Датчики и системы MEMS
Технология МЭМС произвела революцию на мировом рынке датчиков и оказала серьезное влияние на всю полупроводниковую промышленность. Развитие многих областей этого рынка во многом обусловлено системами MEMS. Без разработки такого типа миниатюрных датчиков было бы невозможно создание систем IoT, дронов или автономных транспортных средств, миниатюрных микрофонов и динамиков. Поэтому стоит взглянуть на современные тенденции в индустрии MEMS — изучить доступные типы датчиков и основные области их применения.
Термин МЭМС (микроэлектромеханические системы) используется для определения всех видов электронных систем, содержащих в своей структуре интегрированные механические элементы, выполненные в микромасштабе (со специальными размерами порядка микрометров).
Сочетание механических структур и электронных схем позволяет измерять множество различных неэлектрических величин с помощью небольших по размеру и относительно недорогих устройств. Распространение такого типа решений стало одним из источников успеха мобильных устройств и продуктов IoT (интернет вещей). Появление недорогой и малогабаритной альтернативы традиционным датчикам позволило привнести во многие продукты совершенно новые возможности, способствуя популяризации решений в области, например, дополненной реальности. Сегодня сложно представить смартфон без функционала акселерометра или компаса, или смарт-браслет или смарт-часы без возможности подсчета шагов или обнаружения движения. А ведь все эти решения были бы невозможны без датчиков, изготовленных по технологии MEMS.
Текущая ситуация и прогнозы развития рынка
На рисунке показана история развития рынка МЭМС за последний десяток лет, а далее прогнозы дальнейшего развития в ближайшем будущем. Общая стоимость МЭМС-устройств, проданных по всему миру в 2018 году, достигла 11,6 млрд долларов. Согласно последнему отчету агентства по исследованию рынка электроники, ожидается что глобальные продажи МЭМС в период 2019-2024 гг. вырастут с совокупным годовым темпом роста (CAGR) на уровне 8,3%.
Развитие рынка МЭМС будет в основном обусловлено системами радиосвязи (внедрение и расширение сети 5G), датчиками давления (автомобильными), инерциальными датчиками, такими как акселерометры и гироскопы (автономные транспортные средства, дроны и автомобили) и датчики MEMS нового типа, которые в настоящее время находятся в стадии разработки (например системы PMUT – ультразвуковые преобразователи). Фактически все самые популярные и наиболее интенсивно развивающиеся отрасли электронной промышленности в настоящее время в полной мере используют возможности предлагаемые датчиками MEMS.
Индустрия МЭМС уже давно достигла хороших результатов продаж, продолжая при этом развиваться, о чем также свидетельствует рисунок, на котором показаны исторические данные в 2006–2016 годах. За этот период общая годовая стоимость реализованной продукции увеличилась почти вдвое. Характерным и показательным является то, что рынок МЭМС-датчиков чрезвычайно разнообразен – нет какого-то одного явно доминирующего типа МЭМС-систем, который имел бы долю рынка значительно большую, чем другие типы устройств. В течение многих лет датчики и МЭМС-системы зарекомендовали себя во многих областях, таких как измерение давления, ускорения, качества воздуха, запись звука или измерение интенсивности электромагнитного излучения. Перспективы связанные с возможностями предлагаемыми так называемыми BioMEMS, то есть датчиками предназначенными для работы с веществами органического происхождения, позволяющие проводить анализ состава крови или непосредственно дозировать лекарства в организм пациента, поистине способны произвести революцию в медицине.
Общие характеристики технологии MEMS
Термин МЭМС относится к миниатюрным электромеханическим устройствам. Это системы, сочетающие в себе как механические, так и электронные элементы, выполненные в миниатюрном масштабе. Примеры механических элементов, изготовленных в микромасштабе, показаны на рисунке. История этой технологии восходит к 1960-м годам, но она не была коммерциализирована до 1980-х. Одной из первых МЭМС-систем, концептуально схожих с современными датчиками, был акселерометр, разработанный в Стэнфордском университете в 1979 году. Но значительную популярность эти модули получили лишь десятилетие спустя, в 1990-х годах.
Каждая МЭМС-система состоит как минимум из двух групп элементов: электронной схемы и механической конструкции. Элементы из обеих групп изготавливаются путем соответствующего формования кремния или другого полупроводникового материала — схемы с использованием классической техники изготовления интегральных микросхем, а механические конструкции — с помощью передовых методов формования полупроводникового материала. Все это обычно размещают на отдельных основаниях, объединяя все вместе в одном корпусе.
К типичным и наиболее популярным типам механических структур реализованных в МЭМС-системах, относятся мембраны, пружины или рычаги. Механический элемент вовсе не обязательно должен быть подвижным и обычно является только макроэквивалентом аналогичного элемента. Миниатюрные датчики часто характеризуются гораздо лучшими параметрами чем их макро аналоги, и почти всегда значительно дешевле — интеграция процесса изготовления механических систем с технологией изготовления интегральных микросхем резко снижает себестоимость всего устройства.
Основные типы МЭМС-датчиков
Практически в каждой отрасли связанной с измерением различных видов физических величин и контролем окружающей среды, можно встретить системы содержащие элементы, выполненные по технологии МЭМС.
Все эти типы датчиков можно условно разделить на 4 категории:
- инерциальные датчики и датчики относящиеся ко всем видам движения,
- датчики контролирующие состояние окружающей среды,
- датчики содержащие оптические элементы,
- системы BioMEMS связанные с переработкой органических веществ.
В каждой из этих групп можно разместить десяток других различных типов датчиков. Возможности технологии МЭМС применительно к каждой из упомянутых областей измерения будут рассмотрены ниже.
Инерциальные датчики
Обнаружение движения и связанных с ним параметров — одно из первых применений в котором МЭМС-датчики добились выдающихся успехов, успешно конкурируя с большинством альтернативных решений. Одними из первых типов МЭМС-датчиков были акселерометры, позволяющие измерять ускорение вдоль выбранной оси. Позже к ним присоединились и гироскопы, что позволяли измерять угловую скорость вращающегося объекта.
В настоящее время на рынке представлено множество моделей этого типа изделий, от одноосных до трехосных систем, позволяющих измерять значения по отношению ко всем трем референтным осям. Даже так называемые комплексные МЭМС-системы, содержащие в одном корпусе трехосный акселерометр, гироскоп и магнитометр (позволяющий измерять напряженность магнитного поля и, как следствие, магнитное склонение – ориентацию по отношению к магнитному полюсу Земли).
Идея создания МЭМС-акселерометров чаще всего основывается на использовании инерционной массы в качестве элемента, реагирующего на изменение ускорения. Под действием ускорения создается сила, смещающая массу, которая является одним из концов системы с функцией конденсатора. Изменение ускорения изменяет емкость, что регистрируется электронной схемой прибора.
Инерциальные МЭМС-системы также включают датчики давления, чрезвычайно популярные в автомобильной промышленности и микрофонах. В них в качестве мембран используются тонкие слои кремния. Под действием давления (или звуковой волны) эта диафрагма деформируется, вызывая изменение электрической емкости измерительного элемента.
