CC BY
95История развития и области применения
технологии MEMS
Саленко Д.С. Аспирант ФГБОУ ВПО НГТУ (Новосибирск, Россия)
ВВЕДЕНИЕ
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 [1]. 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.
MEMS (Микроэлектромеханические
системы) - это технологии и устройства, объединяющие в себе микроэлектронные и микромеханические компоненты. MEMS-устройства обычно изготавливают на кремниевой подложке с помощью технологии микрообработки, аналогично технологии изготовления однокристальных интегральных микросхем. Типичные размеры
микромеханических элементов лежат в диапазоне от 1 микрометра до 100 микрометров, тогда как размеры кристалла MEMS микросхемы имеют размеры от 20 микрометров до одного миллиметра.
MEMS используются как датчики, актуаторы, переколючатели, игровые контроллеры и отражатели света. В настоящее время MEMS используются в автомобилях, аэрокосмических технологиях, в биомедицине, лазерных принтерах, беспроводных и оптических коммуникациях.
1. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ
В 1965 году Гордон Мур отметил: с момента открытия транзистора в конце 40-х годов количество транзисторов на квадратный дюйм интегральной схемы удваивалось каждые 18 месяцев с момента изобретения интегральной схемы в конце 50-х начале 60-х годов. Это наблюдение легло в осноку «Закона Мура».
Также как и с транзистором, было много трудностей в попытках сделать
электромеханические системы всё меньше и меньше. В 1959 году Ричард Фейнман сказал свою знаменитую фразу «Там внизу много места». Он был заинтересован в том, чтобы создавать и манипулировать вещами на уровне микромира.
Гордон Мур и Ричард Фейнман были не единственными, кто предсказывал появление микроэлектромеханических систем.
В 1947 году Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Брэтэйн из Bell Laboratories создали первый транзистор [2]. Для изготовления транзитора использовался германий, полупроводниковый химический элемент. Изобретение демонстрировало возможность создания транзисторов на основе полупроводниковых элементов, что давало лучший контроль напряжений и токов. Также это открывало путь к построению транзисторов всё меньшего и меньшего размера [3].
Этот транзистор был размеров с полдюйма, что намного больше нынешних. Сегодня возможно создавать транзисторы диаметром 1 нм.
В 1954 году К. С. Смит открыл пьезорезисторный эффект в таких полупроводниках как германий и кремний. Пьезорезисторный эффект в полупроводниках был в несколько раз сильнее чем в металлах. Это открытие было очень важно для MEMS, т.к. означало, что германий и кремний могут лучше улавливать изменение давления жидкости или воздуха.
Результатом открытия пьезорезисторного эффекта в полупроводниках явилось начало промышленного производства датчиков давления на основе кремния. В 1959 году компания Kulite стала первой по производству таких датчиков.
Каждый транзистор должен был подсоединяться проводами к другой электронике, поэтому существовало
ограничение на размер транзистора. Необходимо было нечто, способное умещать в себе транзисторы, резисторы, ёмкости и соединительные провода. Если бы можно было разместить всё это на одной подложке, была бы возможность делать устройства меньше.
Два человека, независимо друг от друга, разработали интегральную схему. В 1958 году Джек Килби, работающий в Texas Instruments, создал «твердую схему». Это схема состояла и транзистора, трёх резисторов и одной ёмкости
на кристалле германия. Немного позже Роберт Нойз из Fairchild Semiconductor сделал первую «унитарную схему». Это схема была сделана на кристалле кремния и запатентована в 1961 году.
В 1959 году, на конференции Американского Физического Общества Ричард Фейнман произнес свою знаменитую фразу: «Там, внизу, много места». Он задавался вопросом: «Почему бы нам не написать 24 тома энциклопедии Британской Энциклопедии на булавочной головке?». И он предложил способ как можно написать так много на такой маленькой площади, и затем прочитать.
Фейнман высказал возможность
манипулирования на атомарном уровне. Он был заинтересован в том, чтобы сделать компьютерные цепи больше плотности, создать микроскопы, в которые можно было бы увидеть больше чем в электронные микроскопы. Он выдвигал возможности создания крошечных роботов, с помощью которых можно проводить хирургические операции.
