CC BY
66Новые мосты в дорожной карте эволюции
МЭМС, 3D-ИС и нанотехнологий
Светлана СЫСОЕВА
info@sysoeva.com
В статье представлен краткий обзор примеров применений устройств, иллюстрирующих основные ориентиры в дорожной карте и тенденции развития современных МЭМС-технологий — от новых применений до 3D-корпусирования и системного внедрения нанотехнологий.
Введение
МЭМС-технологии и приборы присутствуют в нашей жизни повсеместно. Сотовые телефоны и другие переносные устройства, автомобили, струйные принтеры, где-то уже диагностика по месту лечения — это все примеры применений технологий и компонентов МЭМС. Эти технологии получили значительное развитие в 90-х годах благодаря автомобильному сектору. Их широкое использование в секторе потребительской электроники в начале XXI века привело к еще более массированному спросу на инновации в области МЭМС.
В настоящее время МЭМС, востребованные high-end, low-end и маргинальными сегментами, переживают очередной виток развития [1-3]. Медицинские применения и диагностика по месту лечения (point-of-care diagnostics), в частности, формируют следующую волну спроса на данную технологию.
Некоторые направления в эволюции МЭМС являются общими для всех рынков и применений, некоторые могут различаться
в зависимости от рынка сбыта, причем дифференциацию можно также отнести к общим тенденциям МЭМС.
В этом смысле правильнее говорить о дорожной карте эволюции МЭМС, причем даже не двухмерной, а трех- (в пространстве структур) или n-мерной (в пространстве характеристик).
Современная дорожная карта развития МЭМС-технологий сформирована следующими основными ориентирами:
• новые применения;
• функциональная интеграция;
• системная интеграция;
• повышение уровня исполнения/характеристик МЭМС;
• 3D-корпусирование и интеграция;
• объединение с нанотехнологиями;
• энергосбережение;
• беспроводные системы.
По оценкам Yole Development (www.yole.fr, www.i-micronews.com), новые применения МЭМС в 2009 г. составили $550 млн, что представляет собой лишь несколько процентов
от общего 10-миллиардного МЭМС-бизнеса. Но возникающие рынки имеют потенциал в 2015 г. добавить к нему еще $2,2 млрд, и тогда, согласно прогнозам Yole, он превысит 15 млрд. Следующие новые ключевые применения МЭМС включают автофокусировку, электронные компасы, энергосберегатели, микроболометры, микродисплеи, микротоплив-ные ячейки, микроспикеры, микроструктуры, микронаконечники (микрозонды, пробы для микроскопии и ATE), осцилляторы и RFID.
О том, как реализуется системная и функциональная интеграция акселерометров, гироскопов, IMU в сотовых телефонах, достаточно подробно было рассказано в предыдущих публикациях [1-2]. Но есть и новые примеры интеграции функциональности сотовых телефонов — например, на уровне модуля камер.
МЭМС-технологии автофокусировки Siimpel и их системная интеграция
Цифровые модули камер для смартфонов — основной сегмент рынка, на который нацелена компания Siimpel Согр, разработавшая МЭМС для автофокусировки и механизмов затворов.
Автофокусировка корректирует вариации в расстоянии до объекта и вариации в связи с температурной чувствительностью оптической системы, которые делают изображение объекта нерезким. Технология SiimpelFocus достигает точной автофокусировки перемещения линзы посредством МЭМС-части (рис. 1).
Затвор корректирует искажение и/или размывание, когда объект движется, а также позволяет получить лучшее качество изображений в условиях низкой освещенности. Когда объект перемещается, изображение размывается даже при правильной фокусировке. Затвор решает эту проблему. Технология SiimpelSnap использует перемещение МЭМС-части в пределах и за пределами оптического пути, гарантируя высоко повторяемый контроль экспонирования.
Крепление линзы Печатная плата .. сдатчиком
, '' изображения
Магнитная
Корпус
Выводы
нитных помех) пружина и колпачок подсборка актюатора
Рис. 1. Камеры-модули SiimpelFocus: а) внешний вид камеры-модуля SiimpelFocus SF9X;
б) МЭМС-ступень в технологии SiimpelFocus; в) вид цифровой камеры-модуля с МЭМС-автофокусировкой в разборе
На выбор технологии автофокусировки в сотовых телефонах влияют качество изображения, размер, надежность и энергопотребление. Используемые для создания автофокусировки технологии позволяют осуществить модификацию положения линзы относительно датчика либо оптических свойств линзы. Применяются также технологии автофокусировки вычислительного типа.