Электронная схема отвечает за усиление и обработку измерительного сигнала. В зависимости от модели системы информация об измеренном значении может быть передана во внешнюю схему (обычно микропроцессор) в виде аналогового или цифрового сигнала, используя один из популярных интерфейсов, например SPI или I2C. Многие более совершенные МЭМС-системы имеют собственный внутренний процессор и расширенные пути обработки сигналов для его фильтрации и извлечения конкретных параметров. Большинство датчиков питаются стандартным напряжением в диапазоне 3,3 В.
Датчики окружающей среды
Технология MEMS также позволяет создавать датчики способные контролировать широкий спектр параметров окружающей среды. Рыночное предложение включает датчики влажности и температуры, а также для измерения концентрации твердых частиц в атмосфере и обнаружения отдельных газов.
Датчик температуры часто интегрируют с другими датчиками, создавая более сложные модули мониторинга. Одним из самых распространенных соединений является датчик температуры и влажности.
Детекторы выбранных типов газов позволяют обнаруживать их присутствие в воздухе, в том числе летучие органические соединения, двуокись углерода и окись углерода. В группу летучих органических соединений входят ацетон, терпены или соединения хлора (например, растворители). Эти соединения обычно встречаются как побочные продукты во многих промышленных процессах и являются источником загрязнения окружающей среды. Они также оказывают негативное влияние на здоровье человека, поэтому во многих странах приняты допустимые нормы присутствия этих веществ в продуктах и производственных процессах. Величина концентрации углекислого газа является одним из лучших показателей качества воздуха в помещении – такое измерение можно использовать, например, для контроля качества вентиляции в здании.
Детекторы газа характеризуются достаточно большим значением мощности, по сравнению с другими типами МЭМС-датчиков. Это связано с принципом работы этих систем – в процессе измерения необходимо подогреть испытуемый газ (воздух) до температуры в несколько сотен градусов, что требует значительных затрат электроэнергии.
Эти типы датчиков, позволяющие измерять температуру, влажность и качество воздуха, являются одним из основ развития интеллектуальных строительных технологий, позволяющих создавать системы мониторинга и управления вентиляцией и кондиционированием воздуха.
Датчики концентрации твердых частиц в воздухе также становятся все более популярными, особенно по мере роста интереса к теме качества воздуха со стороны частных и государственных потребителей. Растет спрос не только на выносные измерительные станции, но и на системы контроля работы бытовых очистителей воздуха.
В группу датчиков окружающей среды также входят датчики расхода газа. Принцип их действия основан, как и в случае с датчиками концентрации газа, на использовании элемента нагревающего воздух до высокой температуры. В зависимости от интенсивности и направления газового потока изменяется распределение температуры в районе нагревателя, измеряемое двумя термостатами (разновидность термопары), расположенными по его противоположным сторонам.
Оптические датчики
Оптические приборы являются одним из самых динамично развивающихся и самых многочисленных семейств изделий, использующих MEMS технологию. Эти системы объединяют в своей структуре механические и оптические элементы и часто называются МОЭМС (микро-опто-электромеханические системы). Оптические элементы изготавливаются по той же технологии производства, что и механические, что значительно упрощает и удешевляет производство данного типа устройств.
Интеграция электронных чипов, механических и оптических элементов в одну микросистему, дает много преимуществ. Механические конструкции, такие как подвижные опоры или балки, в основном используются для управления оптической системой, например для изменения ее геометрии. К основным оптическим элементам используемым в системах МОЭМС относятся зеркала, линзы и фильтры. Правильное размещение и использование свойств этих элементов позволяет проектировать и изготавливать весьма сложные конструкции.
Наиболее популярные типы датчиков включают спектрометры FITR (инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье), считыватели отпечатков пальцев, датчики PIR (пассивный инфракрасный свет) и детекторы цвета. Системы MOEMS используются в лабораторной диагностике, системах безопасности, контроле качества или 3D-сканерах (технология FaceID в новых моделях iPhone). Системы МОЭМС используются и в мультиспектральной фотографии, заключающейся в регистрации одного и того же изображения во множестве разных каналов с разными спектральными диапазонами — например в видимом, инфракрасном, ультрафиолетовом и микроволновом диапазонах одновременно.
Системы биоМЭМС
Устройства BioMEMS являются одними из самых сложных систем выполненных по технологии MEMS. Это системы MEMS для биомедицины. Они охватывают широкий спектр различных типов продуктов – основные типы систем включают решения Lab-On-A-Chip (LOC), биосенсоры, миниатюрные диагностические устройства и системы дозирования лекарств.
Технология LOC позволяет создавать миниатюрные системы, способные проводить лабораторные исследования с биологическими материалами. Даже несколько различных лабораторных функций могут быть интегрированы в единую систему площадью в несколько квадратных миллиметров. Эти системы требуют использования небольших объемов проб по сравнению с традиционными аналитическими методами, что позволяет ускорить течение реакции, сократить время обследования и уменьшить количество медицинских отходов.
Технология LOC все еще находится на стадии интенсивных исследований, но уже достигнутые результаты указывают на ее высокий потенциал. Текущие реализации сосредоточены на диагностических приложениях в медицинском оборудовании и анализе структур ДНК и РНК. Даже имеется система способная выполнять анализы крови на ВИЧ.
Микросистемы дозирования лекарственных средств могут использовать различные типы насосных механизмов для закачки веществ в организм пациента – механические или немеханические. Эти растворы, как правило, основаны на явлении осмоса – проникновении лекарства через полупроницаемую мембрану в организм пациента. Система оснащена резервуаром с лекарственным средством и блоком управления потоком.
Термин биосенсоры обычно используется для описания систем, предназначенных для преобразования биологических величин в электрические сигналы. В просторечии это название используется в основном для обозначения систем, размещенных на теле пациента или внутри него и предназначенных для текущего краткосрочного или долгосрочного мониторинга его жизненно важных функций. В настоящее время биосенсоры MEMS позволяют выполнить измерение давления, состава крови и pH или концентрации выбранных химических веществ.
Исполнительные элементы
Технология МЭМС используется не только в производстве датчиков, но и различных типов приводов. Наиболее популярные примеры продуктов этого типа включают динамики MEMS, струйные головки, радиочастотные устройства или оптические системы, такие как микрозеркала. Особенно широкий спектр МЭМС-приводов можно найти в радиочастотной связи — он включает в себя различные типы микропереключателей, фильтров и резонаторов. В связи с поступательным распространением технологии 5G в ближайшее время ожидается значительный рост продаж этого типа элементов.
Основные области применения
Системы MEMS теперь можно найти в любой отрасли: от медицины до систем домашней и промышленной автоматизации, авиации, автомобилей, связи, мобильных устройств и бытовой электроники. На рисунке ниже показано насыщение типичного самолета, автомобиля и смартфона МЭМС-системами и датчиками. Хотя количество датчиков размещенных в устройстве варьируется от нескольких тысяч в самолете до нескольких или десятков в смартфоне, их стоимость во всех случаях составляет не менее нескольких процентов от стоимости всей системы.
МЭМС в автомобильной промышленности
Автомобильная промышленность всегда была одной из областей наиболее часто использующих МЭМС-технологии, и, согласно прогнозам и анализам, это не должно измениться в ближайшем будущем. Предполагается, что в 2023 году общая стоимость МЭМС-систем, используемых в производстве транспортных средств, составит более 20 млрд долларов, что будет двукратным увеличением по сравнению с 2017 годом — прогнозируемый совокупный годовой темп роста этого рынка – 12,7%.
