применяемые в MEMS-структурах

К основным материалам, из которых изготавливаются МЕМС-компоненты относят:

1. Кремний. В настоящее время подавляющее большинство электронных компонентнов изготавливаются именно из этого материала. У него целый ряд преимуществ, среди которых: распространенность, прочность, при деформации практически не изменяет свойств (не появляется гистерезис). Основным способом изготовления кремниевых МЕМС является фотолитография с последующим травлением.

2. Полимеры. Так как кремний хоть и распространенный материал, но сравнительно дорогой, для его замены в некоторых случаях могут использоваться полимеры. Они производятся промышленностью в больших объемах и с разнообразными характеристиками. Основные методы изготовления полимерных МЕМС – это литьевое формирование, штамповка, стереолитография.

Производственные объемы на примере крупного производителя

Для примера востребованности этих компонентов приведем компанию ST Microelectronics. Она производит крупные инвестиции в МЕМС-технологии, в день на её фабриках и заводах производится до 3 000 000 элементов в день.

Рисунок 2 – производственные мощностя компании разрабатывающей MEMS-компоненты

Производственный цикл разбит на 5 основных крупных этапов:

1. Производство чипов.

2. Тестирование.

3. Упаковка в корпуса.

4. Финальное тестирование.

5. Поставка дилерам.

Рисунок 3 – цикл производства

Примеры МЕМС-датчиков разных типов

Рассмотрим несколько популярных МЕМС-датчиков.

Акселерометр – это прибор, который измеряет линейное ускорение. Его используют для определения метоположения или движение объекта. Используется в мобильной технике, автомобилях и прочем.

Рисунок 4 – три оси распознаваемые акселерометром

Рисунок 5 – внутренняя структура МЕМС-акселерометра

Рисунок 6 – пояснения к структуре акселерометра

Характеристики акселерометра на примере компонента LIS3DH:

1. 3 осевой акселерометр.

2. Работает с интерфейсами SPI и I2C.

3. Измерение по 4м шкалам: ±2, 4, 8 и 16g.

4. Высокое разрешение (до 12 бит).

5. Низкое потребление: 2 мкA в режиме Low power mode (1Гц), 11мкA в режиме Normal (50Гц) и 5мкA в режиме Power Down.

6. Гибкость работы:

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

Пропускная способность до 2.5 КГц;

32-уровневый FIFO (16-бит);

3 входа АЦП;

Датчик температуры;

Питание от 1.71 до 3.6 В;

Функция самотестирования;

Корпус 3 x 3 x 1 мм. 2.

Гироскоп – это прибор который измеряет угловое перемещение. С его помощью можно измерять угол вращения округ оси. Такие приборы могут использовать в качестве системы навигации и управления полетом летательных аппаратов: самолетов и различных БПЛА или для определения положения мобильных устройств.

Рисунок 7 – данные измеряемые гироскопом

Рисунок 8 – внутренняя структура

Для примера рассмотрим характеристики МЕМС-гироскопа L3G3250A:

3-Осевой Аналоговый Гироскоп;

Иммунитет к аналоговому шуму и вибрациям;

2 шкалы измерения: ±625°/с и ±2500°/с;

Power down и Sleep режимы;

Функция самотестирования;

заводская калибровка;

Высокая чувствительность: 2 мВ/°/с при 625°/с

Встроенный фильтр нижних частот

Высокая температурная стабильность (0.08°/с/°C)

Высокое шоковое состояние: 10000g в течении 0.1 мс

Температурный диапазон от -40 до 85°C

Напряжение питания: 2.4 - 3.6В

Потребление: 6.3 мA в Normal, 2 мA в Sleep и 5 мкA в Power Down режимах

Корпус 3.5 x 3 x 1 LGA

Выводы

На рынке МЕМС-датчиков кроме рассмотренных в докладе примеров есть и другие элементы, среди которых:

Многоосевые (например, 9-осевые) датчики;

Компасы;

Датчики для измерения окружающей среды (давления и температуры);

Цифровые микрофоны и прочее.

Современная промышленная высокоточные микроэлектромеханические системы, которые активно применяются в транспортных средствах и портативных носимых компьютерах.

Что такое МЭМС?Микроэлектромеханические системы (МЭМС) – это
системы, включающие в себя взаимосвязанные
механические и электрические компоненты микронных
размеров.
Трехосевой
акселерометр
Электрический
микродвигатель

Что такое МЭМС?

МЭМС =
Электроника + Микромеханика

История создания

1958 г. - первые прототипы интегральных схем (ИС);
1960 г. - мелкосерийный выпуск ИС;
1974 г. - промышленный выпуск тензодатчиков на
основе кремния (National Semiconductors);
1982 г. - термин микрообработка (micromachining)
используется для описания процессов изготовления
механических подсистем (диафрагм и микробалок);
1986 г. - в одном из отчетов министерства обороны
США был впервые использован термин
“микроэлектромеханические системы” (МЭМС);

Способы изготовления

Изготовление МЭМС
Объемная
микрообработка
(bulk micromachining)
Поверхностная
микрообработка
(surface micromachining)
Субтрактиный подход – от
целого отсекаем лишнее
(как изготовление статуи)
Аддитивный подход –
строим целое из
кирпичиков
(как строительство дома)

Объемная микрообработка

Это процесс, идущий от поверхности материалаосновы вглубь, при которой травлением
последовательно удаляются ненужные участки этого
материала, в результате чего остаются механические
структуры необходимой формы.
Микрозахват (microgripper)
Микрокантилеверы

Объемная микрообработка

Si
Отжиг
XeF2
SiO2
Si
SiO2
Si
Литография
Фоторезист
SiO2
Si
RIE
SiO2
Si

Поверхностная микрообработка

Это процесс, заключающийся последовательных
циклах нанесение тонких слоев материала, которые
затем с помощью литографии и последующего
травления приобретает необходимую геометрическую
форму
Система зубчатой
передачи
Элемент
тепловизионной
матрицы

Поверхностная микрообработка

Обобщенная схема изготовления МЭМС

Применение МЭМС

Датчики:
Акселерометры;
Гироскопы;
Магнетометры;
Датчики давления
расходометры
Исполнительные
механизмы (актуаторы):
Микродвигатели;
Микрозахваты;
Микрозеркала;
Области применения:
1. МЭМС-компоненты для высокочастотной электроники (RF MEMS);
2. Датчики на основе сил инерции;
3. Акустические и ультразвуковые МЭМС, датчики давления;
4. Оптические МЭМС;
5. Биомедицинские МЭМС;
6. Микроманипуляторы.