При реализации автофокусировки с подвижным типом линзы для ее перемещения могут использоваться шаговый двигатель, звуковая катушка, пьезоэлектрик, электрополимер и МЭМС.
Несомненно, что МЭМС или жидкие линзы показывают хорошие характеристики. Электромагнитно возбуждаемые МЭМС превосходят технологию VCM (Voice-Coil Motor) в точности позиционирования линзы, результатом чего является более высокое качество изображения. К другим преимуществам МЭМС относятся малый размер, надежность, низкое энергопотребление.
Для другого типа автофокусировки с модификацией оптических свойств линз используются жидкие линзы и твердотельные электрооптические устройства.
В жидких линзах от Varioptic для автофокусировки используются различные оптические свойства линз, что предполагает изменение радиуса кривизны поверхности примыкания двух жидкостей с различными коэффициентами преломления. Но в связи с тем, что оптическая поверхность является сферической (не асферической), технология имеет ограничения с точки зрения оптических характеристик, сниженного разрешения, толщины, надежности.
В автофокусировке вычислительного типа применяют кодирование фронта волны вычислений — чтобы вызывать предопределенное размывание границ (blurring) изображения, которое удаляется посредством методов обработки изображений.
Методы достижения расширенной глубины области Extended Depth Of Field (EDOF) исключают необходимость в автофокусировке. Он заключается в создании на основе пространственного фильтра оптической системы, в которой свет только в центре линзы передается без оптического разрушения. Обработка с использованием знаний о фазовом разрушении (вычислительная автофокусировка) позволяет восстановить изображение. Преимущества данного метода состоят в возможности применения простой линзы; объекты на расстоянии от 10 см до бесконечности могут быть детектированы с тем же самым фокусным положением линзы. Сумма света, воздействующего на датчик, увеличивается, поэтому низкочастотные компоненты изображения также могут быть детектированы. Недостатки метода — низкое разрешение, недостаточно хорошие характеристики в условиях низкой освещенности, необходимость в дополнительных оптических элементах и высокое энергопотребление.
Как было сказано, технология автофокусировки Siimpel основана на перемещении линзы посредством МЭМС-части (рис. 1б, в).
В «сердце» цифровой МЭМС-камеры Siimpel размещен простой и недорогой электромагнитный актюатор, приводящий в движение кремниевую МЭМС-ступень, на которой закреплена линза. В концептуальной модели МЭМС-ступени центральным элементом является подвижная платформа, подсоединенная к фрейму посредством изгибного подвеса или пружин. Положение платформы зависит от внешней приложенной силы. МЭМС-часть изготовлена из однокристального кремния посредством стандартного фотолитографического метода и глубокого реактивного ионного травления (DRIE). На пластине производится примерно 500 таких устройств. Поскольку МЭМС-часть является монолитной, положение подвижной платформы определяется с фотолитографической точностью (<0,1 мкм). Применение МЭМС-технологий позволяет решить проблему миниатюризации систем автофокусировки цифровых камер и контролировать положение подвижного блока линз с 6 степенями свободы относительно датчика. Крепление блока линз осуществляется к верхней поверхности подвижной платформы, подсборка магнита прикрепляется к ее донной поверхности. Общая масса груза, включая блок линз, составляет около 0,5 г.
Выравнивание блока линзы относительно МЭМС-части упрощается благодаря наличию высокоточных отверстий в кремнии и соответствующих средств стыковки в блоке линзы. Подсборка магнита является подвижной частью электромагнитного ак-тюатора. Фрейм МЭМС-части прикреплен к внутренней поверхности корпуса, где также закреплена стационарная часть актюатора — обмотка. Корпус является средством выравнивания обмотки в пределах магнитной подсборки, где имеется большое постоянное магнитное поле. Обмотка не состоит в физическом контакте с подсборкой магнита, но взаимодействие между ними осуществляется посредством данного магнитного поля. Смещающая пружина между магнитной подсборкой и пружинным колпачком, прикрепленная к корпусу, прикладывает силу к подвижной платформе. Положение линзы зафиксировано на бесконечной фокусировке при отсутствии тока через обмотку. Корпус служит также средством выравнивания датчика относительно МЭМС-части.