Основным фактором, вызывающим рост спроса на МЭМС-системы в автомобильной промышленности, является развитие автономного транспорта. Автономным транспортным средствам нужен гораздо более широкий спектр датчиков, способных изучать окружающую среду, в том числе с помощью радиосигнала (радар) и оптического (системы распознавания изображений, лидар). Количество датчиков установленных в среднестатистическом классическом (неавтономном) транспортном средстве, также с каждым годом увеличивается, в том числе из-за от растущего числа более совершенных систем безопасности и датчиков окружающей среды.
МЭМС в мобильных устройствах
Сегодня трудно представить себе мобильный телефон полностью лишенный чипов MEMS. Стандартом является наличие инерциальных датчиков, таких как гироскоп и акселерометр. В более продвинутых моделях чаще используются механизмы идентификации (сканирование лица, считыватель отпечатков пальцев) на основе датчиков и оптических систем, также выполненных по технологии MEMS. Непременным элементом оборудования также является MEMS-микрофон. Без таких систем было бы невозможно разработать смарт-часы, смарт-браслеты или различные типы систем для мониторинга повседневной активности пользователя.
Направления развития технологии МЭМС
Подсчитано, что через несколько лет крупнейшими получателями устройств этого типа по-прежнему будут производители автомобильной промышленности (20 миллиардов долларов) и мобильных устройств (50 миллиардов долларов). Другими областями, которые прогнозируются в будущем как важные получатели систем MEMS, являются биомедицинские системы и системы здравоохранения, промышленные приложения (Industry 4.0), решения для искусственного интеллекта и обработки речи, системы дополненной реальности и коммуникационные решения, в первую очередь связанные с реализация протокола 5G.
МЭМС-датчики еще долго будут оставаться неотъемлемым элементом множества различных устройств практически из всех областей электроники. С развитием техники, повышением точности и появлением новых возможностей, их роль в современной электронике будет продолжать расти. В ближайшем будущем наиболее интересным представляется потенциальный каталог приложений биоМЭМС-систем, которые могут существенно изменить вид медицины, в частности, диагностических тестов. Возможности устройств Lab-On-A-Chip все еще исследуются и изучаются, и со временем мы должны наблюдать появление все новых решений такого типа.
Итоги материала
Несомненно, технология МЭМС произвела революцию в индустрии датчиков, позволив их массово использовать практически во всех областях электроники. Небольшой размер, низкая стоимость и достаточная точность являются основными чертами большого успеха этого типа решения.
Появление миниатюрных систем, способных измерять физические величины, такие как ускорение, давление и напряженность магнитного поля, позволило добавить к существующим устройствам совершенно новые функции и разработать новые продукты.
В настоящее время MEMS системы способны измерять огромное количество различных параметров — от величин связанных с движением, через давление, интенсивность звука, величину магнитного поля, до обнаружения конкретных химических и биологических веществ. Кроме того, МЭМС-системы способны обрабатывать оптические и радиосигналы.
Технологии создания МикроЭлектроМеханических (МЭМС) устройств
В микроэлектронике существует весьма интересный раздел, который рассматривает так называемые микросистемные элементы, в качестве которых выступают разнообразные микроустройства, объединённые с системами приёма/передачи/обработки информации.
В этой статье мы рассмотрим методы создания подобных элементов, а также кратко рассмотрим их виды.
Говоря о МЭМС (МикроЭлектроМеханические Системы) элементах, следует отметить их основное отличие от интегральных микросхем — они имеют ярко выраженную трёхмерную структуру.
Тем не менее, для их изготовления применяется весь арсенал тех же самых подходов, который широко распространён и в микроэлектронике: литография, травление, окисление и т. д.
Среди основных технологий создания подобных микросистемных элементов можно назвать технологии обработки с передней стороны, с задней стороны, их комбинации, а также ряд других (LIGA, MUMPS, SUMMiT).
Оправдывая своё название, технология травления с передней стороны заключается в избирательном травлении с лицевой стороны подложки, при этом могут использоваться маскирующие слои.
При травлении с задней стороны подложки на переднюю сторону наносится так называемый стоп-слой, а на заднюю часть подложки — маска, после чего осуществляется травление до стоп-слоя. Получается, что этот слой выступает автоматическим ограничителем глубины травления, и это позволяет использовать его для создания тонких элементов.
Как альтернативу рассмотренному способу применяют способ управляющих отверстий, которые делаются с передней стороны подложки, после чего маскируется задняя часть подложки. Травление идёт с задней части до тех пор пока отверстия, сделанные с передней стороны на нужную глубину, не станут видимыми:
В отличие от первого, второй способ позволяет создавать более толстые элементы.
Что касается способов травления при изготовлении микроструктур, то для этих целей применяется изотропное и анизотропное травление.
Изотропное травление представляет собой такой способ, при котором образуется форма в виде канавки с округлым переходом со стенок на плоскость (грубо говоря, U-образной формы), что означает, что скорость травления одинакова во всех направлениях. В противовес ему, анизотропное отравление позволяет получать канавки с чётким переходом со стенок на плоскость:
При этом в качестве особенности изотропного травления можно назвать тот факт, что ориентация кристаллов в кристаллической решётке не влияет на получающийся профиль травления.
В отличие от изотропного, при анизотропном травлении имеет значение ориентация кристаллов, так как плотность кристаллической решётки является разной в зависимости от плоскости. Скажем, вертикальные плоскости содержат иное количество атомов, чем диагональные. В общем случае можно сказать, что травление осуществляется быстрее в тех направлениях, где меньше атомов.
Кроме того, на скорость травления влияет и ряд иных факторов: температура травителя, его тип, скорость удаления продуктов травления и т. д.
Для травления при изотропном способе используют травители на основе плавиковой и азотной кислоты. При этом скорость травления одинакова во всех направлениях, вне зависимости от расположения атомов кремния.
Для анизотропного травления могут использовать другие травители, например, гидроксид калия (KOH), при этом уже имеет значение расположение атомов в кристаллической решётке, что с учётом точного контроля времени травления позволяет добиваться чётких углов.
С практической точки зрения можно сказать, что помимо U-образного профиля при изотропной обработке и чётких углов при анизотропной, первый способ даёт форму, состоящую как бы из ступенек, так как идёт удаление атомных слоёв одного за другим. Таким способом получить гладкую зеркальную поверхность невозможно, поэтому для этих целей поверхность дополнительно обрабатывается полирующим раствором изотропного типа, который состоит из смеси трёх кислот: азотной, плавиковой, уксусной. При этом сглаживается микрошероховатость поверхности и увеличивается её прочность приблизительно в 3-4 раза.
Говоря об этапах использования, можно в общем случае сказать, что изотропное травление сложнее контролировать, но оно существенно быстрее, поэтому его используют на начальных этапах, чтобы получать грубые формы с округлыми краями (зато это быстро). В дальнейшем они дорабатываются с использованием анизотропного способа, и их форма доводится до нужной, хотя этот способ и медленнее, но гораздо лучше контролируется.
Перечисленные выше способы относятся к технологиям объёмной обработки, и их сильной стороной является возможность применения на финальном этапе изготовления конструкций.