Фейнман также говорил о трудностях, с которыми можно столкнуться. Так, например, не столь важны будут гравитационные силы, как силы Ван Дер Ваальса.
В конце своей знаменитой речи он предложил аудитории создать микромотор, а также уместить страницу книги на площади в 25000 раз меньше. На каждое изобретение он установил приз в 1000$. В течении года микромотор был изобретен, а в 1985 году студент Стэнфорда сумел уместить первый параграф «Истории двух городов» на площади, в 25000 раз меньшей страницы.
В 1964 году компания Вестингауз под руководством Харви Натансона выпустила первую серийную MEMS. Это устройство объединяло в себе мехенические и электронные компоненты и называлось резонантным затворным транзистором (РЗТ, рис.1). Его длина составляла около миллиметра. Также он был чувствителен к широкому диапазону входного электрического сигнала. Он работал как частотный фильтр, т.е. пропускал сигналы определенного диапазона [4].
Рисунок 1. Резонантный затворный транзистор В 1971 году компания Intel представила
общественности первый микропроцессор - Intel 4004 [5]. Это изобретение дало дорогу развитию персональных компьютеров. Как упоминалось выше, MEMS используют полупроводниковую технологию изготовления.
В начале 60-х в производстве кремниевых транзисторов стали использовать изотропное травление кремния. При изотропном травлении материал удалялся с подложки при помощи химических реакций. Материал одинаково удалялся во всех направлениях, т.к. скорость травления была одинаковой.
В конце 60-х начале 70-х была опубликована статья Х.А. Ваггенера под названием «Электромеханически контролируемое
прореживание кремния» [6]. В статье описывалась анизотропное влажное травление кремния. Влажное анизотропное травление отличалось от изотропного тем, что электромеханическое удаление материала зависело от кристаллографической ориентации кристалла кремния. Скорость травления (т.е. количество удаляемого материала в единицу времени) значительно отличалась для различных плоскостей кристалла. Теперь становилось возможным выборочное травление кремния, что давало возможность создавать такие структуры как V-образные желоба, пирамиды, микро-камеры.
Электромеханическое анизотропное
травление очень важно для производства микросистем, т. к. является основой для объемной микрообработки. Объемная микрообработка удаляется относительно большие части кремниевой подложки, оставляя желаемые структуры. Начиная с момента изобретения, объемная микрообработка остаётся очень мощным методом производства таких микромеханических систем как микроканалы, распылители, диафрагмы, подвесные балки и другие подвижные и структурные конструкции.
В 1970-х годах Куртом Петерсоном из исследовательской лаборатории IBM микромеханический датчик давления. Тонкая диафрагма могла очень сильно изгибаться, что давало ощутимое превосходство перед существующий датчиками мембранного типа того времени. Датчик давления с тонкой диафрагмой нашёл применение в устройствах мониторинга кровяного давления. Можно считать, что это было первое коммерческое применение MEMS [7].
В 1979 году компания Hewlett Packard создало технологию термографических чернил как альтернативу технологии растровых матриц. Эта технология печати быстро нагревала чернила, образуя тонкие пузырьки. Когда пузырьки лопались, их капельки струились через распылители. Массив таких распылителей (Рис.2) был частью головки принтера и позволял быстро печатать изображения на бумаге. Технология микрообработки кремния
используется для создания распылитетелеи. Распылители имеют очень малький размер и большую плотность упаковки. В настоящее время во многих принтерах используется технология термографических чернил.
□гор (J Q
Рисунок 2. Микрораспылители чернил
В начале 1980-х годов немецкая компания KarlsruheNuclear ResearchCenter разработала новый метод микрообработки, названный LIGA. 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.
Много новых изобретений появилось в 80-е года [8]. Так, в 1988 году в институте Беркли был создан первый электростатический двигатель. В 1989 году был создан привод с боковыми ресничками (Рис.3).