Высокочастотные МЭМС ключи

F2
F1
Земля
h0
Земля
Земля
Сигнал
S
V
V
Вид сверху
Вид сбоку
V’ = 0
Земля

Высокочастотные МЭМС ключи

Vкр= 30-50В

Датчик давления на основе МЭМС

P1
P2
F2
h
F1
Датчики давления
пьезорезистивного типа
Датчики давления
емкостного типа

Акселерометры и гироскопы

F1
F2

Акселерометры и гироскопы

Оптические МЭМС

Элементы МОЭМС: зеркала,
призмы, линзы
Электростатически
управляемое микрозеркало

Оптические МЭМС: DLP

DLP (Digital Light Processing) - технология, используемая во
многих проекторах
Устройство отклоняющих
зеркал
Красной стрелкой показан путь луча
света от лампы к матрице, через
диск светофильтров, зеркало и
линзу. Далее луч отражается либо в
объектив (жёлтая стрелка), либо на
радиатор (синяя стрелка).

Оптические МЭМС: микроболометры

Инфракрасное излучение пройдя сквозь систему линз попадает на
поглощающий элемент, нагревая его. Рядом с этим элементов находится
терморезистивная пленка, меняющее свое сопротивление от нагрева. Так
как температурные коэффициент изменения сопротивления при комнатной
температуре невелик (порядка 2% на градус для диоксида ванадия)

В исполнительных механизмах на основе МЭМС технологий обычно
задействуются следующие компоненты:
1. Элементы на основе обратного пьезолектрического эффекта – можно
получать большие величины силы, но величина смещения мала. Требует
высоких электрических напряжений;
2. Биморфные элементы на основе двух материалов с разным
температурным коэффициентом расширения. Можно получать большие
величины силы и смещения, процесс происходят медленно и им сложно
управлять;
3. Электростатические элементы, работающие за счет
электростатического притяжения и отталкивания между обкладками
конденсатора. Небольшие величины силы и смещения, легко изготовить,
требуются большие значения электрического напряжения;
4. Элементы на основе магнитных катушек. Слабые величины силы,
сложно изготовить;

Исполнительные механизмы МЭМС

Пьезакерамический элемент сканера
атомно-силового микроскопа
Биморфный (Si - Al)
элемент. Стрелкой
показано направление
изгиба при его нагреве

Исполнительные механизмы МЭМС

Электростатические актуатор
линейного движения
Электростатические актуатор
углового движения

Список литературы

1. “ВЧ МЭМС и их применение” Варадан В., Виной К., Джозе К.,
Техносфера, 2004.
2. “Электромеханические микроустройства”, Н. Мухуров,Г. Ефремов,
Litres, 2014.
3. MEMS and MOEMS Technology and Applications, P. Rai-Choudhury, SPIE
Press, 2000.
4. MEMS: Introduction and Fundamentals, M. Gad-el-Hak, CRC Press, 2005.
5. An Introduction to Microelectromechanical Systems Engineering, N. Maluf,

По данным аналитической компании iSuppli, потребительский рынок МЭМС в 2010 году вырос на 27% ($1.6 млрд.), и прогнозируемый доход от этих приборов в 2014 году составит $3.7 млрд. Постоянно растущий спрос на МЭМС со стороны рынка мобильных и потребительских устройств стимулирует расширение этого сектора, который, как ожидается, станет крупнейшим сегментом МЭМС в 2014 году.

МЭМС датчики стали ключевыми строительными блоками для реализации принципиально новых приложений в потребительских приборах. В последние годы датчики малых ускорений изменили облик множества устройств, от игровых приставок до мобильных телефонов, и от ноутбуков до бытовой техники, сделав возможной реализацию в них активируемых движением пользовательских интерфейсов и расширенных защитных функций. Теперь настала очередь МЭМС гироскопов и геомагнитных датчиков, использование которых может открыть новые возможности приложений и сделать их более привлекательными.

О технологии МЭМС акселерометров, измеряющих линейные ускорения, написано уже очень много. Поэтому в этой статье мы коснемся их лишь поверхностно, сосредоточившись на более подробном рассмотрении МЭМС гироскопов, геомагнитных датчиков и других устройств, способных обеспечить приложениям несколько степеней свободы.

МЭМС гироскопы

Способность этих гироскопов измерять угловые скорости вокруг одной или нескольких осей представляет собой естественное дополнение к МЕМС акселерометрам. Благодаря комбинации акселерометров и гироскопов появляется возможность отследить и зафиксировать движение в трехмерном пространстве. Это позволяет системным разработчикам создавать более совершенные пользовательские интерфейсы, высокоточные навигационные системы и многое другое.

Выпустив в последнее время более 30 различных типов гироскопов, имеющих высокую точность, малое потребление тока и компактный корпус, компания STMicroelectronics продолжает стремительное наступление на рынок МЭМС. Сердце гироскопов компании STMicroelectronics представляет собой микроэлектронный механический элемент, работающий по принципу камертона и использующий эффект Кориолиса для преобразования угловой скорости в перемещение специальной чувствительной структуры.

Рисунок 1.

Рассмотрим, например, простой вариант одноосевого курсового (yaw) гироскопа (см. Рисунок 1). Две подвижные массы находятся в непрерывном движении в противоположных направлениях, обозначенных синими стрелками. Как только произойдет изменение угловой скорости, сила Кориолиса, показанная желтыми стрелками, будет действовать в перпендикулярном направлении, и вызовет смещение масс, пропорциональное величине угловой скорости. Так как движущиеся электроды (роторы) сенсорной части датчика расположены рядом с фиксированными электродами (статоры), то любое смещение будет вызывать изменение электрической емкости конденсаторов, образованных статорами и роторами. Таким образом, осуществляется преобразование угловой скорости гироскопа в электрический параметр, величина которого детектируется специализированной схемой.

На основе разработанной STMicroelectronics МЭМС технологии выпущено уже более 600 миллионов акселерометров. Это указывает пользователям на правильность принятого в свое время технического решения, гарантирующего им возможность применения современной и надежной продукции непосредственно в конечных приложениях. По сравнению с другими гироскопами дифференциальный характер используемых STMicroelectronics камертонов делает систему нечувствительной к нежелательному линейному ускорению и случайной вибрации, воздействующей на сенсор. При наличии таких воздействий обе массы датчика будут смещаться в одном направлении, в результате чего за счет дифференциального включения будет регистрироваться нулевое результирующее изменение общей емкости.

Схему преобразования и нормирования сигнала, используемую в гироскопе, можно рассматривать как сочетание секции управления двигателем и воспринимающей части акселерометра (Рисунок 2).

• Секция управления предназначена для возбуждения механического элемента, вызывающего его колебания вперед и назад с помощью электростатического привода (актуатора).
• Воспринимающая часть определяет смещение масс, вызываемого силой Кориолиса, посредством измерения емкости. Это надежная и отработанная технология, используемая во всех МЭМС продуктах компании. Схема датчика формирует аналоговый или цифровой выходной сигнал, пропорциональный угловой скорости приобретенной датчиком.