Если требуется создавать объёмные микроструктуры гораздо большей миниатюризации, чем при стандартном подходе (50-100:1, против 6:1), применяется так называемая LIGA-технология (которая представляет собой аббревиатуру от немецких слов «литография, гальваноосаждение, микроформование»).
Суть её заключается в том, что на тонкую пластину, прозрачную для рентгеновского излучения, наносится изображение из тонкого слоя золота, выступающее в качестве негатива. Как при изготовлении фотографий (олды помнят) в прежнее время, когда они делались с использованием химического способа (проявитель, закрепитель). То есть слой золота, там, где он есть, не пропускает рентгеновское излучение.
Далее на подложку, которую планируется облучать, наносится относительно толстый слой фоторезиста (100-1000 мкм).
На следующем шаге эта подложка облучается рентгеновским излучением, где в качестве источника излучения выступает синхротрон, что даёт весьма низкую расходимость пучка (0,006 градуса), благодаря чему можно создавать практически вертикальные стенки без паразитной боковой засветки там, где это не нужно.
В дальнейшем фоторезист проявляется, и на появившуюся на подложке трёхмерную структуру гальваническим способом наносится слой металла, который на следующем этапе снимается с подложки и может быть использован как сам по себе, в качестве готовой детали, так и в качестве штампующей матрицы для серийного производства деталей из термо- или химически-формуемого пластика. То есть кроме возможности создания вертикальных стенок, эта технология даёт возможность использовать в создании микроструктур материалы от металлов до керамики и пластика.
В качестве минусов можно назвать потребность в узкоспециализированном источнике излучения, а также в ручной миниатюрной сборке, что автоматически лишает возможности быстрой серийной штамповки. Кроме того, вопрос применения точной миниатюрной гальванопластики сам по себе не является особо простым.
Вкратце последовательность шагов производства согласно этой технологии показана на анимации ниже:
В случае же потребности создания сверхтонких элементов используется технология поверхностной обработки, которая заключается в последовательном нанесении тонких слоёв на подложку с последующим вытравливанием части поверхностных слоёв, согласно маске. Это даёт возможность создавать очень тонкие элементы сенсорных и актюаторных конструкций. Благодаря своей простоте технология применима для массового производства.
Ещё одной достаточно известной и старой технологией производства является так называемая MUMPs-технология (Multi User MEMS Process), представляющая собой также способ микрообработки, впервые применённый для этих целей в декабре 1992 года.
Последовательность технологических шагов при этой технологии показана на картинке ниже:
С помощью данной технологии изготавливается большинство плоских элементов микросистемной техники, процессы отлажены и дают хороший результат. Кроме того, благодаря фотолитографии создание таких конструкций может быть совмещено с параллельным формированием элементов электронных интегральных схем для получения на выходе готового электронно-механического устройства, снабжённого средствами приёма, обработки и передачи информации. Минусом же такой технологии является невозможность создания элементов МЭМС из чего-либо, кроме поликристаллического кремния.
Рассмотренные выше технологии не являются единственно возможными, так как существует ещё и ряд других (например, SIGA, SUMMiT) со своими плюсами и минусами.
Это что касается технологий производства микромеханических систем, а что же всё-таки можно произвести с помощью подобных технологий?
▍ Микронасосы
Подобные устройства можно подразделить на два типа в зависимости от принципа действия: механического и немеханического.
Под немеханическими насосами понимаются устройства, которые не содержат каких-либо движущихся частей и их принцип действия базируется на основе различных физических эффектов.
Среди наиболее часто использующихся эффектов для создания насосов применяется электрогидродинамический. Насосы, эксплуатирующие его, выглядят в общем случае следующим образом:
Как можно видеть по картинке, насос представляет собой две сетчатые токопроводящие структуры, разделённые диэлектриком. Подобного типа насосы используются для перекачки так называемых полярных жидкостей, которые представляют собой смесь из ионов и диполей (различные масла, ацетон, фреон, этиловый и метиловый спирт). Перекачка воды с помощью таких насосов невозможна, так как при подаче напряжения на электроды начинается её электролиз.
Если на эти два электрода подать напряжение, то в результате возникших электрических полей начнётся ускорение жидкости между этими двумя сетчатыми слоями, причём направление движения жидкости зависит от полярности приложения напряжения (насос запитывается постоянным током).
Механические типы насосов также подразделяются на два типа: с активными клапанами и с пассивными.
Насосы с активными клапанами — это устройства, в которых при подаче напряжения происходит деформация гибкой мембраны, представляющей собой клапан и поршень одновременно:
Подобные гибкие мембраны располагаются массивами, срабатывающими друг за другом, поочерёдно. Таким образом, это очень сильно похоже на перистальтический принцип действия.
Очевидным плюсом подобной конструкции является возможность перекачки жидкости в обоих направлениях — для этого всего лишь нужно изменить последовательность включения мембран (слева-направо или справа-налево).
Вторым типом микромеханических насосов являются насосы с пассивными клапанами. Если попытаться обобщить принцип их действия, то он базируется на том, что сами клапаны не имеют привода, а отклоняются под воздействием какой-либо силы, оказывающей воздействие на весь объём рабочей камеры микронасоса: электростатики, изменения формы пьезоэлектрика, магнитного воздействия, увеличения температуры в рабочей камере. То есть после начала отклоняющего воздействия жидкость из рабочей камеры устремляется наружу, отклоняя выходной клапан и закрывая входной и наоборот.
Плюсом микронасосов с последним видом клапанов является возможность перекачки с их помощью достаточно существенного объёма жидкостей. Кстати говоря, насколько мне известно, нечто подобное, похожее на последний тип, используется в струйных принтерах в конструкции печатающей головки: в одном из типов конструкции головки происходит изменение формы пьезоэлектрика и из сопла вылетает капелька чернил. В другой же конструкции, термического принципа действия, происходит моментальное испарение, вследствие чего повышение давления также выбрасывает капельку чернил. В обоих случаях используются массивы сопел для обеспечения приемлемой производительности в целом.
▍ Микрозеркала
Технологии создания микромеханических систем нашли своё применение и в такой важной области, как создание миниатюрных зеркал, использующихся для создания лазерных сканеров, видеопроекторов.
Принцип действия основан на том, что система приводов запитывается постоянным током, при этом само зеркало заземляется, а под ним располагается несколько контактов, попеременно подавая напряжение на которые добиваются отклонения зеркала в ту или иную сторону.
Возврат зеркала в состояние покоя производится с помощью естественной упругости его подвесов, которые в момент подачи питания изгибаются и «напрягаются», а после его снятия «расслабляются», возвращаясь в изначальную форму, если можно так сказать.
И в общем случае вид микрозеркальной системы с интегрированными приводами показан на видео ниже. Хорошо видны контакты (золотистые пластины), расположенные под зеркалом с двух сторон:
Система приводов зеркала может быть выполнена как в качестве одноосной, так и в качестве двуосной:
Система зеркало-подвес может быть выполнена из различных металлов (известны зеркала, выполненные из золота или алюминия с гибкой подвеской, изготовленной из кремния).
▍ Микродвигатели
Весьма любопытным является использование МЭМС-технологий для создания микродвигателей.
Такие двигатели выполняются плоскими, достаточно малого размера (например, имеющими диаметр ротора в 100 мкм), при этом ротор и статор выполняются из токопроводящих материалов.