Рисунок 3. Электростатический двигатель (слева) и привод с боковыми ресничками (справа)
В 1993 году Центр Микроэлектроники Северной Каролины основал фабрику по производству микросистем, что давало возможность сделать MEMS доступными широкому кругу потребителей. Процесс микрообработки носил название MUMPs (Multiuser MEMS Processes). В 1998 году другая фабрика по производству MEMS начала свою работу. Она была основана на базе лабораторий Sandia National и использовала процесс SUMMiT IV, затем перейдя на SUMMiT V (Рис.4).
В 1993 году компания Analog Devices стала первой, кто начал выпускать MEMS акселерометры в большом количестве. Эти акселерометры нашли применение в
автомобильной промышленности. Они были недорогими и очень надёжными. Сегодня акселерометры используются в различных областях промышленности, таких как автономные системы навигирования, игровые контроллеры, мобильные и компьютерные системы.
В 1994 году компания Bosch разработала специальный метод глубокого реактивного ионного травления. Метод был использован для создания динамической памяти произвольного доступа.
В 1999 году компания Lucent Technologies создала первый MEMS переключатель для оптических сетей. Оптические переключатели -это отптоэлектрические устройсва, состоящий
из источника света и детектора. Они использовали микрозеркала чтобы переключать или отражать оптический канал от одного места к другому в зависимости от угла наклона зеркал. Существует несколько конструкций таких переключателей, которые совершенствуются и сегодня.
Рисунок 4. MEMS, созданная с использованием SUMMiT V
2. ОБЛАСТИ ТЕХНОЛОГИИ MEMS
ПРИМЕНЕНИЯ
Чрезвычайно малый размер позволяет
использовать MEMS в различных
миниатюрных устройствах, начиная от механических часов и заканчивая имплантатами для человека. 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.
2.1. Датчики
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 (Рис.5).
Рисунок 5. Основной принцип работы конденсаторных акселерометров (слева) и MEMS-акселерометр разработки Sandia Labs (справа)
Помимо конденсаторных датчиков, существуют МЕМБ-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 (Рис. 6).
Другой тип датчиков - микроскопические микрофоны. Принципиально важных элементов в таком микрофоне 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.
ч\\\\\У>\\\\\\\\У
Пьезойлементы
ЛАД
Масса
Подвесы
Л\\\\\\\\\\\\\\\\
Рисунок 6. Основной принцип работы акселерометров на пьезоэлементах
Похожие на микрофоны MEMS-системы могут использоваться в качестве датчиков давления.
2.1 Исполнительные устройства
Одни из самых ярких представителей устройств с MEMS-актуаторами - DLP-проекторы (DLP - Digital Light Processing). В основе этих проекторов лежит относительно крупная - по общему размеру готового чипа -микроэлектромеханическая система под названием DMD (Digital Micromirror Device, цифровое микрозеркальное устройство).
DMD-чип представляет собой матрицу микрозеркал (Рис.7), количество «боевых единиц» в которой равно разрешению итогового устройства. Зеркало покоится на сравнительно массивной площадке, которая прикреплена к более тонкой и более гибкой, чем прочие детали системы, полоске - подвесу - натянутой между опорами. В двух других углах основания, не занятых опорами, расположены электроды, которые за счет кулоновской силы могут притягивать один из краев зеркала. Таким образом, зеркало может наклоняться в одну и в другую сторону: не слишком сильно, обычно угол поворота составляет 12 градусов. В одном из этих двух положений зеркальце отражает попадающий на него свет в сторону линзы и далее на экран. В другом положении -направляет световой поток в сторону, на теплоотвод. В первом случае на экране получается белая точка, во втором - черная. В результате слаженного действия всей матрицы создается картинка, состоящая из двух цветов: черного и белого.
Рисунок 7. Схематическое изображение микрозеркал
Поскольку полупрозрачность, в отличие от ЖК-матриц, здесь использовать нельзя, то, чтобы добиться градаций серого, свет приходится отмерять механически. Для этого зеркальце «мигает» с большой частотой. Эти «подмигивания» способны обеспечить до 1024 градаций серого. Для добавления к изображению цветовой составляющей используется колесо с несколькими секторами, каждый из которых представляет собой светофильтр.