Усовершенствованные функции снижения потребляемой мощности, встроенные в схему управления гироскопом, позволяют отключать датчик при бездействии. С другой стороны, датчик может находиться в спящем режиме, когда общее потребление гироскопа значительно уменьшается по сравнению с нормальным режимом работы, и, в тоже время, по команде пользователя немедленно переключаться в активный режим для измерения угловых скоростей.

Так же как и МЭМС акселерометры, МЭМС гироскопы STMicroelectronics представляют собой систему-в-корпусе (system-in-package - SIP) - механический элемент датчика и специализированная схема преобразования сигналов изготовлены на разных кристаллах и помещены в один корпус. Передовые конструкторские решения в совокупности с усовершенствованным корпусом позволили значительно уменьшить габаритные размеры датчика. Многоосевые МЭМС гироскопы выпускаются в корпусе размерами 3 × 5 мм с максимальной толщиной 1 мм (Рисунок 3), сохраняя при этом стабильность и обеспечивая высокие рабочие характеристики конечного устройства в течение всего срока службы.

Компания предлагает широкий ассортимент МЭМС гироскопов, от одно- до трехосевых, с диапазонами измерений от 30 до 6000 градусов в секунду. Такой выбор и характеристики МЭМС гироскопов дают разработчикам возможность реализации различных приложений, от систем стабилизации изображения до игровых устройств, устройств позиционирования и робототехники.

Аналогично тому, как это произошло с акселерометрами, появление 3-осевых МЭМС гироскопов предоставило возможность интегрировать современные человеко-машинные интерфейсы в мобильные телефоны, игровые консоли и другие приложения.

Не только движение

Теперь в потребительские устройства пробивает себе дорогу новый класс приборов - геомагнитные датчики. Способные измерять магнитное поле земли по нескольким осям, эти устройства позволяют расширить навигационные функции портативных устройств.

Так же как и для датчиков движения, основным и самым быстрорастущим рынком для геомагнитных датчиков стал рынок мобильных телефонов и потребительской электроники. В 2009 году было зафиксировано 10-кратное увеличение поставок электронных компасов. По данным компании iSuppli поставки этих устройств в 2013 году увеличатся до 540 миллионов единиц, а прогнозируемый совокупный темп годового роста составит 129%.

Среди различных способов изготовления кремниевых магнитных датчиков все шире используется AMR (анизотропная магнитно-резистивная) технология. Это связано с ее способностью сочетать высокое пространственное разрешение и высокую точность измерений с низким энергопотреблением, что исключительно важно для устройств с батарейным питанием. Принцип работы таких датчиков основан на изменении сопротивления тонкой полоски ферромагнитного материала под действием внешнего магнитного поля, перпендикулярного направлению тока, проходящего по этой полоске. Чувствительный элемент датчика, как правило, имеет конфигурацию моста Уитстона, как изображено на Рисунке 4, и состоит из магниторезисторов, имеющих в состоянии покоя одинаковое сопротивление R. Во время измерения на мост подается напряжение Vb, и через резисторы начинает протекать ток. Всякий раз, при воздействии на измерительный мост магнитного поля H, вектор намагниченности в двух противоположно расположенных резисторах моста смещается по направлению тока, что вызывает увеличение их сопротивления. В оставшихся двух противоположно расположенных резисторах моста вектор намагниченности смещается против направления тока, в результате сопротивление их уменьшается. Таким образом, в линейном диапазоне выход датчика пропорционален приложенному магнитному полю.

Мобильные телефоны давно стали самой активной сферой потребления датчиков, и установка в них магнитометров в сочетании с акселерометрами для реализации компасов с компенсацией наклона представляется все более заманчивой. Примером такого устройства, имеющего шесть степеней свободы, является производимая компанией STMicroelectronics микросхема цифрового MЭMC компаса LSM303DLH . В микросхеме, выпускаемой в компактном корпусе LGA, объединены высокоэффективный 3-осевой акселерометр и 3-осевой магнитометр повышенной точности (Рисунок 5). Подсистема магнитометра содержит дополнительные токопроводящие дорожки, позволяющие электрически управлять полярностью выходного напряжения и создавать поле смещения для компенсации внешних магнитных полей.

LSM303DLH обеспечивает высокоточное трехмерное измерение магнитных полей внутри зданий, автомобилей, а также на высоких широтах в США, Канаде и Северной Европе (и, разумеется, в России), где магнитное склонение поля Земли трудно измерять с помощью датчиков Холла. В сочетании с программными драйверами для считывания результатов измерений, автокалибровки и компенсации магнитных помех, доступными для многих популярных мобильных операционных систем, датчик LMS303DLH с 6 степенями свободы предоставляет разработчикам мощный инструмент для реализации навигационных функций.

Заключение

Недавно появившиеся крошечные, надежные и дешевые МЭМС гироскопы и магнитометры вместе со специальным ПО позволят расширить функции отслеживания и захвата движений, что приведет к созданию более захватывающих и реалистичных пользовательских интерфейсов во многих потребительских устройствах. Компания STMicroelectronics имеет все эти устройства в своем портфеле датчиков.

Недавно компания расширила номенклатуру МЭМС компонентов, выпустив микрофоны и датчики давления. МЭМС микрофоны (Рисунок 6) позволят создавать более компактные, легкие и тонкие мобильные телефоны и другие портативные устройства, с лучшей направленностью, высоким качеством звука и надежным шумоподавлением. С помощью МЭМС датчиков давления (Рисунок 7) потребительские устройства смогут измерять атмосферное давление и/или указывать точное местоположение во всех трех измерениях.

Алексей Борзенко

Многие из существующих инноваций не используют в полной мере свой потенциал вплоть до появления на рынке принципиально новых разработок. Так, одной из ключевых технологий вплоть до 2012 г. аналитическая компания Gartner называет технологию микроэлектромеханических систем — MEMS (Micro-Electro Mechanical Systems). Согласно последним прогнозам In-Stat/MDR, рынок MEMS растет на 13,2% каждый год. Кстати, эту отрасль ИТ-индустрии в Японии называют микромашинами (Micromachines), а в Европе — микросистемными технологиями (Micro System Technology). По мнению аналитиков из Gartner, микроэлектромеханические системы позволят с минимальными затратами повысить чувствительность и механическую отдачу устройств на уровне кристаллов.

Можно сказать, что MEMS — это множество микроустройств самой разнообразной конструкции и назначения, в производстве которых используются модифицированные технологические приемы микроэлектроники. Действительно, микроэлектромеханические системы получаются путем комбинирования механических элементов, датчиков и электроники на общем кремниевом основании посредством технологий микропроизводства. Все элементы могут быть реализованы в виде единого изделия, причем сразу десятками или сотнями, как микросхемы на кремниевой пластине. В основе этого лежит апробированная традиционная технология производства полупроводниковых интегральных микросхем. MEMS уже используются в нишевых приложениях, таких, как пассивные фильтры высокой частоты в терминалах беспроводной и сотовой связи, системы подвижных зеркал для мультимедийных проекторов, микрофоны. Число этих ниш и их размер растет сообразно рыночным потребностям.