Принцип действия зачастую используется электростатический, а малое расстояние между ротором и статором (типичный зазор 1-2 мкм), обуславливает достаточно высокую эффективность электростатического взаимодействия.
Известны приводы, имеющие напряжение питания в 100 В и скорость оборотов 50 000 об/мин с выходной мощностью до 10 Вт.
При этом сильной стороной подобных двигателей является отсутствие непосредственного контакта между статором и ротором (в бесконтактном варианте), что обеспечивает должную долговечность, однако в случае использования подобных двигателей в качестве шаговых, для обеспечения нужной точности перемещения ротора требуется и сверхточное изготовление с допуском не более 0.1 мкм, что существенно удорожает и усложняет технологию производства (точность перемещения ротора достигается за счёт миниатюризации зубцов ротора и статора, изготовление которых при малых размерах и большом их количестве с нужными допусками представляет собой существенную проблему).
Подобного типа двигатели могут быть выполнены как в виде вращательных, так и возвратно-поступательных:
Кроме бесконтактных двигателей, существуют и контактные двигатели различных конструкций, например, пьезоэлектрические, где механические изгибы статора, вследствие поданного питающего напряжения, приводят к вращению ротора: ротор расположен выше статора и с него свисают небольшие отростки. При подаче питания на статор он осуществляет некоторое движение вверх и упирается в отростки ротора, изгибая их, что приводит, в силу их упругости, к смещению ротора на некоторое расстояние вокруг своей оси. После убирания питающего напряжения ротор остаётся смещённым, и цикл многократно повторяется, при этом ротор осуществляет круговое движение.
▍ Лаборатории на кристалле
Весьма перспективное устройство представляют собой так называемые лаборатории на кристалле, которые выполнены в виде сверхминиатюрных систем с типичными размерами от нескольких микрометров до нескольких миллиметров, имеющие объёмную структуру и содержащие в своём составе хранилища жидких и газообразных реагентов, трубопроводы, микроклапаны, микронасосы, средства анализа и сопутствующие электронные компоненты, обеспечивающие работу этой системы. Устройство каждой подобной миниатюрной лаборатории обуславливается целью её применения.
Очевидными плюсами подобных устройств являются высокая скорость осуществления анализа и дешевизна (позволяющая изготавливать одноразовые лаборатории).
В качестве технологии для изготовления подобных лабораторий используют в основном LIGA-технологию, а также объёмную микрообработку кремния.
С помощью таких лабораторий, например, выполняют:
- анализ ДНК, используя полимеразную цепную реакцию (ПЦР), суть которой заключается в нагреве и охлаждении раствора, в котором содержится анализируемая ДНК;
- иммуноферментный анализ, с целью обнаружения токсинов, например, рицина;
- диагностика заболеваний (СПИД, и т. д.);
- анализ родства;
- поиск генно-модифицированных организмов;
- ранняя диагностика онкологии;
- и многое другое.
Интересным подвидом лаборатории на кристалле являются газовые и жидкостные хроматографы.
К примеру, назначение газового хроматографа заключается в определении примесей в составе изучаемой газовой пробы. Принцип действия газового хроматографа построен на том, что порцию газа пропускают через специальный трубопровод, при движении через который из-за взаимодействия со стенками трубопровода различные компоненты газа приходят к концу трубопровода с разной скоростью (в силу разной степени подвижности этих компонентов), что и позволяет их идентифицировать по отдельности.
Размер типичного хроматографа составляет порядка 4 мм². Его трубопровод может быть выполнен в виде спиральной канавки в кремнии (изготовленной с помощью изотропного травления кремния), например, имеющей ширину в 200 мкм, глубину в 40 мкм и длину порядка полутора метров. После травления пластину кремния с готовой канавкой соединяют со стеклянной пластиной (герметично закрывающей трубопровод сверху), и система превращается готовый трубопровод.
Завершая рассказ, следует отметить, что применение МЭМС-технологий даёт новые возможности и не ограничивается только рассмотренными выше устройствами, так как с помощью указанной технологии могут быть изготовлены и различные гироскопы/акселерометры, а также иные датчики, а ввиду применения того же инструментария технологий, что и при производстве интегральных микросхем, возможно создание весьма миниатюрных устройств с высокой степенью интеграции компонентов, что как удешевляет финальные изделия, так и даёт возможность высокой производительности изделий (там, где она требуется), для чего зачастую используются массивы микроустройств. Однако в одном из рассмотренных выше случаев применение таких массивов является затруднительным, а именно, при создании микродвигателей, где суммирование выходной мощности от массива таких двигателей представляет собой определённую проблему. Объёмы статьи не позволяют рассмотреть ещё и сенсорные элементы, создаваемые рассмотренными способами, однако отметить этот момент стоит, как возможность.
Как смартфоны чувствуют мир. Часть 1: акселерометры, гироскопы и другие сенсоры
Сами того не подозревая, мы каждый день пользуемся акселерометрами, магнитометрами и микрофонами, которые имеются в наших мобильных устройствах. Но как же устроены эти миниатюрные датчики? Об этом читайте в нашем материале.
Что же такое МЭМС (MEMS)? Под этой аббревиатурой скрывается название «микроэлектромеханические системы» (Microelectromechanical systems). Они представляют собой миниатюрные устройства, содержащие микроэлектронные и микромеханические компоненты. Само название МЭМС, скажем прямо, совсем не на слуху у пользователей. Однако каждый день мы пользуемся множеством девайсов, основанных на базе этих решений. Самым простым примером микроэлектромеханической системы может служить акселерометр, который используется во всех современных смартфонах, игровых консолях и жестких дисках. Однако существует множество других систем, применение которых отнюдь не ограничивается потребительской электроникой. Решения на основе МЭМС находят применение в автомобильной промышленности, военной отрасли, а также медицине.
История и архитектура
Для начала немного истории. По большому счету, началом развития МЭМС можно считать 1954 год. Именно тогда был открыт пьезорезистивный эффект кремния и германия, который лег в основу первых датчиков давления и ускорения. Через 20 лет — в 1974 году — компанией National Semiconductor впервые было налажено массовое производство датчиков давления. А в 1990-х годах рынок микроэлектромеханических систем значительно вырос благодаря началу использования различных миниатюрных сенсоров в автомобильной электронике.
MEMS-системы получили приставку «микро-» из-за своих размеров. Составные части таких устройств имеют размеры от 1 до 100 мкм, а размеры готовых систем варьируются от 20 мкм до 1 мм.
В плане архитектуры МЭМС-устройство состоит из нескольких взаимодействующих механических компонентов и микропроцессора, который обрабатывает данные, получаемые от этих компонентов. Какого-то стандарта для механических элементов нет: по своему типу они могут сильно различаться в зависимости от назначения конкретного устройства.
В качестве материалов для производства МЭМС могут использоваться как и традиционный кремний, так и другие материалы: например, полимеры, металлы и керамика. Чаще всего механические системы изготавливаются из кремния. Его основные преимущества заключаются в физических свойствах. Так, кремний очень надежен — он может работать в течение триллионов циклов операций и при этом не разрушаться. Что касается полимеров, то этот материал хорош тем, что его можно производить в больших количествах и, что самое важное, с множеством различных характеристик под конкретные задачи. Ну а металлы (золото, медь, алюминий), в свою очередь, обеспечивают высокие показатели надежности, хоть и уступают по качеству своих физических свойств кремнию.
