МикроЭлектроМеханические Системы или сокращенно МЭМС - это множество микроустройств самых разнообразных конструкций и назначения, производимых сходными методами с использованием модифицированных групповых технологических приемов микроэлектроники. Объединяет их два признака. Первый - это размер, второй - наличие движущихся частей и предназначение к механическим действиям. В мире они известны под аббревиатурой MEMS - MicroElectroMechanical Systems.

Это могут быть:

миниатюрные детали: гидравлические и пневмо клапаны, струйные сопла принтера, пружины для подвески головки винчестера
микроинструменты: скальпели и пинцеты для работы с объектами микронных размеров
микромашины: моторы, насосы, турбины величиной с горошину
микророботы
микродатчики и исполнительные устройства

Некоторые из них уже производятся в мире многомиллионными тиражами, другие только разрабатываются и проходят испытания. С микроситемами связывают тот технологический рывок, который человечество совершит в 21 веке, им предрекают совершить такой же переворот, который совершила в 20 веке микроэлектроника.

Микротехнологии развиваются на основе научно-технологического задела микроэлектроники. Вместе с тем, микроэлектромеханические системы призваны активно взаимодействовать с окружающей средой. Кроме того, конструкции систем обладают выраженной трехмерностью. От классических механических систем их отличает размер - материалы в таком масштабе ведут себя несколько иначе, чем в объемном виде, хотя микросистемы еще подчиняются законам классической физики, в отличие от наносистем. Тем не менее классическая физика предсказывает для микроустройств особенные свойства. Все это требует ряда совершенно новых подходов к проектированию, изготовлению и материалам МЭМС. Новые задачи в проектировании связаны с необходимостью расчета и моделирования не только задач схемотехники и логики, но и совокупности проблем механики твердого тела, термоупругости, газо- и гидродинамики - порознь или одновременно появляющихся в изделии. Что касается материалов, то несмотря на то, что монокристаллический кремний - традиционный материал микроэлектроники - имеет ряд уникальных свойств, необходимы другие материалы с новыми сочетаниями электро-физико-механических свойств. Новые задачи технологии связаны с наиболее характерными отличиями микросистем от изделий микроэлектроники: если последние по существу двумерны и механически статичны, то микросистемы - это реальные трехмерные структуры, элементы которых должны иметь возможность относительного механического перемещения. Эти новые свойства требуют развития новых технологических операций для 3-D формообразования.

Поскольку МЭМС развиваются на стыке множества отраслей науки и техники, требуется участие в работах специалистов самых разных областей знания, которые могли бы эффективно взаимодействовать. Координировать работу таких групп должны специалисты, которые владеют знаниями во всех основных предметных областях, имеющих отношение к созданию микросистем, а также владеют современной методикой реализации инновационной деятельности.

Микроактюаторы

Микроактюатор (составная часть МЭМС) - это устройство, которое преобразовывает энергию в управляемое движение. Микроактюаторы имеют размеры от нескольких квадратных микрометров до одного квадратного сантиметра. Диапазон применения микроактюаторов чрезвычайно широк и различен, и он постоянно возрастает. Они используются в робототехнике, в управляющих устройствах, в космической области, в биомедицине, дозиметрии, в измерительных приборах, в технологии развлечения, автомобилестроении и в домашнем хозяйстве.

Основные используемые методы получения активации (движение, деформация, приведение в действие) в таких устройствах могут быть сведены к следующим: электростатический, магнитный, пьезоэлектрический, гидравлический и тепловой. Наиболее перспективными методами считаются пьезоэлектрический и гидравлический, хотя и другие имеют важное значение. Электростатическая активация применяется примерно в одной трети актюаторов, и, вероятно, это наиболее общий и хорошо разработанный метод, его главные недостатки это износ и слипание. Магнитные актюаторы обычно требуют относительно большой электрический ток (т.е. много энергии), также на микроскопическом уровне при использовании электростатических методов активации, получаемый выходной сигнал на относительную единицу размерности лучше, чем при использовании магнитных методов, т.е. при одном и том же размере электростатическое устройство выдаёт более хороший выходной сигнал. Тепловые актюаторы тоже потребляют относительно большое количество электрической энергии, и главный их недостаток в том, что генерируемое тепло рассеивается. В настоящее время разрабатываются микроактюаторы, основанные на эффекте памяти формы, которые могут быть минитюаризированы до субмикронных размеров.