В истории развития MEMS-технологии, по мнению ведущих современных специалистов, можно выделить четыре уже пройденных этапа. На первом непродолжительном этапе — исследовательском (с середины 50-х до начала 60-х годов прошлого столетия) основные усилия к формированию облика будущей технологии приложили как научные подразделения крупных компаний (в первую очередь знаменитая Bell Laboratories), так и собственно промышленные компании и академическая наука. Специфика этого периода заключается в том, что главное внимание уделялось востребованным во времена холодной войны технологиям двойного назначения, прежде всего созданию точных и дешевых датчиков различных типов (проектирование перспективных реактивных боевых самолетов, например, требовало значительного числа экспериментов), пригодных к массовому производству. Неудивительно, что второй этап развития технологии связывают исключительно с мощными промышленными (точнее, с военно-промышленными) компаниями: такие гранды, как Fairchild, Westinghouse, Honeywell, спешили коммерциализовать первые экспериментальные наработки. На коммерциализацию ушло довольно много времени, и только к началу 70-х годов академическая наука стала получать целевое финансирование от промышленности для решения задач сокращения стоимости и расширения областей применения MEMS-устройств. Еще через десять лет этот этап также был преодолен — и наступила пора микромашинного производства. Можно считать, что с конца девяностых годов прошлого века началась микромеханическая эпоха.

Многие эксперты, включая специалистов одной из ведущих фирм в этой области — Integrated Sensing Systems (http://www.mems-issys.com), — полагают, что MEMS-технология привносит буквально революционные изменения в каждую область применения путем совмещения микроэлектроники на основе кремния с микромеханической технологией, что позволяет реализовать систему на одном кристалле SoC (Systems-on-a-Chip). Так, технология MEMS дала новый импульс развитию систем инерциальной навигации и интегрированных систем, открыв путь к разработке «умных» изделий, увеличив вычислительные способности микродатчиков и расширив возможности дизайна таких систем.

Сегодня MEMS-устройства применяются практически повсюду. Это могут быть миниатюрные детали (гидравлические и пневмоклапаны, струйные сопла принтера, пружины для подвески головки винчестера), микроинструменты (скальпели и пинцеты для работы с объектами микронных размеров), микромашины (моторы, насосы, турбины величиной с горошину), микророботы, микродатчики и исполнительные устройства, аналитические микролаборатории (на одном кристалле) и т. д.

Базовые понятия

Вообще говоря, микросистема предполагает интеграцию ряда различных технологий (MEMS, КМОП, оптической, гидравлической и т. д.) в одном модуле. Например, технологии изготовления MEMS-устройств для СВЧ-применений (катушки индуктивности, варакторы, коммутаторы, резонаторы) подразумевают традиционные технологические циклы изготовления интегральных схем, адаптированные для создания трехмерных механических структур (это, например, объемная микрообработка, поверхностная микрообработка и так называемая технология LIGA).

Кремниевая объемная микрообработка включает технологию глубинного объемного травления. При таком процессе объемная структура получается внутри подложки благодаря ее анизотропным свойствам, т. е. различной скорости травления кристалла в зависимости от направления кристаллографических осей. Объемную структуру можно получить и методом наращивания, когда несколько подложек сплавляются и образуют вертикальные связи на атомарном уровне.

При поверхностной микромеханической обработке трехмерная структура образуется за счет последовательного наложения основных тонких пленок и удаления вспомогательных слоев в соответствии с требуемой топологией. Преимущество данной технологии — возможность многократного удаления (растворения) вспомогательных слоев без повреждения взаимосвязей базовых слоев. А главная ее особенность состоит в том, что она совместима с полупроводниковой технологией, поскольку для микрообработки используется обычная КМОП-технология.

Название технологии LIGA происходит от немецкой аббревиатуры Roentgen Lithography Galvanik Abformung, что означает комбинацию рентгеновской литографии, гальванотехники и прессовки (формовки). Здесь толстый фоторезистивный слой подвергается воздействию рентгеновских лучей (засветке) с последующим гальваническим осаждением высокопрофильных трехмерных структур. Сущность процесса заключается в использовании рентгеновского излучения от синхротрона для получения глубоких, с отвесными стенками топологических картин в полимерном материале. Излучение синхротрона имеет сверхмалый угол расходимости пучка. Источником излучения служат высокоэнергетические электроны (с энергией более 1 ГэВ), движущиеся с релятивистскими скоростями. Глубина проникновения излучения достигает нескольких миллиметров. Это обуславливает высокую эффективность экспонирования при малых временных затратах. Считается, что данная технология обеспечивает наилучшее отношение воспроизводимой ширины канала к его длине (при минимальных размерах).

Важнейшая составная часть большинства MEMS — микроактюатор (рис. 1). Обычно данное устройство преобразует энергию в управляемое движение. Размеры микроактюаторов могут довольно сильно варьироваться. Диапазон применения этих устройств чрезвычайно широк и при этом постоянно растет. Так, микроактюаторы используются в робототехнике, в управляющих устройствах, в космической области, в биомедицине, дозиметрии, в измерительных приборах, в технологии развлечения, в автомобилестроении и в домашнем хозяйстве. Например, микроактюаторы нужны для управления резонансными датчиками (они генерируют и передают им резонансную частоту), для управления режущими инструментами в микрохирургии. Это могут быть также различные микродвигатели, которые используются для управления микрореле, микрозеркалами и микрозажимами. Микроактюатором может быть даже микроэлектродное устройство для возбуждения мускульных тканей в неврологических протезах.

Рис. 1. Микроактюатор в MEMS.

Все методы активации (движение, деформация, приведение в действие) в таких устройствах кратко можно свести к следующим: электростатический, магнитный, пьезоэлектрический, гидравлический и тепловой. При оценке использования того или иного метода часто применяют законы пропорционального уменьшения размеров. Наиболее перспективными методами считаются пьезоэлектрический и гидравлический, хотя и другие имеют большое значение. Электростатическая активация применяется примерно в одной трети микроактюаторов, и это, вероятно, наиболее общий и хорошо разработанный метод; главные его недостатки — износ и слипание. Магнитные микроактюаторы обычно требуют относительно большого электрического тока, также на микроскопическом уровне. При использовании электростатических методов активации получаемый выходной сигнал на относительную единицу размерности лучше, чем при использовании магнитных методов. Иными словами, при одном и том же размере электростатическое устройство выдает несколько лучший выходной сигнал. Тепловые микроактюаторы тоже потребляют относительно много электрической энергии; главный их недостаток состоит в том, что генерируемое тепло приходится рассеивать.

