Технология MEMS. Механика, лояльная к кремнию и нанотехнологиям

микроэлектромеханические системы сокр., МЭМС (англ. сокр., MEMS ) — технологии и устройства, объединяющие в себе микроэлектронные и микромеханические компоненты.

Описание

Микроэлектромеханические системы (МЭМС) обычно представляют собой интегрированные устройства, выполненные на полупроводниковой (чаще всего кремниевой) и содержащие механические элементы, сенсоры, и электронные компоненты. Типичные размеры микромеханических элементов (компонент системы) лежат в диапазоне от 1 до 100 микрон, тогда как размеры кристалла МЭМС-микросхемы достигают величин от 20 микрометров до одного миллиметра. Микроэлектромеханические системы изготавливаются по таким технологиям обработки , как КМОП *), БИКМОП †) и др., включающим стандартные технологические операции осаждения тонкопленочных слоев, формирование рисунка, травление 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 . В таких решениях к вычислительным мощностям микропроцессоров добавляются возможности восприятия окружающей среды с помощью интегрированных микросенсоров и воздействия на нее с помощью микроактуаторов. 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 микроактуаторов 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.

В настоящее время МЭМС-технологии, благодаря чрезвычайно малому размеру создаваемых с ее помощью устройств, уже применяются для изготовления различных приборов; ниже приведены некоторые наиболее распространенные примеры.

1. Акселерометры - устройства для измерения ускорений. Применяются в датчиках, контролирующих срабатывание автомобильных подушек безопасности.

2. Digital Micromirror Device (DMD) - оптический модулятор, состоящий из массива микрозеркал. Принцип действия DMD состоит в формировании изображения путем последовательного переключения микрозеркал в положения ON-OFF, и, соответственно, отражения падающего излучения в проекционную оптическую систему (ON) или поглотитель (OFF).

3. Микрокапиллярные устройства - кремниевые чипы с микроканалами, предназначенные для адресной доставки контролируемых количеств веществ. Такие устройства могут использоваться в струйных принтерах для нанесения чернил на бумагу или в интегрированном медицинском микроустройстве, объединяющем сенсор на глюкозу и диспергатор инсулина.

*) КМОП (комплиментарный МОП-транзистор) - комплиментарная логика на транзисторах металл-оксид-полупроводник.

†) БИКМОП (биполярный комплектарный МОП-транзистор) - технология изготовления интегральных микросхем с использованием биполярных и КМОП транзиторов на одном кристалле.

Иллюстрации

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.

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.

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 достижении пределов 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.

Рисунок 1. Очарование микроэлектромеханики: размеры и формы. (А) MEMS-микрофон в сборке (CMOS + MEMS). Под давлением звука диафрагма микрофона колеблется, изменяя ёмкость между ней и подложкой. Эти изменения считываются и выводятся в виде электрического сигнала. Фото с www.analitika.info . (Б) MEMS-моторы от лаборатории Sandia. (В) MEMS-индуктор, фото с heim.ifi.uio.no .

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.

«Профориентация» микроэлектромеханических систем

Раз микромашины так многолики, то и сферы их применения чрезвычайно разнообразны. В данном обзоре разделим MEMS на 3 функциональные категории и попытаемся перечислить точки приложения каждой из них.

1. Сенсоры - «интеллигенты-аналитики», высокочувствительные микромашины. Именно в сфере сенсорики трудится большинство выходцев из MEMS-лабораторий: например, миниатюрные датчики давления (кровяного или в покрышках автомобилей), температуры, влажности, радиации, магнитных полей, инерционных сил, химических веществ и т.п. Наиболее известные приборы на их основе - акселерометры и гироскопы в автомобилях, летательных аппаратах и мультироторах, в потребительской электронике (телефонах, цифровых камерах), микрофоны, «лаборатории на чипе», слуховые аппараты .

Акселерометры - детекторы ускорения - одна из самых ранних MEMS-разработок, которая сейчас используется в игровых приставках и во многих автомобилях для выпуска защитных подушек при столкновении.

Гироскопы - датчики переворота и элементы GPS-навигации в автомобилестроении, однако активное внедрение кремниевых гироскопов в медиаустройства тормозится сложностью корпусирования и дороговизной, связанными с базовой проблемой - высокой чувствительностью этих элементов к стрессовым воздействиям.