При изготовлении и эксплуатации МЭМС встречается масса особенностей и проблем, обуславливаемых малыми размерами - например проблема сухого трения, или опасность поломки из-за сил поверхностного натяжения. Поэтому проектирование микросистем черезвычайно важный процесс. Существует довольно много специальных программных средств , которые позволяют моделировать МЭМС устройства.

Законы пропорциональной миниатюризации

При изучении микросистем последствия пропорционального уменьшения размеров представляют особый интерес. То есть принимается, что все размеры и углы остаются в фиксированном соотношении друг с другом, а изменяется только масштаб длины, например, предположим изометрический масштаб. Механические процессы описываются соответствующими характеристическими числами, которые должны остаться постоянными, для того чтобы процессы остались такими же. Некоторые характеристические числа зависят от размера системы, а другие независимы от него. Здесь представлены только некоторые характеристические числа, которые особенно интересны для применения в микросистемах.

Число Коши (упругие колебания)

Число Коши [Формула 1 (Рис.36)] определяет соотношение инерционных сил и сил упругости в твёрдом теле, оно характеризует движение или вибрацию. Число Коши зависит только от квадрата длины L и частоты колебаний ω, а также от свойств материала (от плотности - ρ и модуля Юнга - Е). При упругой вибрации, это, следовательно, подразумевает, что масштаб частоты колебаний обратно пропорционален длине. Из этого следует, что механические микросистемы обладают очень высокими собственными частотами. Хотя собственные частоты ограничивают рабочий диапазон, миниатюризированные системы проявляют значительно улучшенные динамические характеристики и более низкое время реакции.

Число Вебера (инерция, поверхностное натяжение)

Число Вебера [Формула 2 (Рис.36)] определено, как соотношение инерционных сил и поверхностного натяжения. Где u - это скорость, ρ - плотность и σ s - поверхностное натяжение, для воды значение σ s = 0,073 Н/м. Для больших чисел Вебера инерционные силы играют главенствующую роль, в то время как для маленьких чисел Вебера силы поверхностного натяжения значительны. Число Вебера имеет значение при формировании волн на свободных поверхностях, для потоков жидкости в капиллярах и каналах, а также в формировании капелек. Число Вебера связывает силу поверхностного натяжения с объёмными силами. При небольших размерах силы, связанные с поверхностью, доминируют.

Число Фурье (переходный процесс при переносе тепла)

Число Фурье [Формула 3 (Рис.36)] указывает на соотношение между накопленной энергией и проведённой тепловой энергией. Оно определяет степень проникновения и распространения тепла в случае переходного процесса при переносе тепла через коэффициент теплопроводности λ, удельную теплоемкость c p и плотность ρ. Число Фурье обратно пропорционально квадрату длины L и прямо пропорционально времени. Для F 0 <1 тело имеет однородную температуру и переходной эффект не имеет значения. В микросистемах, тепловые актюаторы достаточно быстры для того, чтобы выполнить механическую функцию. Актюаторы макродиапазона слишком медленны из-за своей тепловой инерции.

Число Фруда (механика, конвекция, механика жидкости)

Число Фруда [Формула 4 (Рис.36)] имеет важное значение для всех динамических перемещений в гравитационном поле. Оно характеризует соотношение между инерционными силами и силами гравитации (вес) в зависимости от скорости υ, ускорения из-за силы тяжести g и масштаба длины L. При больших значениях числа Фруда эффектом силы тяжести пренебрегают, в то время как при малых значениях числа Фруда можно пренебрегать силами инерции. Так как число Фруда обратно пропорционально величине длины, эффект гравитации уменьшается при уменьшении размеров. Действительно маленькие животные и микроорганизмы используют более высокую частоту шага, чем люди или большие животные.

Критерии оценки микроактюаторов

Для оценки качества микроактюаторов используются следующие показатели:

Линейность определяет линейность выходного сигнала как функцию входного. Определяется как максимальная разница между опорной линейной линией и выходом актюатора.· Выражена как процент полного выхода.
Точность - насколько точно и воспроизводимо выполнена искомая активация.
Погрешность определяет разность между реальным перемещением и целевым.
Для р азрешения имеется три определения:

Наименьший обеспечиваемый шаг.
Наименьшее приращение входа, приводящее к обнаружению активации.
Наименьший определяемый шаг.