Для оценки микроактюаторов используют такие критерии качества, как линейность, точность, погрешность, повторяемость, разрешение, гистерезис, пороговое значение, люфт, шум, сдвиг, несущая способность, амплитуда, чувствительность, скорость, переходная характеристика, масштабируемость, выход по энергии.

Датчики и микроактюаторы

Фактически понадобилось более 30 лет на то, чтобы появилось первое коммерческое приложение MEMS. Одной из первых MEMS-технологий, получивших повсеместное распространение, стали датчики ускорения (акселерометры), устанавливаемые сейчас практически во все современные автомобили для детектирования столкновения и выпуска защитных воздушных подушек (SRS). Известная корпорация Analog Devices (http://www.analog.com), изготовившая первые такие сенсоры в 1993 г., сейчас продает автомобилестроителям десятки миллионов так называемых iMEMS-акселерометров в год.

Один из типичных современных MEMS-акселерометров состоит из взаимно блокирующих штырей, которые поочередно перемещаются и фиксируются. Изменение ускорения отражается на емкости структуры, которую легко измерить. Элементы могут размещаться подобно гребням в случае линейных акселерометров или в виде ступицы колеса в случае вращающегося акселерометра. Вращающиеся акселерометры могут служить для расширения возможностей антиблокировочных систем автомобиля (ABS), так как они способны зафиксировать фактическое перемещение автомобиля, а не только блокировку колес.

Акселерометры воздушных мешков рассматриваются как один из лучших примеров MEMS-датчиков, предоставляющих изготовителям автомобилей одновременно выигрыш в стоимости и характеристиках. Подходит время, когда то же самое можно будет сказать относительно приборов контроля давления в шинах, которые в настоящее время интегрируются в серийно выпускаемые модели в ответ на закон по обеспечению безопасности. Однако существует еще одна область, где MEMS могут способствовать внедрению электроники в автомобиль — это защита от боковых ударов при аварии. Эксперты полагают, что это может внести большой вклад в продажи MEMS, если правительство США примет более жесткие стандарты для защиты от бокового удара при аварии. Специалисты Агентства обеспечения безопасности движения NHTSA считают, что подобные меры позволят спасти до тысячи жизней в год.

В накопителях на жестких дисках вращающиеся акселерометры могут использоваться для обнаружения ротационных перемещений, влияющих на позиционирование головки и способных привести к потере дорожки. Компенсация ротационных перемещений используется обычно в дорогих моделях дисководов, поскольку при затратах чуть большего времени на чтение и запись значительно меньше его требуется на восстановление позиционирования головки после удара.

Сотрудники Sandia National Laboratories разработали образец датчика, который может обнаруживать перемещение в менее чем 1 нм (рис. 2). Основная часть прибора представляет собой решетку, изготовленную из двух перекрывающихся гребенок (поперечный размер 50 мкм): одна неподвижная, другая прикреплена к пружине. Расстояние между зубцами гребенки составляет от 600 до 900 нм, что сопоставимо с длиной волны видимого света. Даже при незначительном перемещении прибора подвижная гребенка совершает колебания, расширяя или сужая решетку, образованную пересекающимися зубцами. Изменение зазоров решетки влияет на ее оптические свойства, и лазерный луч, отражаясь от перекрывающихся зубцов, будет заметно ярким или тусклым. Считается возможным использовать такой детектор как основу навигационного прибора, который сможет работать независимо от спутниковой сети глобальной системы позиционирования.

Рис. 2. Датчик MEMS

Традиционно системы позиционирования на базе движения страдают от накопления мелких ошибок. С течением времени эти ошибки могут привести к показаниям, отклоняющимся на мили от действительного положения. Позиционное фиксирование, характерное для прибора Sandia, обеспечивает гораздо более медленную деградацию характеристик. Кроме того, прибор может работать под водой и в туннеле, куда GPS-сигнал не проходит. В настоящее время ведется работа над созданием портативной версии прибора для того, чтобы его можно было передать другим исследователям для проведения экспериментов. Прибор на базе указанной конструкции может поступить на рынок через три-пять лет.

Микроактюаторы, работа которых основана на обратном эффекте (прикладываемое напряжение вызывает небольшие перемещения кремниевых структур), сегодня используются, например, для точной подстройки магнитных головок. Последние обычно отвечают за обнаружение сигналов в накопителях на магнитных дисках. При этом существенно повышается плотность информации «дорожка на дюйм», или tpi (track per inch), а следовательно, и емкость самого накопителя.

Есть и еще целый ряд успешных MEMS-изделий, таких, как головки микроструйных принтеров, гироскопы, датчики давления, которые сотнями миллионов поставляются медицинской и автомобильной промышленности. Назовем еще цифровые проекторы высокого разрешения, построенные на основе MEMS-массивов микрозеркал. За последние годы удалось достичь заметных успехов в изготовлении моторов, насосов и зажимов, сенсоров давления и смещения — множества самых разных по назначению механических агрегатов, настолько малых, что их не видно невооруженным глазом. Но обо всем по порядку.

DMD для DLP

Лежащая в основе любого проектора DLP (Digital Light Processing) технология цифровой обработки света базируется на разработках корпорации Texas Instruments (http://www.ti.com), создавшей новый тип формирователя изображения на основе MEMS. Еще в 1987 г. изобретенное Ларри Хорнбеком (Larry J. Hornbeck) цифровое мультизеркальное устройство DMD (Digital Micromirror Device) завершило десятилетние исследования Texas Instruments в области микромеханических деформируемых зеркальных устройств. Суть открытия состояла в отказе от гибких зеркал в пользу матрицы жестких зеркал, имеющих всего два устойчивых положения. DMD-кристалл — это матрица высокой точности, осуществляющая цифровое преобразование света (рис. 3).

Рис. 3. Современная разработка DMD-матрицы.

DMD-кристалл по сути представляет собой полупроводниковую микросхему статической оперативной памяти (SRAM), каждая ячейка которой (точнее, ее содержимое) определяет положение одного из множества (от нескольких сотен тысяч до миллиона и более) размещенных на поверхности подложки микрозеркал размером 16в16 мкм. Как и управляющая ячейка памяти, микрозеркало имеет два состояния, отличающихся направлением поворота зеркальной плоскости вокруг оси, проходящей по диагонали зеркала.

С помощью массива микроскопических зеркал формируется луч, причем каждое такое зеркало соответствует одному пикселу света в проецируемом изображении. В сочетании с цифровым сигналом, источником света и проекционным объективом эти зеркала обеспечивают самое высокое качество воспроизведения видео и графических изображений.

Электромеханическая память

Сегодня и припомнить-то трудно, сколько было разных идей по поводу того, что использовать для запоминающих устройств. А компания Cavendish Kinetics (http://www.cavendish-kinetics.com) предложила еще один подход к созданию энергонезависимых запоминающих устройств. В основе ее подхода лежат микроэлектронные механические системы с возможностью интеграции в КМОП-процессы. Память Cavendish Kinetics может выпускаться в двух вариантах, с возможностью однократной записи и со способностью перезаписи.