Микрозеркальные матрицы - частный случай оптических MEMS. Но есть и многие другие микросистемы, работающие со светом. Например, в астрономии существует весьма важная задача борьбы с искажениями, возникающими при прохождении света через неоднородную среду - атмосферу. Та же проблема актуальна и для микроскопии. Задача решается с помощью адаптивной оптики - в частности, зеркал с изменяемой геометрией. Разумеется, существуют и макроскопические устройства такого рода. Но MEMS, как обычно, позволяет снизить цены и значительно увеличить компактность - если для телескопов последнее не так уж важно, то для микроскопов это очень даже актуально. Такие MEMS состоят из массива микрозеркал, которые могут наклоняться, подстраивая форму поверхности массива для борьбы с искажениями.
Еще один случай использования микрозеркал - коммутация оптоволоконных сетей. В сложных системах задействуются зеркала, умеющие поворачиваться не по одной оси, как в DMD-чипе, а сразу по двум осям. Это позволяет создавать коммутаторы с большим количеством обслуживаемых каналов.
3. MEMS ТЕХНОЛОГИИ В РОССИИ
Уникальность MEMS-устройств заключается в том, что они способны не просто улучшать технические характеристики электронных изделий, но и «оживлять» их, делать восприимчивыми к происходящему. Благодаря новейшим разработкам сейчас становятся реальными казавшиеся ранее невозможными
функции техники. Теперь она «воспринимает» звуковую информацию, «читает» тексты, а встроенные в нее микродатчики позволяют принимать сигналы человеческого мозга, реагировать на движения, распознавать лица, предметы и многое другое. Кроме того, потребность в развитии MEMS-технологий обуславливается их широкой областью применения, сочетанием высокой надежности и приемлемой стоимости, а также чрезвычайно маленьким размером, который позволяет использовать их в различных миниатюрных устройствах: от механических часов до имплантатов для человека.
Сейчас рынок MEMS становится одним из наиболее быстрорастущих в электронной области, хотя его зарождение можно отнести еще к концу 80-х - началу 90-х годов прошлого века, когда благодаря тенденции к микроминиатюризации началась интеграция достижений в области электроники, механики, информатики и измерительной техники.
В России же развитие данной области и в настоящее время находится на не достаточно высоком уровне. В 2008 году объем рынка электронных компонентов в нашей стране составил чуть более 1 млрд. долларов, причем на отечественные компоненты из них пришлось менее 20%. В свою очередь, в этом количестве доля MEMS-изделий российского производства минимальна.
В связи с этой ситуацией Правительством РФ было поручено всем заинтересованным ведомствам обеспечить реализацию Программы развития наноиндустрии Российской Федерации до 2015 года. К этому же времени планируется сформировать в нашей стране все необходимые условия для наращивания объемов производства новых видов продукции наноиндустрии и выхода профильных российских компаний на мировой рынок высоких технологий.
В рамках этой программы в 2009 году группа российских предприятий начала совместную работу по созданию Ассоциации, которая спустя год была официально зарегистрирована как «Русская Ассоциация МЭМС» [13]. Сейчас ее можно считать одним из основных связующих звеньев между российскими специалистами-разработчиками MEMS-технологий и их зарубежными коллегами. Под эгидой Ассоциации для обмена информацией, опытом и знаниями в сфере инновационных технологий объединены крупнейшие компании и предприятия нашей страны, связанные с разработкой и производством изделий на основе MEMS-устройств, а также мировые корпорации, успешно развивающиеся в данной области.
Главной целью РАМЭМС на сегодняшний день является образование в России единого информационного поля по тематике MEMS, которое могло бы обеспечить эффективный
информационный обмен, как между внутренними, так и с внешними партнерами Ассоциации. Сейчас
руководство Ассоциации ведет активную
деятельность по привлечению к сотрудничеству российских специалистов и разработчиков в сфере микроэлектроники, в том числе из высших учебных заведений нашей страны. На данный момент установлено тесное взаимодействие с научными сотрудниками Санкт-Петербургского государственного
политехнического университета и Московского государственного института электронной техники.