Камера-модуль с функцией автофокусировки — это пример функциональной интеграции на системном уровне. Помимо механических признаков функциональной интеграции автофокусировки с типичной функциональностью камеры, устройство управляется алгоритмом автофокусировки, допускается встроенная обработка изображения, полученного камерой.
Система автофокусировки включает датчик изображения, схему обработки, схему драйвера, актюатор автофокусировки, линзу. Датчик и схема обработки изображения вместе с алгоритмом автофокусировки часто интегрированы на одном кристалле согласно концепции SoC [4].
Компания Siimpel основана в 2000 г. Впервые МЭМС-модули камер Siimpel первого поколения были реализованы в 2008 г. в сотовом хэндсете Motorola MING A1600. По заявлениям компании, второе поколение МЭМС дизайна Siimpel на одном кремниевом кристалле объединяет функциональность прецизионного контроля движения с малым энергопотреблением, что включает интеграцию механизма актюатора и корпусирование на уровне пластины. Функциональность автофокусировки и затвора была реализована в камере-модуле со сторонами квадратного фут-принта 8,5 или 11,5 мм и 6 или 8 мм толщиной.
Siimpel заявляет, что движущиеся части стандартных механизмов автофокусировки и затвора изнашиваются, а отсутствие подвижных частей в МЭМС-решениях компании гарантирует срок службы свыше 1 млн циклов вместе с функциональностью фокусировки в диапазоне от бесконечности до близкого расстояния без деградации характеристик.
Инновационная МЭМС-технология Siimpel адресована следующему поколению камер в недорогих сотовых телефонах с существующими цепочками поставок и материалов.
В 2010 г. Siimpel была приобретена компанией Tessera Technologies Inc., которая специализируется на производстве различных чипов для мобильных хэндсетов. В портфолио Tessera имеются функции: обнаружения лица, снижения эффекта «красных глаз», оптического зуммирования и чип для осуществления расширенной глубины фокусировки EDOF. Компания Tessera располагает технологиями интеграции датчика и оптики на уровне пластины.
Tessera разработала микрооптические линзы DigitalOptics на основе дифракционных оптических элементов, на различных субстратах, на одной или двух поверхностях пластины и в форме мультипластин. МЭМС-автофокусировка и затвор от Siimpel становятся функциональным дополнением технологии Tessera EDOF: все эти функции будут доступны с модулем камер толщиной порядка 6 мм. Объединение технологий позволит предлагать широкий диапазон IP-основанных средств получения изображений и оптических решений.
Tessera верит, что инновационная МЭМС-технология Siimpel позволит создавать цифровые камеры для сотовых телефонов и других устройств, превосходящие стандартные по мощности, размерам и характеристикам, при удержании низкой цены за счет использования существующих материалов и цепочек поставок.
Системная интеграция МЭМС (микрофлюидики) и микроэлектроники: компьютерные 3D-кристаллы с жидкостным охлаждением и автономные микрожидкостные ИС
Развитие технологий корпусирования МЭМС допускает более высокие уровни их интеграции с ИС [3, 4]. Выделяются следующие методы интеграции МЭМС-ИС:
• монолитный;
• горизонтальный двухкристальный, гибридный или Side-by-Side;
• вертикальный (3D).
Эволюция производства МЭМС шла следующим путем: от гибридного к монолитному и далее к 3D-дизайну. Для поддержки стратегий интеграции разрабатывается новое оборудование.
Преимущества 3D-дизайна уже были выявлены в вертикальном стекировании МЭМС и ASIC-кристаллов [1, 2], но это, в сущности, только зачатки той технологии 3D-корпусирования, с которой связывается будущее МЭМС и интегральных микросхем [4]. Действительно, ИС и МЭМС не одно и то же: микросхема может быть построена на основе только твердотельных элементов, а обязательным условием классификационной принадлежности устройства к МЭМС является наличие механики, то есть большого числа активных и пассивных неэлектронных элементов. Но МЭМС объединяет их с активными элементами, участвующими в преобразовании энергии, для которых необходим внешний
Рис. 2. Первый пример системной интеграции 3D-ИС c микрофлюидикой: 3D-микропроцессоры, разработанные в рамках проекта CMOSAIC:
а) сравнение технологий современных и 3D-микропроцессоров;
б) концепция 3D-стеков с охлаждающими каналами (увеличенное изображение)
электрический интерфейс. Поэтому дорожная карта интеграции МЭМС с ИС и твердотельных ИС имеет один общий ориентир — 3D-интеграцию, но до недавнего времени объединение дорог все еще находилось на уровне проектов и технологии будущего.