Как полагает компания, ее технология, названная Nanomech, обладает самым низким энергопотреблением среди встраиваемых типов памяти, а по скорости работы сравнима с флэш-памятью. Название Nanomech иллюстрирует ее принцип действия (рис. 4). Запоминающая ячейка представляет собой проводящую (металлическую) пластину — кантиливер (микроэлектромеханический актюатор), закрепленный над контактом. Если между контактным электродом и пластиной создать разность потенциалов, пластина изогнется и коснется контакта, в результате чего электрическое сопротивление упадет практически до нуля. Что любопытно, этот эффект обладает гистерезисом, так как после касания пластинки контакта происходит «залипание» — для разрыва контакта необходима дополнительная энергия. Таким образом, возможно создать память типа ПЗУ, в которую что-либо записать можно лишь однажды. Для перезаписи над пластинкой достаточно поставить дополнительный электрод, приложив к которому потенциал можно разомкнуть контакт.

Рис. 4. Принцип работы технологии Nanomech.

Действующие прототипы были созданы по КМОП-технологии с учетом проектных норм 0,35 мкм, однако компания уверяет, что такие ячейки памяти можно создавать при соблюдении проектных норм 45 нм. К преимуществам нового типа памяти следует отнести и то, что ток в режиме ожидания отсутствует, а для записи требуется затратить механическую энергию величиной всего 25 пкДж. Устройство остается работоспособным даже при температуре 200 град., при этом количество циклов записи-перезаписи может достигать 20 млн.

На CeBIT?2005 IBM продемонстрировала накопитель, обеспечивающий плотность записи данных свыше 19,2 Гбайт на 1 см2. Специалисты утверждают, что этот прототип микроэлектромеханической системы MEMS способен записать на площади размером с почтовую марку информацию, примерно эквивалентную емкости 25 DVD-дисков. Сотрудники IBM ласково назвали свое устройство Millipede («многоножка»), потому что у него тысячи очень мелких кремниевых шипов, которые могут «прошивать» рисунок из отдельных битов в тонкой полимерной пленке (рис. 5).

Рис. 5. MEMS-память Millipede.

Вообще говоря, технологию «многоножек» предложил несколько лет назад нобелевский лауреат Герд Бинниг, автор сканирующего туннельного микроскопа и сотрудник исследовательского института IBM. Он обратил внимание на способность микроскопа формировать в полимерах ямки наноразмера, наличие которых в определенных точках вещества можно трактовать как единичное значение бита. Бинниг, стараясь приспособить свое открытие к нуждам промышленности, научился одновременно сканировать множество подобных ямок. Таким образом, принцип работы Millipede напоминает всем хорошо известные перфокарты. Ключевым элементом новой технологии служит массив V-образных кремниевых кронштейнов (cantilever), на конце каждого из которых находится миниатюрная микронная игла. Данные записываются на носители, представляющие собой очень тонкий слой полимерного материала на кремниевой подложке. Наконечник каждого V-образного кронштейна с размещенной на нем иглой одновременно служит зоной повышенного сопротивления. При пропускании через него импульса электрического тока игла разогревается до температуры, превышающей температуру плавления полимера, и «выплавляет» в носителе воронку диаметром около 10 нм. Когда ток прерывается, игла остывает, а полимер затвердевает. Для считывания данных замеряют сопротивление «рабочей части» кронштейна. В этом случае игла также разогревается, но только до меньшей температуры, при которой полимер, используемый в носителе, еще не размягчается. Поверхность носителя сканируется, и при попадании иглы в воронку интенсивность теплоотвода от нее резко увеличивается, температура уменьшается, в результате сопротивление изменяется скачкообразно, за счет чего и фиксируется бит информации.

Возможность многократной записи обеспечивается особенностями вязкоупругих свойств полимерных систем. Дело в том, что в области воронки-бита полимер находится в так называемом метастабильном состоянии, из которого его можно вывести неким внешним воздействием, например, с помощью все того же разогрева до определенной температуры. Выполняется это путем прохода нагретой иглы над воронкой, после чего последняя исчезает, т. е. данные стираются. По заявлению специалистов IBM, на сегодняшний день им удалось достичь долговечности носителя, превышающей 100 тыс. циклов перезаписи.

Управление массивом игольчатых кронштейнов в Millipede осуществляется с помощью электронных цепей с временным мультиплексированием — подобно тому, как это делается в микросхемах DRAM. Перемещение носителя вдоль массива и его точное позиционирование обеспечиваются электромагнитным приводом. IBM утверждает, что Millipede подходит для мобильных устройств: цифровых камер, мобильных телефонов и USB-карт. Однако пока речь идет только о лабораторном образце, а до выхода на рынок Millipede дозреет года через два, не раньше.

Как отмечает аналитическая компания NanoMarkets в своем отчете по рынку памяти, сегмент энергонезависимой памяти к 2011 г. будет оцениваться в 65,7 млрд долл. При этом в понятие «энергонезависимой памяти» компания включила MRAM, FRAM, голографическую память, а также MEMS-разработки, выполненные с использованием новых технологий. По оценкам специалистов, рыночные доли типов энергонезависимой памяти, именуемых в обзоре Nanostorage (устройства хранения, выполненные с использованием микротехнологий), могут составить 40% как в секторе обычной памяти, так и в секторе дисковых устройств.

«Электромеханика» в телекоммуникациях

Одной из самых перспективных областей внедрения MEMS многие эксперты в настоящее время считают рынок телекоммуникаций. Еще в конце 2000 г. от Национальной лаборатории Sandia (http://www.sandia.gov), принадлежащей министерству энергетики США, отпочковалась частная компания MEMX (http://www.memx.com), занимающаяся вопросами коммерческого применения создаваемых в лаборатории MEMS-технологий. Компания сфокусировалась в своей деятельности на оптических коммутаторах для оптоволоконных телекоммуникационных систем. В их основу положена фирменная технология Sandia под названием SUMMiT V (от Sandia Ultraplanar Multilevel MEMS Technology). Это микромашинный процесс обработки поверхности кристалла напылением и травлением, охватывающий пять независимых слоев поликристаллического кремния — четыре «механических» слоя для построения механизмов и один электрический для обеспечения межсоединений всей системы. Технология позволяет доводить размеры механических элементов до 1 мкм.