Стоит отдельно упомянуть и о таких материалах, как нитриды кремния, алюминия и титана. Благодаря своим свойствам они широко используются в микроэлектромеханических системах с пьезоэлектрической архитектурой.
Что касается технологий производства МЭМС, то здесь используется несколько основных подходов. Это объемная микрообработка, поверхностная микрообработка, технология LIGA (Litographie, Galvanoformung и Abformung — литография, гальваностегия, формовка) и глубокое реактивное ионное травление. Объемная обработка считается самым бюджетным способом производства МЭМС. Ее суть заключается в том, что из кремниевой пластины путем химического травления удаляются ненужные участки материала, в результате чего на пластине остаются только необходимые механизмы.
Результат, полученный с помощью объемной обработки
Глубокое реактивное ионное травление почти полностью повторяет процесс объемной микрообработки, за исключением того, что для создания механизмов используется плазменное травление вместо химического. Полной противоположностью этим двум процессам является процесс поверхностной микрообработки, при котором необходимые механизмы «выращиваются» на кремниевой пластине путем последовательного нанесения тонких пленок. И, наконец, технология LIGA использует методы рентгенолитографии и позволяет создавать механизмы, высота которых значительно превышает ширину.
В целом, все МЭМС можно разделить на две большие категории: сенсоры и актуаторы. Различаются они принципом своей работы. Если задача сенсора состоит в преобразовании физических воздействий в электрические сигналы, то актуатор выполняет прямо противоположную работу, переводя сигнал в какие-либо действия. Тот же акселерометр является сенсором, а в качестве примера устройства, использующего актуаторы, можно привести DLP-проектор (Digital Light Processing).
DLP-проектор BenQ использует актуаторы
Ну а теперь мы поговорим о каждом устройстве в отдельности.
Акселерометры
Самым распространенным МЭМС-устройством является акселерометр. Как уже говорилось выше, сфера его использования чрезвычайно обширна. Она охватывает мобильные телефоны, ноутбуки, игровые приставки, а также более серьезные устройства, такие как автомобили. Само предназначение акселерометра заключается в измерении кажущегося ускорения. В случае с мобильными телефонами он используется для многих целей. Например, для смены ориентации экрана. Или же выполнения каких-либо функций при «встряхивании» устройства. Кроме этого, не стоит забывать и об играх — они, пожалуй, составляют основную сферу применения акселерометров. Нынче уже сложно представить «продвинутую» игрушку, в которой не было бы реализовано управление посредством наклона телефона. Одним словом, акселерометр стал неотъемлемой частью смартфонов. Кстати, впервые он был установлен в мобильный телефон Nokia 5500. Благодаря акселерометру телефон можно было использовать как шагомер. Любители утренних пробежек были в восторге! Но, конечно, только после выхода Apple iPhone акселерометры достигли пика популярности. Да и в целом интерес к MEMS начал расти вместе с развитием платформ iOS и Android.
Nokia 5500 — первый телефон с акселерометром
Акселерометры также имеются в различных контроллерах игровых консолей, будь то обыкновенный геймпад или несколько иное устройство, например, контроллер движения PlayStation Move. Кстати, акселерометр используется и в анонсированном на днях шлеме виртуальной реальности Sony Project Morpheus.
Особое значение имеет акселерометр, применяемый в ноутбуках, а точнее, в их жестких дисках. Всем известно, что винчестеры — устройства довольно хрупкие, и в случае с лэптопами вероятность их повреждения возрастает в разы. Так, при падении ноутбука акселерометр фиксирует резкое изменение ускорения и отдает команду на парковку головки жесткого диска, предотвращая и повреждение устройства, и потерю данных.
Акселерометр InvenSense MPU-6500
По схожему принципу акселерометр влияет на работу автомобильного видеорегистратора. При резком ускорении, торможении и перестроении транспортного средства видеозапись помечается специальным маркером, который защищает ее от стирания и перезаписи, что значительно облегчает дальнейшие разборы дорожно-транспортных происшествий.
В целом самым большим и перспективным рынком для акселерометров и других МЭМС является автомобильная промышленность. Дело в том, что в отличие от рынка мобильных и игровых устройств, где акселерометры используются в развлекательных целях, в автомобилях на работе акселерометра основываются буквально все системы безопасности. С их помощью работают система развертывания подушек безопасности, антиблокировочная система тормозов, система стабилизации, адаптивный круиз-контроль, адаптивная подвеска, система Traction Control — и это далеко не полный список! Учитывая, что производители автомобилей уделяют особое внимание безопасности, количество применяемых акселерометров и других МЭМС будет лишь расти.
Краш-тест автомобиля Opel Vectra. В 90-е годы подушки безопасности зачастую были только опцией
Но несмотря на то, что рамки использования акселерометра довольно четко определены, разработчики продолжают думать над тем, в каких еще целях можно применять это устройство. Например, ученые из Национального института геофизики и вулканологии Италии Антонио Д’Аллесандро (Antonino D'Alessandro) и Джузеппе Д’Анна (Giuseppe D'Anna) предложили использовать акселерометр мобильного телефона как датчик землетрясений. Очень интересно! Исследования проводились с акселерометром iPhone, и результаты сравнивались с показаниями полноценного датчика землетрясений компании Kinemetrics. Как оказалось, мобильный гаджет способен улавливать сильные землетрясения силой более 5 баллов по шкале Рихтера, но только если он находится вблизи эпицентра подземных толчков. Результаты не настолько впечатляют, однако ученые уверены: чувствительность акселерометров будет только расти, и в будущем они смогут определять и менее сильные землетрясения. Остается лишь вопрос: зачем акселерометру телефона измерять силу подземных толчков, когда есть датчики землетрясения? Все дело в том, что ученые ставят своей целью создание в будущем целой сети из смартфонов в сейсмически активных районах. В теории, при землетрясениях данные со смартфонов будут поступать в аналитический центр, что позволит определять наиболее пострадавшие от стихии районы и правильно координировать спасательные операции. Идея более чем интересная и, главное, действительно востребованная в некоторых уголках мира, однако сейчас сложно представить, как она будет реализована на практике.
Теперь поговорим о самой конструкции акселерометра. Существует несколько видов устройств в зависимости от их архитектуры. Работа акселерометра может основываться на конденсаторном принципе. Подвижная часть такой системы представляет собой обыкновенный грузик, который смещается в зависимости от наклона устройства. По мере его смещения изменяется емкость конденсатора, а именно меняется напряжение. Исходя из этих данных, можно получить смещение грузика, а вместе с тем и искомое ускорение.
Как устройства чувствуют мир. Часть 2: MEMS-актуаторы 04.05.2014 16:02
Как вы помните, в первой части нашей статьи мы рассказали о таких MEMS-сенсорах, как акселерометры, гироскопы, микрофоны, барометры и магнитометры. Принцип их работы состоит в том, что они преобразуют физические воздействия в электрические сигналы. Однако есть и вторая большая категория MEMS-устройств под названием актуаторы, которые работают иначе, преобразуя электрические импульсы в какие-либо действия. Именно о них мы и поговорим во сегодня, а также уделим внимание разработкам в области медицины и другим необычным проектам.