Первый мост между дорогами в развитии ИС и МЭМС, соединивший 3D-ИС и микро-флюидику, построили исследователи 1ВМ в партнерстве со швейцарскими институтами EPFL и ЕТН. В 2010 г. было объявлено о совместной работе над четырехлетним проектом под названием CMOSAIC, основной целью которого является исследование возможностей методов охлаждения кристаллов, способных поддерживать 3D-интеграцию (рис. 2). Проект рассматривает многоядерную 3D-архитектуру с плотностью соединений 100-10 000 на мм2, объединяющую высокоплотную электронику и микро- и нано-жидкостное охлаждение.
Такая плотность соединений будет поддерживаться микрожидкостными каналами охлаждения диаметром порядка 50 мкм, размещенными между активными кристаллами. Согласно замыслам создателей новых компьютерных чипов, плотность 3D-стеков с функциональностью на единицу объема должна в недалеком будущем приблизиться к функциональной плотности человеческого мозга. Проект CMOSAIC направлен на получение результатов, которые могут дать фундаментальные знания, необходимые для осуществления системной интеграции ми-кро- и наноэлектроники в 3D-ИС со столь высокой плотностью.
Закон Мура утверждает, что число транзисторов, которые могут быть помещены в ИС, удваивается каждые 18 месяцев. Данный закон подтверждается практикой на протяжении уже более 50 лет, но, чтобы расширить его действие до 2020 г., потребуется переход от масштаба транзистора к инновационным архитектурам корпусирования, одной из которых является так называемая 3D-, или вертикальная, интеграция кристаллов. Исследователи 1ВМ работают над 3D-стекированием компьютерных кристаллов, которое, как ожидается, будет подтверждать закон Мура до 2025 г. Но для эволюции компьютерной индустрии в соответствии с этим законом должны быть значительно повышены плотность мощности, скорость и плотность межсоединений и разработано интегрированное охлаждение.
3D-интеграция кристаллов с межкристальными межсоединениями значительно снижает глобальную длину межсоединений и допускает высоко параллельную архитектуру ИС, равно как и комбинацию гетерогенных устройств, основанных на различных технологиях и имеющих различную функциональность: цифровые, аналоговые, ВЧ, логические микросхемы, память, устройства ввода/вывода, причем различного уровня исполнения/интеграции и размещенные на разных пространственных
уровнях. Это дает увеличение объемной плотности интеграции и более высокую объемную плотность мощности. Чем выше плотность мощности, тем выше эффективность будущей системы. Продвижение в технологии осуществления соединений through-silicon vias открывает новые пути для обеспечения высокоплотных массивов межсоединений между стекированным процессором и чипами памяти. 3D-ИС перекрывают узкие места между ядром и кэш-памятью. Поскольку число транзисторов на слой и число слоев в 3D-стеках увеличивается, плотность электрических межсоединений и полоса коммуникации между кристаллами для процессоров становятся критичными.
Посредством интеграции большой системы на кристалле ^оС) на множественных уровнях среднее расстояние между системными компонентами снижается, что будет улучшать и эффективность, и характеристики. Но проблема для удаления тепла, сгенерированного в меньших объемах кристалла, остается ключевой.
Для функционирования 3D-стеков необходимо создание интегрированной 3D охлаждающей системы, которая допустит объединение почти 1012 (1 Тера) наноразмерных функциональных блоков в одном кубическом сантиметре с более высокой, в 10-100 раз, связностью (способностью взаимодействия), чем было возможно прежде.