Что же касается одного из электронных гигантов — корпорации Intel (http://www.intel.com), то решение о развитии технологий MEMS было принято ею еще в 1999 г. На весеннем Форуме Intel для разработчиков в 2002 г. было не только официально заявлено об интересе к микроэлектромеханическим устройствам, но и провозглашена стратегическая важность этого направления. Учитывая потенциал корпорации как в сфере разработок, так и в производстве, значение этого заявления для рынка MEMS переоценить было трудно. Примерно в это же время на заводе Intel Fab 8 была внедрена микроэлектромеханическая технология, позволяющая формировать внутри или на поверхности полупроводниковых кристаллов крошечные механические устройства — датчики, клапаны, шестерни, зеркала, исполнительные элементы. Для Intel MEMS это скорее микроэлектронные механические системы — микроскопические механические компоненты для устройств, которые отличаются пониженным энергопотреблением и сверхкомпактными конструктивными характеристиками и выполняют вычислительные и коммуникационные функции. Корпорация ведет исследования возможных применений этих технологий в антеннах, экранах, настраиваемых фильтрах, конденсаторах, индукторах и микрокоммутаторах.

Весной 2004 г. Intel начала предлагать своим партнерам для интеграции в сотовые телефоны радиочастотные front-end-модули, построенные по технологии MEMS. В подобный модуль интегрировано около 40 пассивных элементов, что позволяет сэкономить до двух третей пространства в сотовом телефоне. Количество и состав модулей зависят от нужд заказчиков, которым предлагается использовать такие MEMS-модули для миниатюризации пассивных фильтров, резистивных и емкостных цепей. В будущем в аналогичные модули планируется интегрировать низкоскоростные коммутаторы, а в перспективе, возможно, высокочастотные коммутаторы передачи/приема и фильтры на поверхностных акустических волнах SAW (Surface Acoustic Wave). Существующие дискретные SAW-фильтры хотя и довольно громоздки в сравнении с интегральными микросхемами, однако показатель качества фильтрации у них выше примерно на два порядка. К тому же, если размер SAW-фильтров измеряется в сантиметрах, то MEMS-резонаторов на 1 см2 площади можно разместить несколько десятков тысяч штук. Нынешнее поколение MEMS-модулей производится на фабрике Intel Fab 8 в Израиле на 200-мм пластинах с учетом проектных норм 0,25 и 0,35 мкм.

На последней конференции по интегральным схемам ISSCC?2005 были отмечены большие возможности рынка ВЧ-фильтров преселектора. Ученые из Мичиганского университета отметили, что такие фильтры найдут применение в телефонах для выбора нужного ВЧ-канала и устройствах ВЧ будущих поколений, где MEMS предоставляют решение с фактором качества Q выше 10 000, что значительно лучше показателя обычных керамических фильтров. Их коллеги из Texas Instruments, в свою очередь, сообщили о том, что MEMS ВЧ-фильтры можно использовать в малошумящих усилителях. Проблемой остается то, что MEMS-приборы дороги и их внедрение на промышленный рынок пока довольно затруднительно. Представитель фирмы XCom Wireless, выпускающей подсистемы на базе MEMS-реле и варакторов, считает перспективным их использование в программируемых радиоустройствах, а также в радиолокационных станциях с фазированными антенными решетками на спутниках.

Перспективы MEMS-дисплеев

По сообщению агентства DigiTimes, тайваньский производитель небольших панелей компания Prime View International (PVI) установила долгосрочные стратегические отношения с американской компанией Qualcomm MEMS Technologies (QMT, http://www.qualcomm.com). Основная область сотрудничества — разработка коммерческих решений на базе iMod-дисплеев, которые планирует выпускать QMT.

Вообще говоря, технология iMod Display основана на микроэлектронных механических системах MEMS и предпочтительна пока для мобильных устройств. Экран хорошо отображает информацию даже под прямым воздействием яркого солнечного света. Как заявляют представители Qualcomm, сегодня решены и многие проблемы, касающиеся энергопотребления. На ближайшие два года, в соответствии с подписанным контрактом, PVI заявлена как основной производитель подобных дисплеев. Руководители компаний оптимистично высказываются о развитии продвигаемой технологии. Ведь, помимо улучшения вышеназванных технических характеристик, решены и некоторые проблемы производственного процесса. Технология такова, что нет никакой необходимости в добавлении в панель ламп подсветки и цветовых фильтров. Интересно, что эти экраны будут даже тоньше TFT ЖК-панелей.

Стоит отметить, что используемое ныне ноу-хау QMT приобрела вместе с компанией Iridigm в сентябре 2004 г. Вообще говоря, идея данной технологии заключается в том, чтобы формировать цветные изображения методом интерференции световых волн — точно так же, как это происходит, к примеру, в крыльях бабочки или перьях павлина. Из сказанного выше сразу вытекает первое достоинство разработки Iridigm, состоящее в том, что она изначально не предполагала использования красителей. Именно поэтому дисплеи на ее основе со временем не должны утратить яркость и цветовую насыщенность. Ключевым элементом технологии, получившей в то время название iMoD Matrix, выступает интерференционный модулятор iMoD (Interference Modulator). Он представляет собой образец микроэлектромеханической MEMS-системы и состоит из полупрозрачной пленки на стеклянной подложке, способной частично отражать, а частично пропускать свет, и гибкой металлической мембраны. Последняя может находиться в двух состояниях: в первом случае между ней и пленкой есть воздушный зазор, во втором — нет. Переход из одного состояния в другое осуществляется за счет электростатического взаимодействия в результате приложения внешнего напряжения различной полярности, причем после его снятия мембрана сохраняет новую конфигурацию.

Когда пленка и мембрана разделены воздушным зазором, световые волны, отразившиеся от пленки, интерферируют с волнами, прошедшими сквозь нее и затем отразившимися от мембраны, в результате чего выделяется излучение определенного цвета. Если же зазор отсутствует, то никакой интерференции не происходит. Варьируя величину зазора, можно получить три основных цвета: при наибольшей толщине воздушной прослойки — красный, при средней — зеленый и при наименьшей — синий. Размеры одного интерференционного модулятора составляют всего десятки микрон. Один пиксел в дисплее на основе iMoD Matrix состоит из трех субпикселов — красного, зеленого и синего, каждый из которых образован несколькими рядами модуляторов. При этом управляющие схемы располагаются по краям дисплея.

В числе достоинств предлагаемого решения, помимо хорошего качества изображения, специалисты отмечают и очень малый уровень энергопотребления, что в случае коммерческой реализации технологии может сделать ее оптимальным выбором для разнообразных мобильных устройств. Хотя вопрос об объемах производства еще обсуждается, PVI уже разослала выпущенные прототипы будущих устройств компаниям-партнерам, работающим в сфере мобильных телефонов, смартфонов и портативных компьютеров. Чем быстрее технология будет принята для маленьких и средних экранов, тем скорее она может появиться и в более крупных устройствах, таких, как телевизионные панели.

MEMS-источники питания для портативных устройств

Одно из новых и перспективных направлений — использование MEMS для создания топливных элементов и генераторов питания, которые предназначаются для портативных электронных приборов будущих поколений (CD-проигрыватели, цифровые камеры, персональные цифровые секретари). Достаточно сказать, что по этой теме на конференции IEEE в феврале прошлого года было представлено более 200 докладов.

