Общие сведения о МЭМС и НЭМС
Микроэлектромеханические системы (МЭМС) – это технологии и устройства, объединяющие в себе микроэлектронные и микромеханические компоненты. В Европе вместо МЭМС используют термин MST – Microsystem Technology, в Японии –термин «мехатроника». Обычно МЭМС-устройства представляют собой интегрированные устройства, выполненные на полупроводниковой (чаще всего – кремниевой) подложке и включающие в себя чувствительный элемент (сенсор) или актюатор, а также схему преобразования сигналов, системы хранения и передачи информации. Сенсор – это измерительное устройство, которое преобразует то или иное физическое воздействие в электрический сигнал. К сенсорам относятся акселерометры, гироскопы, магнетометры; датчики давления, расходомеры и т. д. Актюатор в общем понимании этого слова представляет собойисполнительное устройство, преобразующее один вид энергии (электрическую, магнитную, тепловую, химическую) в другой (чаще всего – в механическую). Это могут быть исполнительные устройства перемещения или поворота, гидравлические и пневматические клапаны, реле, струйные сопла, моторы, насосы, турбины и т. д.
МЭМС изготавливаются с помощью хорошо отработанных технологий производства интегральных микросхем, которые включают в себя стандартные технологические операции осаждения тонкопленочных слоев, литографии, травления и т. д. Для формирования механических и электромеханических элементов при изготовлении МЭМС используются совместимые процессы микрообработки, позволяющие селективно вытравливать элементы кремниевой подложки или добавлять новые структурные слои. Совмещая в себе элементы полупроводниковой микроэлектроники и механические элементы, созданные микрообработкой, МЭМС делают возможным создание полной лаборатории на чипе. В таких решениях к вычислительным мощностям микропроцессоров добавляются возможности восприятия окружающей среды с помощью интегрированных микросенсоров и воздействия на нее с помощью микроактюаторов. В такой системе микроэлектронная интегральная схема выполняет роль ее «мозга», а МЭМС предоставляет ей «глаза» и «руки», позволяя системе распознавать и контролировать параметры окружающей среды.
Микросенсоры системы способны собирать информацию об окружающей среде, измеряя механические, термические, биологические, химические, оптические и магнитные параметры; микропроцессоры обрабатывают полученную информацию и, реализуя алгоритм принятия решений, производят с помощью микроактюаторов ответные действия, управляя движением, позиционированием, стабилизацией, фильтрацией и пр. Поскольку производство МЭМС-устройств использует большое количество технологических приемов, заимствованных из микроэлектроники, это позволяет, при относительно низких затратах, реализовывать на маленьком полупроводниковом чипе системы, беспрецедентные по уровню сложности, функциональности и надежности.
Типичные размеры микромеханических элементов (компонент системы) лежат в диапазоне от 1 до 100 мкм, тогда как размеры кристалла МЭМС-микросхемы достигают величин от 20 мкм до 1 мм. В качестве примера на рис. 3.116 показаны различные конструкции зубчатых элементов гребенчатых микродвигателей МЭМС.
Рис. 3.116. Конструкции зубчатых элементов гребенчатых микродвигателей МЭМС
Наноэлектромеханические системы (НЭМС) представляют собой устройства, объединяющие в себе электронные и механические компоненты размером до 100 нм. Они являются следующим шагом миниатюризации по отношению к МЭМС. В настоящее время наноэлектромеханические системы могут изготавливаться как методами «сверху – вниз», к которым относятся традиционные методы микроэлектроники (оптическая, рентгеновская и электронно-лучевая литографии), так и методами «снизу – вверх», такими как молекулярное распознавание и самосборка. Следует отметить, что НЭМС-технологии находятся в основном на стадии научных исследований, какого-то серийного производства НЭМС-устройств практически нет. Наиболее близкими к массовому производству являются высокочастотные осцилляторы и некоторые виды химических сенсоров.
На основе МЭМС-технологий в настоящее время выпускается большое количество таких устройств, как сопла для струйных принтеров, акселерометры, гироскопы, микромоторы и микрозахваты, варакторы и переменные индуктивности, высокочастотные фильтры и резонаторы, аттенюаторы, микрозеркала, устройства для лаборатории-на-чипе (lab-on-chip), датчики давления и расходомеры. Рынок МЭМС-устройств непрерывно развивается: текущий объем рынка (данные на 2014 год) составляет порядка 14 млрд. долларов и согласно оценкам будет иметь ежегодный рост порядка 13 %, прогноз на 2018 год составляет порядка 22 млрд. долларов. Среди основных производителей МЭМС-устройств такие известные фирмы, как STMicroelectronics, Texas Instruments, Bosch, Hewlett Packard, Analog Devices и др.
История развития МЭМС
Сложно сказать, когда впервые появились МЭМС-устройства, так как элементы ее неразрывно связаны с развитием интегральной электроники. Первые прототипы интегральных схем были изготовлены в конце 1958 года. Примерно в это же время были изготовлены тензодатчики на основе кремния, в которых механические напряжения вызывали изменение сопротивления вследствие пьезорезистивного эффекта. Промышленный выпуск таких датчиков был налажен только в 1974 году. К 1982 году термин микрообработка начал использоваться для описания процессов изготовления механических подсистем (диафрагм и микробалок) кремниевых датчиков ускорения и давления. Механические подсистемы изготавливались селективным травлением кремния. В 1986 году в одном из отчетов министерства обороны США был впервые использован термин «микроэлектромеханические системы», ставший в дальнейшем описанием различных интегральных устройств и технологий их производства.