Методы воздушного охлаждения не дают эффективных результатов для удаления тепла от работающих 3D-ИС систем с высокими рабочими характеристиками (имеются в виду ИС со множественными стекированными кристаллами в объеме 1-3 см3, где каждый слой рассеивает примерно 100-150 Вт/см2). Исследователи изучают возможность обеспечения межсоединений вместе с использованием охлаждающих микроканалов (толщиной 50 микрон в диаметре) между активными кристаллами, что направлено на достижение высоких вычислительных способностей 3D-стеков кристаллов.
Как показала практика, водяное охлаждение во много раз (в перспективе — до 4000) более эффективно, чем воздушное. Охлаждение на уровне кристалла с входной температурой воды около +60 °С достаточно для удержания процессора на рабочих температурах ниже максимально допустимой в +85 °С, выходная температура в этом случае составляет +65 °С.
Для решения проблемы охлаждения группа исследователей использует уже имеющийся опыт 1ВМ и ЕТН в разработке первого суперкомпьютера с водяным охлаждением под названием Aquasar. Aquasar локализован в ЕТН, начало его работы запланировано на 2010 г. Заявленное снижение потребления энергии суперкомпьютером достигает 40%. Система основана на разработанной ЕТН и 1ВМ концепции водяного охлаждения на уровне кристалла, а также на концепции охлаждаемых водой центров данных с непо-
средственным повторным использованием энергии (water-cooled data centers with direct energy re-use) от IBM. Aquasar состоит из двух серверов IBM BladeCenter в одной стойке, его пиковые характеристики 10 Teraflops (операций с плавающей точкой в с).
Аналогично группа исследователей проекта CMOSAIC планирует конструировать микроканалы с однофазной жидкостной и двухфазной охлаждающими системами, которые используют наноповерхности, передающие для абсорбции тепла охладители — воду и реф-рижеранты — в пределах нескольких миллиметров кристалла. Испаряющаяся жидкость вновь конденсируется в конденсоре и возвращается в процессор. Рассмотренный пример является свидетельством того, что системная 3D-интеграция микросхем и МЭМС, а также наноразмерной электроники и нанофлюиди-ки, уже не за горизонтом. В данном примере было показано, как МЭМС улучшают эффективность компьютерных микропроцессоров, схемы которых функционируют автономно, без каких-либо инструкций со стороны внешнего устройства. Следующий пример иллюстрирует, что и кристалл микрофлюи-дики может функционировать автономно, без инструкций извне. Учеными Университета Мичигана разработаны так называемые ми-крожидкостные интегральные схемы, функциональная интеграция которых достигнута за счет их системного объединения на кристалле с полупроводниковыми элементами (рис. 3).
Эти микрожидкостные схемы регулируют поток жидкости через устройства без инструкций со стороны внешних систем. Микрожидкостное устройство, представляющее собой лабораторию на кристалле (lab-on-a-chip, LoC), интегрирует на одном кристалле размерами порядка сантиметра множественные лабораторные функции, которые позволяют ученым одновременно выполнять различные исследования на том же самом кристалле, используя для этого микроскопические образцы и количества. Интегральные схемы микрофлюидики позволяют более точно изучать человеческое тело, чем, например, чашка Петри (специальные сосуды для размножения бактерий, взятых с участков тела,
с целью их изучения), и подходят для домашних тестов заболеваний, пищи и токсических газов. Для большинства схем микрофлюи-дики сегодня необходим внешний контроль, и он достаточно затрудняет осуществление LoC. Каждый клапан на кристалле требует свой собственный электромеханический толкатель от актюатора или насоса, размещенного вне кристалла, поэтому схемы микро-флюидики очень сложно миниатюризовать. Но исследовательская группа разработала стратегию производства микрофлюидов и ключевых электрических компонентов (транзисторы, диоды, резисторы и конденсаторы), объединенных в эффективной сетевой структуре с целью автоматического регулирования потока в пределах ИС. Эти компоненты изготавливаются посредством стандартных технологий, поэтому они совместимы с другими микрофлюидами (миксеры, фильтры, культуральные клеточные камеры).
Системная интеграция МЭМС и нанотехнологий с микроэлектроникой на уровне концепций датчиков и оборудования
Нанотехнологии проникают во все области техники, и следующий пример камер иллюстрирует их системную интеграцию с микроэлектроникой.