Уже в ближайшее время планируется создание мультисенсорных модулей с 10-ю степенями свободы, выполняющих одновременно функции трёхосевых акселерометра, гироскопа, магнетометра, а также сенсора давления.

Через пару-тройку лет обещают даже интеграцию всего перечисленного добра на одном кристалле. Но есть и обидные помехи, которые непременно нужно преодолеть, - высокая себестоимость таких химер, пресловутое проблемное корпусирование и ещё более проблемное тестирование.

Способность MEMS к преобразованию механических колебаний и вибраций в электрический ток используют в energy scavenging chips - датчиках, извлекающих энергию «из воздуха». Такие чипы пытаются применять в рамках подхода energy harvesting (производство и аккумуляция энергии из всевозможных природных стихий и прочих «халявных» воздействий). MEMS-чипы в этом смысле весьма перспективны для замены ординарных батареек и аккумуляторов в маломощных гаджетах, электронной одежде, медицинских устройствах для непрерывного функционального мониторирования.

Об определённых успехах заявляет, в частности, Texas Instruments. А британская фирма Perpetuum в 2013 году представила вибрационный «сборщик энергии» (VEH, Vibration Energy Harvester ) - простой и некапризный датчик, измеряющий температуру и передающий эти данные по беспроводной связи оператору. Но самое интересное - всю необходимую для этого электроэнергию VEH сам вырабатывает из механических колебаний: он устанавливается на вращающиеся детали (например, колёса поездов). Собственно, и сослужить добрую службу он должен именно железнодорожникам, молниеносно фиксируя опасное повышение температуры в подшипниках вагонных колёс.

Большие надежды возлагаются и на «электронный нос» , имитирующий обоняние животных и способный различать широкий спектр химических веществ в среде. Сейчас с этим справляются разнообразные спектрометры - крупногабаритные, стационарные и дорогие приборы. Очевидно, что для полевых и бытовых условий, для массового пользования, подойдут только дешёвые портативные аналоги. Но очень сложно подобрать какой-то один материал или универсальную технологию для идентификации разных молекул и калибровать по ним устройство. Но ничего фантастического в этой затее нет - решения рано или поздно найдутся.

2. Актуаторы , приспособленные к тяжёлому физическому труду, пока «выпускаются» ограниченно, но как и квалифицированные рабочие, они очень востребованы в промышленности. Наиболее часто в литературе обсуждаются подвижные микрозеркала, микроклапаны для контроля потока жидкостей или газа, микронасосы , элементы головок струйных принтеров для скоростной печати (Memjet), хирургические микроинструменты, микротранспортеры .

В этом ролике миниатюрное зеркало вращается по разным траекториям.

Микромеханические зеркала включают в «начинку» многоканальных коммутаторов оптоволоконных сетей, цифровых проекторов, телескопов и микроскопов. Ну и никуда не деться сейчас от всяких интернет-гаджетов: MEMS-зеркала успешно работают в технологиях создания пикопроекторов. При «доведении до ума» всех характеристик такие проекторы позволят визуализировать, например, собеседника при разговоре по телефону или фото/видео, проецируя картинку со смартфона на стену, одежду, лист бумаги. Однако приходится пока поломать голову над созданием эффективного источника света - энергоэкономичного, но обеспечивающего высокую яркость изображения.

На видео представлен принцип действия проектора PicoP компании Microvision Inc.: микрозеркало формирует изображение, сканируя и отклоняя в нужном направлении пучок из трёх разноцветных лазерных лучей, преломлённых линзой.

Микроактуаторы также рекрутировали для точной подстройки магнитных головок, отвечающих за детекцию сигналов в накопителях на магнитных дисках. MEMS в данном случае позволяет повысить плотность информации «дорожка на дюйм», а потому и ёмкость накопителя.

Созданы и микроэлектромеханические актуаторы, способные работать как высокочастотные резонаторы.

3. Резонаторы или осцилляторы - перспективные «кадры» для синхронизации и фильтрации частот (в часах реального времени, портативной электронике, брелоках-ключах для автосигнализации и др.). Миниатюрные MEMS могут заменить целые узлы для широкополосных систем связи, снизив тем самым массогабаритные показатели, стоимость и энергопотребление устройств радиочастотной коммуникации.