Воспроизводимость - отклонение выходного сигнала по циклам работы
Гистерезис - это разница между выходным сигналом актюатора Y, когда Y получают в двух противоположных направлениях.
Пороговое значение - начиная с нулевого входного сигнала, наименьшее начальное приращение входа, которое приводит к обнаружению выходного сигнала актюатора.
Холостой ход - “мертвый” ход после смены направления ("b").
Шум - флуктуации (случайные изменения) в выходном сигнале с нулевым входом.
Дрейф - изменение выходного сигнала актюатора (с постоянным входом) в зависимости от изменения времени, температуры и т.д.
Амплитуда - полный рабочий диапазон выходного сигнала актюатора.
Чувствительность - отношение изменения выходного сигнала актюатора ΔY к изменению приращения входного сигнала ΔX.
Скорость - скорость, с которой изменяется выходной сигнал актюатора.
Переходная характеристика - резкое изменение выходного сигнала актюатора в ответ на ступенчатый входной сигнал.
Ранжирование - о ценка для сопоставления разных методов активации: DS= -(dη/dV), где η - выход по энергии, V - объём.

Трение и износ

Правила пропорциональной миниатюризации приводят к факту, что на микроуровне поверхностные силы по сравнению с объёмными имеют большее значение. Из этого следует, что для микроактюаторов трение имеет очень большое значение. Кроме того, из-за своей маленькой массы микромеханические элементы обладают малой силой инерции, что ведёт к высоким динамическим характеристикам, и следовательно они часто работают с высокой рабочей частотой и скоростью.

С одной стороны трение ведёт к потерям, которое является причиной ухудшения функционирования элементов, с другой стороны трение приводит к износу, который негативно воздействует на функциональное поведение и ведёт к ускоренному старению и, в конечном счёте, поломке компонента. Трение является ключевым фактором, который определяет не только эффективность, но и долговечность. Однако трение не всегда сопровождается износом, возможно трение и без износа.

Трение - это явление, воздействующее на поверхностный слой материала, и практически не затрагивающее объёмные характеристики. Это результат взаимодействия контактных областей поверхностей. Важные факторы, влияющие на величину трения: состояние поверхности, поверхностная топология и взаимодействующие материалы. По сравнению с традиционным машиностроением в микросистемах появляется трение твердых тел (сухое трение). Для микромоторов сила поверхностного натяжения настолько велика, что существенно влияет на их функционирование. Поэтому в качестве подшипников скольжения используют подшипники сухого трения, которые, однако, могут быть снабжены молекулярными смазочными плёнками для уменьшения трения и износа. В этом случае характеристики смазки и контактной поверхности становятся главными факторами. Характеристики материалов для смазочных плёнок молекулярной толщины изменяются. Следует заметить, что на сегодняшний день ещё не существует общепринятых методов применения молекулярных плёнок толщиной в несколько нанометров. В этом случае шероховатость поверхности имеет более высокую важность, чем толщина используемой в микросистемах плёнки, которая лежит в пределах от нескольких десятков до нескольких сотен нанометров.

Классическая инженерная модель макроскопического трения имеет следующие существенные характеристики:

Сила трения зависит только от нормальной силы F N и всегда действует в направлении противоположном направлению движения.
Сила трения не зависит от величины поверхности соприкосновения.
Сила трения не зависит от скорости скольжения.
Сила трения покоя всегда больше силы трения движения.
Силы трения зависят только от двух материалов, которые скользят друг по другу.

Следующая формула, названая законом Кулона - Амонтона, выражает эти соотношения: F 1 =μF N , где F 1 и F N - это тангенциальная и нормальная составляющая силы и μ - кинетический коэффициент трения. Некоторые коэффициенты сухого трения скольжения μ для различных комбинаций материалов представлены в таблице.

Любая поверхность имеет неровности и поверхностную волнистость, что приводит к тому что фактическая область контакта состоит из отдельных контактных точек. Точки контакта или неровности составляют только малую долю общей площади поверхности, зависящую от нагрузки.