Специалисты InVisage (www.invisageinc. сот) разработали технологию QuantumFilm производства полупроводников, основанных на квантовых точках, с уникальными светозахватывающими свойствами. Технология состоит в захвате отпечатка светового изображения посредством материала, основанного на квантовых точках. Кремниевый слой, размещенный ниже слоя светочувствительного материала, служит для вывода изображения и включения его в разнообразные цифровые сигналы (рис. 4).
Исследователи InVisage создали высокочувствительные датчики изображений на основе новых материалов, которые интегрируются со стандартными процессами производства CMOS. Материал, основанный на квантовых точках, характеризуется наноразмерами, наносится в виде тонкой пленки на пластину поверх кремния прямо в процессе производства. Первое применение QuantumFilm допустит
высокий пиксельный счет и высокие характеристики с малым форм-фактором датчиков.
Современные датчики изображения являются несовершенными. Так, кремниевые датчики изображения, технология которых используется практически во всех цифровых камерах, захватывают не более 25% света. Стандартный кремниевый пиксель теряет порядка 50% приходящего света вследствие того, что металлические шины или транзисторы блокируют кремний под ними, что называется фактором заполнения. Квантовая эффективность кремния, то есть способность преобразования фотонов в электроны, составляет также 50%. В общем, получается, что только 25% света, воздействующего на пиксель, преобразуется в фактическое изображение. А тонкие пленки абсорбируют практически все фотоны на верхней поверхности пикселей.
В отличие от кремниевых сенсорных технологий, QuantumFilm покрывает порядка 100% каждого пикселя (то есть имеет заявленный 100%-ный фактор заполнения, все фотоны абсорбируются на небольшой глубине). Фактически датчик захватывает не менее 90-95% света, допуская лучшее изображение во многих световых условиях. Данное 4-кратное увеличение по эффективности является значительным улучшением, востребованным на рынке датчиков изображений, делая QuantumFilm стандартом де-факто для следующего поколения платформ камер. Первый целевой рынок для QuantumFilm — мобильные high-end хэндсеты и смартфоны. Большой потенциал применений технологии составляют автомобильные камеры. Первые датчики изображения QuantumFilm будут доступны для заказа образцов в Q4 2010 г.
Нанотехнологии интегрируются с МЭМС не только на уровне концепций, для практической реализации такого интегрирования разрабатывается новое оборудование.
Один из новых примеров — депонирование протеинов на микрокантилеверы с использованием аппаратуры и картриджей от NanoInk (рис. 5).
NanoInk разработала метод производства с оригинальным названием Dip Pen Nanolithography (DPN), что означает «нанолитография, осуществляемая посредством пишущего пера (карандаша)» (рис. 5а). DPN — это метод нанопроизводства, согласно которому материалы наносятся на поверхность посредством пробы с острым наконечником. Молекулы передаются от наконечника на поверхность посредством водяного мениска, который формируется в окружающих условиях, когда наконечник приближается к поверхности (рис. 5б).
DPN допускает контролируемое нанесение различных наноразмерных материалов на различные субстраты. Наконечники DPN могут представлять собой пирамидальные сканирующие микроскопические зонды, пустотелые наконечники/иглы, наконечники/иглы на кантилеверах, активируемых
Рис. 5. Технология и оборудование для нанолитографии Dip Pen Nanolithography NanoInk:
а) иллюстрация технологии DPN, осуществляемой c оборудованием NLP 2000 System; б) процесс DPN;
в, г) иллюстрация метода функционализации МЭМС (на примере коммерческого AFM-кантилевера); д) Inkwell-кристалл
теплом. Технология допускает применение массивов наконечников для параллелизации (до 55 000 наконечников).
Технология нанесения «молекулярных чернил» Nanoink позволяет получать элементы размерами менее 14 нм, подходит для так называемой функционализации МЭМС и даже не требует чистой комнаты (в отличие от наноимпринтлитографии). Данный метод имеет много общего с разновидностью сканирующей зондовой микроскопии (метод исследования поверхности, основанный на взаимодействии микрозонда с поверхностью образца) — методом атомно-силовой микроскопии atomic force microscopy (AFM), состоящем в регистрации силовых взаимодействий зонда (острой иглы с нанометро-вым радиусом скругления), закрепленного на свободном конце кантилевера (микробалки, один конец которой жестко закреплен), с поверхностью образца. Обычно взаимодействие осуществляется за счет сил притяжения или отталкивания Ван-дер-Ваальса (межмо-лекулярного взаимодействия).