Высокочастотные MEMS-осцилляторы (1-125 МГц) 2006 года выпуска от компании SiTime имели размеры 2×2,5×0,85 мм. Резонаторы семейства SiT15xx (1-32 кГц, 2013 год) оказались на 85% меньше, в 15 раз надёжнее и на 50% энергоэкономичнее, чем кварцевые аналоги. Кстати, даже первый кремниевый МЭМС-резонатор в пластмассовом корпусе SiT1052 позиционировался SiTime как заведомо бездефектный продукт. По мнению экспертов, MEMS-приборы способны вытеснить с рынка менее компактные и устойчивые к механическому шоку и вибрации, но более дорогие кварцевые осцилляторы. Благодаря разработке упаковки, совместимой с традиционной CMOS-архитектурой, новые MEMS-устройства активно приобретаются микроэлектронщиками, замещая кварц кремнием в технологиях синхронизации.

MEMS-приборы способны вытеснить с рынка менее компактные и устойчивые к механическому шоку и вибрации, но более дорогие кварцевые осцилляторы.

Все приведённые выше категории микромашин «встречаются» в мобильных интернет-устройствах. Симбиотические отношения в них выстраивают акселерометры (в смартфоне количество этих MEMS перевалило уже за десяток), гироскопы, микрофоны, радиочастотные переключатели и резонаторы. Возможно, в скором времени все они найдут применение и в компонентах систем «Умный дом» , поспособствовав более широкому внедрению этих технологий в быт населения с невысокими доходами.

Тройку лидеров по производству MEMS-устройств формируют компании ST Microelectronics, Bosch и Texas Instruments.

В будущем много интересных решений ожидают от реализации на одном чипе систем «глаз (сенсор)-мозг (микросхема)-рука (актуатор)», способных одновременно чувствовать среду, управлять ею и проводить самотестирование, существенно снижая при этом стоимость конечного продукта.

Всё течёт, всё измеряется...

Особого внимания заслуживает направление, объединяющее MEMS с микро-/нанофлюидикой и прецизионным конструированием.

«Лаборатории на чипе» - одни из самых обсуждаемых и уже реализованных в несложных формах конструкций « MEMS-микрофлюидика» . На чипах размером с кредитку (иногда и меньше) с целью диагностики заболеваний или загрязнений среды можно осуществлять комплексы параллельных и последовательных химических или иммунных реакций, разделяя и смешивая промежуточные продукты. Классические варианты lab- on- chip производят полимеразную цепную реакцию (ПЦР) для выявления ДНК возбудителей инфекций или обнаруживают с помощью иммобилизованных антител онкомаркеры, токсины, наркотики. Даже если предусмотрены дополнительные считыватели, эти устройства не только портативны, но и дёшевы, могут выпускаться в виде безумно простых в использовании одноразовых картриджей, проводящих реакции всего за минуты или часы. Такие преимущества особенно ценны в местностях, где нет оснащённых техникой и реактивами лабораторий. В Сингапуре в 2013 году, например, разработали портативный кит с чипом VereTrop, позволяющий по одному образцу крови диагностировать за несколько часов 13 тропических инфекций, многие из которых проявляются одинаковыми симптомами, а лечения требуют разного.

«Лаборатории на чипе» не только портативны, но и дёшевы, могут выпускаться в виде безумно простых в использовании одноразовых картриджей, проводящих реакции всего за минуты или часы.

Микрофлюидическая схема (может быть частью «лаборатории на чипе»)

На стадии разработки находятся устройства «MEMS-нанофлюидика» . По словам С. Полонского (монолог на postnauka.ru), директора Института передовых технологий Самсунг (Россия), это направление «выстрелит» прежде всего в сфере секвенирования («чтения») ДНК , причём секвенирования в рамках персональной медицины. Поскольку геном каждого человека имеет свои особенности, то компенсация тех или иных патологий в идеале требует индивидуального подхода. Более того, при онкологических заболеваниях для назначения адекватной терапии желательно знать последовательности ДНК клеток конкретной опухоли конкретного человека. Для таких случаев очень подошли бы компактные, портативные и недорогие устройства с высокой чувствительностью.