Технология DLP И открывает наш список разработка компании Texas Instruments — технология под названием DLP (Digital Light Processing). Как заявляются сами разработчики, она является основой для наборов микросхем, использующихся в различных светотехнических системах. Работа технологии DLP обеспечивается специальными цифровыми микрозеркальными устройствами DMD (Digital Micromirror Device). Главной областью применения считаются, конечно же, проекторы.
DLP-проектор Acer H5360BD
Архитектурно каждый чип DMD представляет собой массив микрозеркал, который используется для пространственной модуляции света. Их количество напрямую зависит от нужного разрешения. Так, DMD-чип, работающий в Full HD разрешении (1920×1080), содержит более двух миллионов микрозеркал. Соответственно, для меньшего разрешения необходимо меньшее количество элементов, для более высокого — большее.
Само микрозеркало представляет собой небольшую квадратную алюминиевую пластинку со стороной размером 16 мкм. Под каждым микрозеркалом располагается ячейка памяти, к которой и привязано конкретное зеркало. Во время работы DMD-контроллер загружает в ячейку »0» или »1». После того, как ячейка памяти заполняется, на микрозеркало воздействует электрический импульс, и оно отклоняется на угол в диапазоне от -12 до +12 градусов. При этом положение зеркальца при -12 градусах соответствует выключенному состоянию пиксела, а +12 — включенному. Иначе говоря, в этих положениях пиксел окрашивается в черный или белый цвет. Кроме черного и белого цветов, микрозеркала могут отображать до 1024 оттенков серого цвета. Для этого используется мерцание, которое обеспечивается их включением/выключением с определенной частотой.
Слева изображен чип DLP, справа — микрозеркала
В итоге получается, что DMD обеспечивает лишь черно-белое изображение. Но ведь DLP-проекторы показывают цветную картинку! Каким же образом окрашивается производимое DMD-чипами изображение?
Процесс окрашивания уже не имеет никакого отношения к MEMS. В случае с DLP-проекторами для этого используется цветовое колесо, которое располагается между лампой, излучающей белый свет, и чипом DLP. Колесо, как правило, имеет четыре цветовых сектора: красный, зеленый, синий и белый (прозрачный). По большому счету, можно было бы обойтись лишь «обоймой» из RGB-цветов, однако прозрачный фильтр позволяет значительно улучшить отображение полутонов. Окончательное изображение формируется путем последовательного отображения на экране синей, зеленой, красной и прозрачной картинок. Человеческий глаз воспринимает эту композицию как цветное изображение.
Цветовое колесо
Стоит отметить, что микрозеркала используются не только в DLP-системах. Массивы зеркал также применяются в микроскопах и телескопах. В обоих случаях они используются для борьбы с искажениями. Например, в случае с телескопом искажения возникают при прохождении света через атмосферу. А применяемые в устройстве массивы зеркал могут изменять свое положение для получения четкого, неискаженного изображения.
Кроме этого, микрозеркала нашли себе применение в оптических коммутаторах. Применяемые в этих устройствах зеркала имеют такую же конструкцию, как и в случае с DLP-проекторами, однако они умеют поворачиваться сразу по двум осям в отличие от одноосевых. Такие коммутаторы обеспечивают очень большую полосу пропускания, однако в то же время требуют сложного программного обеспечения для корректной работы.
MEMS и дисплеи Особенности архитектуры MEMS-дисплеев и DLP-систем могут во многом пересекаться, но мы намеренно вынесли тему экранов в отдельную заметку. Разработка MEMS-дисплеев началась относительно недавно, и лишь на выставке CEATEC осенью 2013 года компании Qualcomm и Sharp представили прототип такого устройства.
В отличие от современных жидкокристаллических мониторов, в разработке Sharp/Qualcomm отсутствуют привычные нам RGB-светофильтры. На смену им пришла индивидуальная светодиодная подсветка для каждого отдельного пиксела. Она с большой частотой мерцает не только красным, синим или зеленым цветом, но и белым. Белый цвет был добавлен с той же целью, что и в DLP-проекторах — для лучшей передачи полутонов. Ну, а в качестве затворов пикселов используются микроэлектромеханические системы, в связи с чем устройство и было названо MEMS-дисплеем.
MEMS-дисплеи Sharp/Qualcomm
Опытный образец, представленный на выставке, имел диагональ размером 7 дюймов и разрешение 1280×800 пикселов. Но даже прототип устройства выгодно отличался на фоне ЖК-дисплеев своими насыщенными цветами. При этом, по заявлению разработчиков, за счет применения светодиодной подсветки и отказа от светофильтров, а также применения MEMS-затворов энергопотребление таких дисплеев будет примерно на 15% ниже, чем у жидкокристаллических устройств. Единственным существенным недостатком дисплея Sharp/Qualcomm стал «эффект радуги», который также наблюдается у некоторых DLP-проекторов. Суть эффекта заключается в том, что время от времени пользователь видит на экране переливающиеся цвета — точно как в радуге. Однако в Sharp заявили, что знают о проблеме, и пообещали устранить эффект до запуска дисплея в серийное производство.
Также стоит отметить, что в дисплее используется технология IGZO. Это значит, что при производстве прозрачных тонкопленочных транзисторов экрана используются оксиды индия, галлия и цинка. Эти материалы обладают значительно более подвижными электронами, что позволяет уменьшать размер пиксела, а также время отклика экрана.
К сожалению, пока неизвестно, как скоро MEMS-дисплеи поступят в серийное производство. По слухам, до конца года на рынке появится устройство, использующее решение Sharp/Qualcomm. Однако планы имеют тенденцию меняться.
MEMS и принтеры Свое применение микроэлектромеханические системы нашли и в струйных принтерах. Наиболее известной технологией печати MEMS является Memjet.
Свое начало Memjet берет в далеком 2002 году. Именно тогда была создана одноименная компания. Возглавил ее основатель австралийской фирмы Silverbrook Research Киа Силвербрук. Компания Memjet объединила небольшую группу ученых под руководством Силвербрука, перед которыми была поставлена задача: изобрести революционную технологию печати. Спустя 5 лет, в 2007 году, была представлена технология Memjet.
Memjet C6010 — принтер, использующий технологию Memjet
Главная особенность технологии заключается в использовании печатающих головок на основе MEMS. Применение микроэлектромеханических систем позволило расположить сразу 70 400 дюз, генерирующих чернильные капли. А это примерно в 17 раз больше, чем в печатающих головках большинства современных струйных принтеров! Столь большое количество дюз обеспечивает очень высокую производительность. Расчетная скорость печати Memjet составляет 60 страниц формата А4 в минуту при разрешении 1600×800 dpi. Одна печатающая головка на базе MEMS имеет длину 222,8 мм и выстреливает свыше 700 млн чернильных капель в секунду. Интересно, что объемом одной такой капли составляет всего лишь 1,1–1,2 пиколитра. Для наглядности: диаметр такой капли составляет 13 мкм! В печатающей головке предусмотрено пять каналов для чернил пяти цветов, которые можно компоновать в различных комбинациях.
Стоит отметить, что применение Memjet отнюдь не ограничивается печатью формата А4. Технология также поддерживает широкоформатную печать шириной более одного метра без необходимости перемещения печатающей каретки. Это становится возможным благодаря расположению друг за другом нескольких печатающих головок.