Известны биосенсорные применения AFM-кантилеверов, поэтому и метод DPN нашел применение в биосенсорных микро-кантилеверах (рис. 5в, г). Микрокантилеверы являются одними из самых простых МЭМС-устройств, которые применяются для физического, химического и биологического сенсорного анализа. В области медицины они могут быть использованы для скрининга (массового профилактического обследования с целью выявления на ранней стадии) болезней, анализа точечной мутации, мониторинга содержания глюкозы в крови, обнаружения химических и биологических военных агентов. В последние годы были разработаны нанокантилеве-ры, позволяющие достичь чувствительности порядка аттограмм (10-18 г). Микро- и нано-кантилеверы способны также обнаруживать крохотные количества биомолекул, но для этого они должны обладать способностью захвата биомолекул из среды, в которой они находятся. Решение состоит в так называемой функционализацииAFM-микрокантилеверов, то есть нанесения агента для захвата молеку-
лы, который может переводиться в сигнал об изменении динамики (механического напряжения, резонанса, отклонения).
Хотя производство множественных кан-тилеверов на одном датчике является реальным, предшествующие методы оказались неспособны осуществлять функ-ционализацию так, чтобы обрабатывать множественные кантилеверы с различными молекулами. Нанолитографическая платформа NanoInk Nano Lithography Platform (NLP 2000 System) допускает нанесение количеств молекул от фемто- до нанолитров с высокой точностью позиционирования на множественные кантилеверы (рис. 5а). Система NLP 2000 была разработана специально для дизайна и производства посредством DPN наномассивов на больших поверхностях субстратов — паттернов от нано- до микро-размерных элементов на основе материалов, ранжированных от наночастиц металлов до биомолекул. Динамический диапазон размеров элементов — от менее чем 100 нм до более чем 10 мкм.
Наномасштабное нанесение паттернов ДНК посредством DPN было продемонстрировано в 2002 г. В настоящее время популярность нанолитографии как средства создания мультиплексированных наномассивов растет.
Наномассивы ДНК имеют ряд преимуществ в сравнении с микромассивами, поскольку могут удерживать в 104-105 раз больше элементов и большее число объектов может пройти скрининг в каждом эксперименте, к тому же требуются значительно меньшие объемы материалов.
NanoInk разработала также собственный раствор носителя для печати различных антител. Протеин просто смешивается в растворе с носителем NanoInk, и раствор печатается на поверхности кантилевера. NanoInk имеет инструментарий из трех DPN, в соответствии с 1D-массивом кантилеверных перьев (M-типа), для одновременного нанесения нескольких протеинов на планарный субстрат.
Как пользователь может получить желаемый материал чернил на наконечнике? NanoInk разработала МЭМС-микрожидкостные (по каналам микрофлюидики) системы поставки чернил под названием inkwells, состоящие из разных резервуаров для загрузки различных протеинов (рис. 5д). Резервуары на inkwell-кристалле могут заполняться индивидуально и точно. Система каналов микро-флюидики питается посредством резервуаров. Массивы пишущих наконечников посредством оптики и видеосредств NLP выровнены и утоплены в микростенки. Затем оператор в течение минуты получает микро- или наномассив. Каналы согласованы с геометрией 1D-массива так, что каждый кантилевер нагружается различным протеином. Это допускает печать различных протеинов на кантилевер. Отличительная особенность NanoInk — способность одновременно помещать различные протеины в различные определенные и адре-
суемые локации в нано- и микромасштабе. Данный метод доступен для коммерческой реализации МЭМС-биосенсоров.
Компанией разработано и другое оборудование для нанопроизводства и нанобиотестирования на основе метода DPN.
Стационарная система Desktop NanoFabrication System (DPN 5000 System) — это новый представитель семейства NSCRIPTOR продуктов нанопроизводства, который комбинирует способности нанесения нанопаттернов вместе с методом получения изображений AFM. Устройства поставки чернил основаны на МЭМС. Пользователи могут создавать наноструктуры в течение нескольких часов после инсталляции. В систему входит малошумящий сканер, который допускает точное и повторяемое нанесение нанопаттернов по всем трем осям, и низкокогерентный лазер с малым размером луча, который обеспечивает высококачественную микроскопию поперечных сил Lateral Force Microscopy (LFM). Система работает со стандартным промышленным Linux-контроллером и различными пользовательскими входными интерфейсами. Для контроля нанесения паттернов NanoInk разработала специальное ПО InkCAD 4.0. NanoInk производит одиночные пробы, 1D- или 2D-массивы пассивных и активных проб, системы поставки чернил и субстраты.