Стандартизация технологий производства всегда снижает цену конечного продукта, это применимо и к устройствам «MEMS-нанофлюидика». Создавать наноканалы диаметром более 20 нм, интегрировать их с кремниевыми микросхемами можно совершенно стандартными способами. Сенсоры, усилители, микропроцессоры интегрируются с наноканалами монолитно. Эти наноканалы заполняются электролитом и по ним запускаются по разности потенциалов (электрофорез) или градиенту давления молекулы ДНК (как известно, они отрицательно заряжены). К системе подключают наноэлектроды и фиксируют, что мимо них проходит. Пока такие устройства «видят» только фрагменты ДНК, а не её элементарные частицы - нуклеотиды. Неизвестно, можно ли вообще добиться разрешения на уровне единичных нуклеотидов с помощью «электрических» методов. Возможный выход - гибридизация этой технологии с оптикой. В частности, эффект гигантского усиления оптического отклика наноструктурами (сигналов поверхностно-усиленного рамановского рассеяния и люминисценции ) считается очень перспективным для создания суперчувствительных оптических биосенсоров.

По нанофлюидическим системам можно передавать не только ДНК, но и белки.

Секвенирование - это первый и вполне достижимый этап , в дальнейшем подобные системы планируется приспособить под органический синтез. Однако, как водится, всплывает большое НО: внедрение новых технологий ограничивается не только, а порой и не столько, научно-техническими недоработками или экономической нецелесообразностью. Бурное развитие методик секвенирования с постоянным удешевлением процесса сейчас замедлилось . Из компетентных источников известно, что несколько компаний монополизировали отрасль производства секвенаторов и новых реагентов, и это привело к прекращению падения цены в пересчёте на прочитанный нуклеотид (аналог бита информации). Судя по всему, монополисты скупают конкурирующие технологии «в зародыше», убивая таким образом отраслевую конкуренцию. А вместе с ней, кстати, и мечту о персональной медицине.

Несколько компаний монополизировали отрасль производства секвенаторов и новых реагентов, что привело к прекращению падения цены в пересчёте на прочитанный нуклеотид (аналог бита информации).

Не менее актуально и такое экзотическое приложение MEMS, как производство гибридных органов . Например, в Институте регенеративной медицины при Питтсбургском университете бьются над созданием биогибридных лёгких, имитирующих альвеолярный газообмен. Человек дышит посредством нагнетания воздуха в альвеолы (пузырьки) лёгких, покрытые густой сетью капилляров. Через стенку толщиной всего 0,5 мкм из альвеол в капиллярную кровь просачивается кислород, а обратно - углекислый газ, удаляемый из организма при выдохе. При поражениях лёгких (рак, эмфизема) нарушается целостность альвеол и страдает газообмен, что постепенно ведёт к смерти. Спрос на донорские лёгкие значительно превышает возможности трансплантологов.

Питтсбургский биогибрид, содержащий MEMS размером с пластиковую карту, симулирует альвеолы, обеспечивая тесный контакт между протекающей кровью и воздухом. Чип пронизан микроканалами, заполненными или воздухом, или кровью; эти среды разделены тончайшей мембраной, имитирующей стенку альвеол. Кровяные микроканалы выстланы слоем клеток из пуповины (в перспективе их планируют заменить собственными жировыми клетками пациента) для предотвращения сворачивания крови при небольшой скорости тока. Когда «наладят» функционирование таких минимальных ячеек, их интегрируют в крупные модули a la натуральные лёгкие, пригодные к имплантации или ношению на поверхности тела.

Микро-нано-симбиоз

Глубокое взаимопроникновение MEMS и нанотехнологий неизбежно. При переходе на следующий этап миниатюризации термин MEMS вообще сливается с NEMS - наноэлектромеханическими системами . Фактически взаимопроникновение наблюдается уже сейчас. Например, работа сканирующих атомно-силовых микроскопов , позволяющих изучать нанометровые объекты и манипулировать атомами и молекулами, по сути, основана на MEMS (кантилеверы - подвижные микробалки). Эти микроскопы могут, в свою очередь, использоваться при производстве микро- и наномашин. Интересно, что принципы работы атомно-силового микроскопа компания IBM использовала при создании накопителя с высокой плотностью хранения данных: энергонезависимая память Millipede (рус. многоножка) основана на записи и считывании битов информации в виде наноямок в полимерном слое посредством разогреваемых наномеханических зондов. Это очень напоминает работу с «ушедшими в историю перфокартами». Несмотря на возможность уплотнения до 1 Гбит на мм 2 , Millipede пока не удаётся конкурировать с флэш- и другими «прокачанными» технологиями.

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.