Что касается технологии изготовления МЭМС-устройств, то в начале 60-х годов в производстве кремниевых транзисторов и других полупроводниковых приборов использовалось лишь изотропное травление кремния. При изотропном травлении материал удалялся с подложки при помощи химических реакций, причем скорость травления во всех направлениях была примерно одинаковой. В конце 60-х годов научились производить влажное анизотропное травление, которое отличалось от изотропного тем, что скорость травления материала зависела от кристаллографической ориентации кристалла кремния. Это дало возможность получения на подложке таких структур, как V-образные и U-образные канавки, пирамиды и т. д. Анизотропное травление является важной операцией при производства МЭМС-устройств, поскольку с ее помощью можно получать объемные структуры.
Заметным этапом в развитии МЭМС-технологий была разработка в начале 80-х годов технологии LIGA. Название технологии LIGA происходит от немецкой аббревиатуры Roentgen Lithography Galvanik Abformung, что означает комбинацию рентгеновской литографии, гальванотехники и прессовки (формовки). Суть технологии заключалась в том, что толстый рентгенорезистивный слой подвергался экспонированию рентгеновских лучей на большую глубину (до нескольких миллиметров). После проявления резиста в нем получались глубокие, с отвесными стенками отверстия нужной формы и размера, которые с помощью гальванического осаждения заполнялись электропроводящим материалом. После удаления резистивного слоя на подложке оставались «столбики» высотой, равной толщине резиста. Таким образом, технология LIGA позволяла формировать на поверхности подложки высокопрофильные трехмерные структуры. Это стимулировало появление множества новых МЭМС-устройств.
Так, в 1988 году сотрудниками университета в Berkeley (США) был создан первый электростатический двигатель (рис. 3.117а). В 1993 году компания Analog Devices стала первой, кто начал выпускать МЭМС-акселерометры (рис. 3.117б) в промышленном масштабе, которые сразу же нашли свое применение в различных областях техники. Чуть позже появились МЭМС-гироскопы, с помощью которых появилась возможность с высокой точностью измерять угловые скорости движения относительно трех координатных осей. Вместе с акселерометрами они составляют основу инерциальных навигационных систем. Начиная с середины 90-х годов рынок микроэлектромеханических систем испытал бурный рост, благодаря активному использованию различных миниатюрных сенсоров в автомобильной промышленности.
а) б)
Рис. 3.117. Электростатический двигатель (а) и акселерометр (б)
В настоящее время МЭМС-устройства повсеместно вошли в нашу жизнь. В первую очередь, это автомобильная промышленность (активная подвеска, системы навигации, системы безопасности, датчики давления в шинах). Инерциальные системы навигации на основе МЭМС-гироскопов и акселерометров используются также в беспилотных летательных аппаратах и необитаемых подводных аппаратах, а также в высокоточном оружии. Активно развиваются интегрированные многофункциональные мультисенсорные модули с десятью степенями свободы, объединяющие функции трехосевых акселерометров, гироскопов и магнетометров, а также сенсора давления.
МЭМС-устройства используются в робототехнике в качестве датчиков и систем контроля кинематических параметров движения. Они нашли применение в телекоммуникационной технике в качестве различных оптических и электронных переключателей. Одним из ярких примеров является цифровой микрозеркальный прибор, разработанный Texas Instruments, содержащий свыше 500 тысяч подвижных механических частей, предназначенный для формирования проекционного изображения и ряда других задач.
На основе датчиков давления изготовлены сверхчувствительные микрофоны, применяемые в телефонах, ноутбуках и планшетных компьютерах. С помощью МЭМС-технологий изготавливаются струйные сопла в лазерных принтерах. МЭМС-технологии позволяют изготовить исполнительные и сенсорные устройства микронных размеров: моторы, насосы, турбины, микророботы, аналитические микролаборатории.
МЭМС-технологии активно внедряются в технику радиосвязи, успешно конкурируя с электронными компонентами, полученными с помощью давно известных технологий. Среди таких МЭМС-устройств следует отметить резонаторы на объемных и поверхностных волнах, перестраиваемы конденсаторы, фильтры, переключатели и осцилляторы. Большой интерес вызывают устройства, способные осуществлять мониторинг биохимического состояния окружающей среды. В отличие от спектрометров и хроматографов, которые способны с высокой точностью идентифицировать летучие компоненты в воздухе, но при этом не могут быть встроены в переносные устройства по причине их большого энергопотребления, «электронный нос» в принципе способен имитировать механизм обоняния человека. Для функционирования такого «электронного носа», а также различных исполнительных микроустройств требуются источники питания соответствующих размеров. Компания Sharp, например, изготовила солнечную батарею в виде пленки толщиной от 1 до 3 мкм. Есть примеры использования в качестве источников питания микророботов электрических батарей размером 1 мкм.