Беспроводной медицинский МЭМС-датчик давления, питающийся от радиоволн
Для МЭМС ярко проявляются тенденции к уменьшению энергопотребления, но это не только батарейная работа с различными режимами и функциями экономии мощности: сниженного энергопотребления, опроса по требованию, буфера FIFO и т. д., МЭМС-компоненты все чаще допускают беспроводной интерфейс, служащий и для передачи данных, и для питания.
В 2010 г. компанией STMicroelectronics было объявлено о разработке и производстве беспроводного МЭМС-датчика давления под названием SENSIMED Triggerfish для пациентов с диагнозом глаукома (рис. 6). Датчик основан
на интеллектуальной контактной линзе, в которую встроен миниатюрный измеритель напряжения типа strain gauge для мониторинга искривления глаза в течение 24 ч и фиксации значимых данных для контроля болезни.
Глаукома — это необратимая прогрессирующая болезнь оптического нерва, приводящая к слепоте, но она может быть диагностирована для экстренного принятия комплекса лечащих мер. Посредством тонометра можно измерить внутриглазное давление intraocular pressure (IOP), но у пациентов, страдающих глаукомой, давление различается ежедневно. Решение под названием Sensimed разработано швейцарской фирмой Sensimed AG и основано на двух системных частях, включающих «умную» контактную линзу и малый ресивер, носимый вокруг шеи пациента. Линза питается посредством радиоволн, она включает антенну, миниатюрную схему обработки сигнала и ВЧ-трансмиттер для коммуникации без интерференции со зрением. Линза подгоняется офтальмологом, который получает полную картину изменений IOP в следующие 24 ч.
Инженеры STMicroelectronics работают в настоящее время над тем, чтобы превратить SENSIMED Triggerfish в надежный массовый МЭМС-продукт. Его производство ожидается ближе к концу 2010 г.
Заключение
Помимо рассмотренных примеров, есть и другие. Например, специалисты CardioMEMS разработали имплантируемое беспроводное устройство для непрерывного мониторинга пульмонального артериального давления. Исследователи Tufts создали инновационную чувствительную аудиосистему, состоящую из 64 кремниевых микрофонов, назначением которой является детальный мониторинг сил, вызывающих турбулентность вокруг реактивного самолета. В рамках программы Sandia Passive ISS Research Experiments (SPIRE) в настоящем запланировано тестирование материалов и устройств для применения в жестких космических условиях на Интернациональной космической станции International Space Station (ISS). Защелкивающие датчики ударов МЭМС пред-
Рис. 6. Беспроводной МЭМС-датчик давления SENSIMED Triggerfish, разрабатываемый STMicroelectronics
ставляют собой массив специальных акселерометров Сандийской национальной лаборатории для будущих космических кораблей.
Но применение МЭМС в жестких условиях, частично рассмотренное в [4], заслуживает того, чтобы стать темой отдельной статьи. А целью данной публикации было показать именно первые связующие звенья в эволюции МЭМС, микроэлектроники, 3D-ИС и нанотехнологий, проявившиеся в коммерческих или близких к коммерциализации примерах такого объединения. Другие примеры рассматриваются в публикациях [5].
Обзор показывает, что возможности и рынки, существующие для воплощения новых идей, технологий и продвижения разработок, которые изменят будущее промышленности, поистине безграничны. ■
Литература
1. Сысоева С. Ключевые сегменты рынка МЭМС-компонентов. Инерциальные системы — от low-end до high-end // Компоненты и технологии. 2010. № 5.
2. Сысоева С. Ключевые сегменты рынка МЭМС-компонентов. Акселерометры // Компоненты и технологии. 2010. № 3.
3. МЭМС-технологии. Простое и доступное решение сложных системных задач // Электроника. Наука, Технология, Бизнес. 2009. № 7.
4. www.sysoeva.com/mems.htm
5. http://www.sysoeva.com/news.htm