В конечном итоге все это должно способствовать увеличению объемов разработки и производства MEMS в нашей стране, а также появлению на их основе новых изделий, предназначенных для конечного потребителя. Кроме того, налаживание контактов российских производителей MEMS с иностранными
партнерами позволит увеличить долю российской электроники, как на зарубежном, так и на российском рынке.
Необходимость создания подобной ассоциации в России была подтверждена и итогами международной конференции «Современные тенденции и технологии производства MEMS-устройств», которая состоялась в марте 2010 года в Москве. По ее результатам 84% присутствующих предприятий выразили заинтересованность в такой организации. Это говорит о том, что в настоящее время у российских предприятий есть острая необходимость в доступе к достоверной информации о новых продуктах, технологиях производства, требованиях стандартизации и сертификации в сфере MEMS.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данной работе был проведён обзор основных этапов развития технологии микроэлектромеханических систем. В хронологическом порядке были изложены события, послужившие истоками становления технологии, укрепившие позиции MEMS систем и приведшие к их повсеместному использованию.
Далее были рассмотрены основные области применения MEMS устройств. Кратко были приведены сведения о конструкциях тех или иных систем, технологиях изготовления, преимуществах и недостатках.
В заключительной части было показано, что хотя MEMS имеют богатую историю и огромный опыт наработок, в России развитие данной технологии пока находится на недостаточно высоком уровне. В связи с чем Правительством РФ было поручено всем заинтересованным ведомствам обеспечить реализацию программы развития данной области.
ЛИТЕРАТУРА
[1] MEMS Analysis [Электронный ресурс]. - Режим доступа:
http://www.gartner.com/technology/research/42589 443
[2] Point Contact Transistor [Электронный ресурс]. -Режим доступа:
http://www.pbs.org/transistor/science/events/pointc trans.html.
[3] Historic notes about transistor: [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://semiconductormuseum.com/PhotoGallery/Ph otoGallery M1752.html
[4] The Resonant Gate Transistor IEEE Transelectron Devices Vol.14, No.3 Pg 117-133, 1967, Nathanson, H.C. Newell, W.E. Wickstrom, R.A. Davis, J.R., Jr.
[5] Museum of Intel Company [Электронный ресурс]. - Режим доступа:
http://www.intel.com/content/www/us/en/company -overview/intel-museum.html
[6] H. A. Waggener, "Electrochemically Controlled Thinning of Silicon", The Bell System Technical Journal, pp. 473-475, Mar. 1970
[7] R.Colin Johnson, A pioneer charts MEMS' trajectory [Электронный ресурс]. - Режим доступа:
http://www.eetimes.com/showArticle.jhtml?articleI D=198001003
[8] Kristofer S.J. Pister , Introduction to MEMS Design and Fabrication, Berkeley Sensor and Actuator Center, UC Berkeley [Электронный ресурс]. -Режим доступа:
http://www.eecs.berkeley.edu/~pister/245/Notes/Int ro.pdf
[9] Roger H. Grace, Current and future high volume "killer" automotive applications of microsystems technology [Электронный ресурс]. - Режим доступа:
http://www.rgrace.com/Papers/hi vol auto.html
[10] Алексей Борзенко, Технология MEMS // BYTE / Россия. - 2006. - № 1. - С. 26-32.
[11] Датчики для измерения параметров движения на основе MEMS-технологии. Часть 1. Инерциальные датчики средней точности. А. Тузов. //Электроника: наука, технология, бизнес. №1, 2011
[12] Бёрд Киви, Микроботы: технология будущего сегодня, Журнал «Компьютера» [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.computerra.ru/offline/2002/439/17343/
[13] Урманов Д.М., Положения РАМЭМС [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.mems-
russia.ru/images/stories/mems basics.pdf
Саленко Дмитрий Сргеевич - аспирант кафедры автоматики ВГБОУ ВПО НГТУ, Новосибирск, Россия