Печатающая головка Memjet
И пару слов о принципах работы печатающих головок на основе MEMS. Очевидно, что из-за крайне малого размера дюз чернила не могут выливаться самостоятельно. Для образования и выдавливания капли необходимо какое-либо физическое воздействие на нее. И здесь существуют два основных подхода к работе печатающей головки. В ней можно разместить пьезоэлемент. На него в нужный момент будет подаваться электрический ток, из-за чего он будет увеличиваться в объеме и выталкивать каплю чернил наружу. Однако этот метод не так часто используется в сравнении с принципом термоструйной печати, в процессе которой в печатающей головке размещается нагревательный элемент, который разогревает чернила. При достижении определенной температуры капля чернил увеличивается в объеме и выталкивается на бумагу.
Несмотря на свои достоинства, технология Memjet так толком и не добралась до серийных устройств. Разработчики компании до сих пор выпускают пресс-релизы, в которых указывают инновационность разработки и особо подчеркивают высокую скорость печати. Однако с начала разработки прошло уже почти 12 лет, а с анонса технологии — 7 лет. Поэтому остается лишь надеяться, что в самое ближайшее время мы увидим все преимущества Memjet на практике.
MEMS в медицине Кроме использования в потребительских устройствах, микроэлектромеханические системы нашли применение и в медицинской сфере. Применяемые технологии получили название «биоМЭМС».
Использование технологии в медицинских целях стало возможно после того, как в системах были реализованы различные концепции микрофлюидики (науки, описывающей поведение малых объемов и потоков жидкостей) и молекулярного узнавания. Подавляющее большинство «биоМЭМС» представляют собой специальные датчики, предназначенные для слежения за параметрами внутренней среды человека. При отклонении отслеживаемых параметров от нормы они могут выделять в организм лекарственные вещества. Например, при повышении содержания глюкозы может выделяться инсулин. Зачастую «биоМЭМС» оснащаются и модулями беспроводной связи, что позволяет передавать информацию о состоянии организма, например, на планшетный компьютер врача.
Принцип работы имплантанта «биоМЭМС» (Bio-MEMS implant). Также на рисунке изображены человеческое тело (human body), мобильное устройство (hand-held device), сигнал телеметрии (RF telemetry signal)
На сегодняшний день существует огромное множество различных «биоМЭМС» устройств. Особое внимание было уделено разработке слуховых аппаратов. Не так давно было создано устройство для глухих людей, содержащее звуковой сенсор и микропроцессор. Принцип его работы заключается в том, что устройство имплантируется в человеческое ухо, а микропроцессор раскладывает звуковые волны на компоненты ряда Фурье, которые передаются напрямую слуховому нерву, благодаря чему глухой человек может слышать.
Помимо этого, учеными из Университета штата Юта было создано еще одно устройство, способное заменить традиционный слуховой аппарат. Особенность этого решения состоит в том, что оно не предусматривает использование микрофона. Этот аппарат улавливает звук не напрямую, а посредством акселерометра, которые «обрабатывает» вибрации в ухе. Такие механические воздействия преобразовываются в электрический сигнал, который затем передается в мозг человека.
На этой картинке можно увидеть, насколько миниатюрны MEMS-устройства
Также существует несколько видов кардиологических «биоМЭМС». По своему предназначению они все схожи. Основной их задачей является передача информации о внутрисердечном давлении на внешние устройства. Тем не менее принцип работы может отличаться. Одни устройства постоянно передают данные о состоянии организма, другие же — лишь при нахождении специального внешнего приемника на небольшом расстоянии от тела.
К категории «биоМЭМС» также относятся и датчики, предназначенные для хирургических инструментов. Понятно, что во время сложных операций врачам необходимо действовать максимально точно и аккуратно — и такие датчики помогают им не допускать ошибок. В целом чипы для хирургических инструментов снижают риск операции, помогают управлять процессом, обеспечивая хирурга данными о состоянии организма и работе хирургического инструмента.
Интересно, что в некоторых случаях акселерометры также принято относить к «биоМЭМС» устройствам. Дело в том, что акселерометры также используются в экипировке людей, чья профессия связана с риском для жизни — например, военных или пожарных. И если акселерометр не улавливает никаких движений, то на внешнее устройство подается аварийный сигнал. Очень полезная разработка!
Необычные микропроекты Все это время мы говорили о MEMS как о внушительных разработках. Однако, как оказалось, не все относятся к микроэлектромеханическим системам так серьезно. За последние годы было создано достаточно много проектов, которые кроме как развлечением и не назовешь.
Так, студенты Техасского университета создали самые маленькие в мире шахматы. Клетчатая доска имеет размеры 435×435 мкм. Самое интересное, что шахматные фигуры даже можно двигать с помощью специальной роботизированной руки. Фантастика!
MEMS-шахматы
А в Университете Юты студенты пошли чуть дальше и создали МЭМС-парикмахерскую для одного волоса. В конструкции устройства предусмотрены захват, режущий инструмент, подвижное зеркало и даже фен. Парикмахерская имеет настолько малые размеры, что, по словам разработчиков, одной капли дождя хватило бы, чтобы полностью ее затопить.
MEMS-парикмахерская: микрозеркало (micromirror), микрофен (microhairdryer), режущий инструмент (microsaw), микрозахват (microgripper)
Однако дальше всех со своими идеями пошли инженеры из Сандийской национальной лаборатории (Sandia National Laboratories). Какие только микроэлектромеханические системы они не выпускали! Это и зеркала, и трансмиссии, и даже микроскопические паровые двигатели. Словом, веселились как могли.
Трехцилиндровый паровой двигатель
Трансмиссия
Микродвигатель
Дальнейший экономический рост Тенденция к росту рынка MEMS сохраняется уже несколько лет, и по прогнозам аналитиков в ближайшие годы рост продолжится еще более быстрыми темпами. По статистике французской компании Yole Developpement, финансовый показатель рынка микроэлектромеханических переключателей в 2013 году составил около 12 миллиардов долларов США, а уже в 2018 году он достигнет отметки в 22 миллиарда. Это означает, что в течение следующих пяти лет ежегодный рост рынка составит около 13%.
Прогнозируемый рост рынка MEMS
Прирост во многом будет обеспечиваться ростом рынка планшетов и смартфонов. По прогнозам инженеров в ближайшие годы количество микроэлектромеханических систем в этих устройствах увеличится с 12 до 20. Крупные компании рассчитывают на то, что в потребительской электронике будут использовать МЭМС-модули автофокуса камеры, датчики давления, датчики влажности, девятиосевые сенсоры и некоторые другие чипы.
Кстати, лидером на рынке MEMS в 2013 году стала компания ST Microelectronics, которая поставляет свои чипы таким гигантам, как Apple и Samsung. На втором месте обосновалась компания Bosch, которая является основным поставщиком систем для автомобильной промышленности. Тройку лидеров с небольшим отрывом замкнула компания Texas Instrument.
Заключение Подводя небольшой итог, необходимо сказать, что MEMS — крайне интересная технология. Прежде всего потому, что столь маленькие по размерам устройства обеспечивают очень богатую функциональность в весьма разных сферах жизни. Это и потребительская электроника, и автомобильная промышленность, и медицина. Нет сомнений, что для развития MEMS сегодня складываются самые благоприятные условия. Оттого есть определенная уверенность, что в ближайшие годы мы увидим множество новых интересных MEMS-устройств.