Корпорация Toshiba (http://www.toshiba.co.jp) выпускает топливный элемент с прямым использованием метанола на базе MEMS емкостью 140 см3, с выходной мощностью 1 Вт, рассчитанный на 20 ч работы. Микронасос был разработан для подкачки газов и жидкостей и для поддержания потребляемой мощности и размеров в приемлемых пределах. В конструкции используется полимерный мембранный электролитический узел с катодом и анодом для выполнения функций топливного элемента. Каждый электрод имеет каталитический и газодиффузионный слой. Размеры устройства примерно соответствуют габаритам обычного сотового телефона.

Большой интерес вызвала совместная разработка мощного генератора питания усилиями разработчиков Технологических институтов штатов Массачусетс и Джорджия. Эта технология основана на микромеханической MEMS-структуре с использованием постоянного магнита. Генераторы представляют собой трехфазные, осевые, синхронные машины. При этом каждый из них состоит из многополюсного статора с поверхностной намоткой и ротора на базе постоянного магнита. Микромеханические витки с малыми зазорами между проводниками и с геометрией переменной ширины служат ключевыми элементами, обеспечивающими высокую плотность мощности. При скорости вращения 120 тысяч об./мин генератор продемонстрировал преобразование механической энергии в электрическую на уровне 2,6 Вт. Связанный с трансформатором и выпрямителем генератор обеспечивает на постоянном токе мощность 1,1 Вт на резистивной нагрузке. Для случая активной машины с габаритными размерами 9,5 мм (внешний диаметр), 5,5 мм (внутренний диаметр), 2,3 мм (толщина) это соответствует мощности 10 МВт/м3. Разработчики полагают, что такого рода MEMS-генераторы могут обеспечить мощность от 10 до 100 Вт. Они также считают, что генерирование электрической мощности на данном уровне создает предпосылки для создания масштабируемых устройств с использованием постоянных магнитов для практических применений. Подобные электрические генераторы могут приводиться в действие различными первичными источниками, включая поток жидкости, сжатый газ или небольшие двигатели внутреннего сгорания, например, газовые турбины микронных размеров.

Разработчики из Массачусетского технологического института совместно с Линкольновской лабораторией создали электроквазистатический индукционный турбинный электрогенератор. При саморезонирующем возбуждении была достигнута выходная мощность 192 МВт. Генератор состоит из пяти кремниевых слоев, сплавленных при 700 град. Статор представляет собой структуру из оксидноплатинового электрода, сформированного на углубленном островке оксида, а ротор — это тонкая пленка из слаболегированного поликремния, расположенного также на островке оксида. Генерирование мощности ограничивается внутренними и внешними емкостями, поэтому для достижения более высоких уровней мощности необходимо моделирование.

Новый подход, предложенный сотрудниками Калифорнийского технологического института, заключается в использовании MEMS-матриц жидкостных роторных электретных генераторов питания. Эти устройства представляют собой конденсаторы статического заряда, покрытые тефлоном, с зазорами, заполненными воздухом и жидкими капельками, которые перемещаются при вибрации. При перемещении жидкости между зазороми на конденсаторе генерируется результирующее напряжение, в то время как зеркальный заряд перераспределяется на электроде в соответствии с положением капелек.

MEMS также перспективны для выпуска инструментов в помощь созданию миниатюрных топливных элементов и каталитических химических микрореакторов. Один из инструментов представляет собой пассивный микрорегулятор для контроля потока газа в миниатюрных топливных элементах. Первая такая разработка выполнена совместно корпорацией Сanon и Токийским университетом.

Примечания

Самый маленький датчик
В прошлом году Национальный институт стандартов и технологии США объявил о создании миниатюрного магнитного датчика, который может обнаруживать изменения магнитного поля порядка 50 пТ (это в миллионы раз слабее магнитного поля Земли). Прибор размером с рисовое зерно примерно в 100 раз меньше, чем современные датчики с аналогичной чувствительностью. Новый магнитный датчик можно изготовить и собрать с использованием существующих технологий микроэлектроники и MEMS. Новый магнетометр способен обнаруживать запрятанное оружие на расстоянии 12 м или стальную трубу диаметром 150 мм под землей на глубине 35 м. Датчик работает на принципе обнаружения незначительных изменений уровней энергии электронов в условиях магнитного поля. Миниатюрный рубидиевый элемент нагревается в герметичной прозрачной ячейке до образования пара рубидия. Луч полупроводникового лазера пропускается через атомный пар. При наличии магнитного поля некоторое количество лазерного излучения абсорбируется атомами, и это обнаруживается фотоэлементом. Большие магнитные поля вызывают пропорционально большие изменения уровней атомной энергии и изменяют поглощение атома.

Нанодатчики в космосе
В совместном проекте NASA и корпорации Aerospace планируется создать «черный ящик», в котором будут использованы нанодатчики массой несколько граммов. Подобные устройства будут служить для сбора данных о входе космических объектов в земную атмосферу из космоса. После прохождения опасного скоростного участка и входа в плотные слои атмосферы черный ящик будет «звонить домой» и передавать данные с использованием спутника до посадки на землю или водную поверхность.

Для сравнения: «черный ящик» промышленной авиации аналогичного назначения (REBR) весит около 2,2 фунта. NASA намечает опытные испытания REBR осенью 2006 г. на борту невозвращаемой ракеты Delta II. Если испытания пройдут успешно, планируется использовать нанотехнику в экспедициях на Луну и Марс. Нанодатчики могут быть упакованы в маленькие сферы, которые будут использоваться на космическом корабле Crew Exploration Vehicle (CEV), разрабатываемом для замены «челнока». Как объявил президент Буш, демонстрационный полет CEV состоится в 2008 г., а пилотируемый полет — в 2014 г.

Нанотехника способна послужить для выполнения контрольных функций на борту. Зонды могут использоваться как разведывательные устройства, которые выбирают места посадки для космического корабля, или для ориентирования корабля на незнакомой территории. Радиосигналы с нанозондов позволят экипажу знать, где он находится.

Нанотехника может также сыграть роль в полетах, использующих «аэрозахват», или при входе в незнакомую атмосферу. В технике аэрозахвата планетарная атмосфера используется для изменения скорости корабля. Космический корабль делает глубокий «прыжок» в атмосферу для установления орбиты без использования топлива. Этот метод позволит уменьшить типовую массу межпланетного космического корабля наполовину, позволяя задействовать меньшие, менее дорогие транспортные средства.

Разведывательный зонд может двигаться впереди космического корабля и предоставлять данные о давлении и плотности атмосферы, определяя полетный коридор с устойчивым положением корабля и уменьшением степени риска при выполнении миссии аэрозахвата.