Так как исключительно точки контакта вносят вклад в генерацию силы, напряжение в точках контакта соответственно высоко, и предел текучести материала σ m может быть достигнут при относительно малых силах. В пределах контактных точек происходят эластичные и пластические деформации, посредством чего общая суммарная площадь контакта А становится прямо пропорциональной давлению и обратно пропорциональной пределу текучести, A=p/σ m . В контактных областях силы междуатомного взаимодействия действуют между смежными участками вещества, которые противостоят касательному напряжению σ s . В этом случае силы трения переносятся только в область контакта. Таким образом, сила трения становится пропорциональной фактической площади контакта, и коэффициент трения находится по формуле μ=σ s /σ m . Эта модель даёт возможность объяснить трение Кулона, так как трение становится пропорциональным нагрузке, и не зависит от кажущейся площади. Сумма точек области находящихся в реальном контакте возрастает с увеличением нагрузки, из-за вовлечения большей области в адгезионное взаимодействие деформацией. Модель также объясняет, почему различные поверхности материалов имеют различный коэффициент трения - атомные поверхности имеют разные межмолекулярные связи. Некоторые применения этой идеи могут подтвердить вывод о том, что грубые поверхности могут иметь меньшее трение, чем очень хорошо отполированные, поскольку большая часть поверхности находится в контакте. Главная роль смазки - держать поверхности раздельно.

Износ, который сопровождает трение, отчасти можно представить в виде следующей картины. Внутри точек контакта происходит сильная нагрузка на материал, которая приводит к пластическим деформациям с одной стороны и с другой стороны, из-за слипания точек контакта, к формированию трещин на поверхности контактирующего материала и в результате к необратимым изменениям. Для износа характерны следующие механизмы:

Адгезия (слипание)
Абразивный износ (стирание)
Эрозия из-за разрыва оксидных покрытий
Усталость.

Вследствие адгезии может осуществляться перенос вещества между точками контакта и происходить искажение кристаллической решетки. Силы адгезии увеличиваются для веществ, которые имеют большее взаимное адгезивное сходство или химическую растворимость, создавая больший износ при контакте похожих поверхностей, чем при разнородных. Идеальным для предотвращения трения является материал, который сопротивляется образованию химических связей со множеством других материалов. Эта химическая инертность найдена в некоторых материалах, таких как тефлон. На атомном уровне было определено, что сухое трение иногда меньше, чем жидкое, потому что жидкость предоставляет больший фактический контакт между поверхностью и жидкостью, что приводит к гораздо большему адгезионному трению. Текстурирование может быть прежде всего использовано для уменьшения стикции (слипания) и трения покоя, так как более нерегулярные поверхности имеют меньшую стикцию. Текстурирование также может оказывать некоторую помощь смазочному материалу.

Различные типы микроактюаторов

Преобразование энергии

Цель микроактивации - это получение силы, которая могла бы производить механическое перемещение. Следовательно, разные принципы получения активации могут быть оценены согласно их работоспособности, т.е. возможности использования механической энергии. По сравнению с электромагнитным преобразованием энергии, которое преобладает в традиционной инженерии двигательных механизмов, в микроактивации можно использовать множество разнообразных принципов, которые не имело смысла использовать по функциональным или по ценовым характеристикам в макротехнологии.

Начнём с фундаментального отношения: изменение накопленной энергии системы W является причиной появления силы F:

[Формула 5 (Рис.36)]

Если запас энергии изменяется между двумя состояниями W 1 и W 2 , мы получаем:

[Формула 6 (Рис.36)]

Если в дальнейшем предположить, что одно из двух состояний энергии равно нулю, тогда получаемая сила становится прямо пропорциональной накопленной энергии: F ~ W.

По этой причине, накопленная энергия и/или плотность энергии имеет ключевое значение для оценки работоспособности любого актюатора. Так как любое преобразование энергии связано с потерями, то и работоспособность также пропорциональна коэффициенту полезного действия η, с которым одна форма энергии может быть преобразована в другую. Мощность и работоспособность системы характеризуется также временем, которое необходимо для получения и израсходывания запаса энергии. Этот временной интервал может быть оценен по временной константе, которая является характерной для конкретного принципа активации. Решение, какой принцип активации использовать, должно приниматься, учитывая достижимую плотность энергии, скорость изменения состояния (временная константа τ) и эффективность использования энергии η. В зависимости от этих величин мощность системы можно выразить следующим образом:

[Формула 7 (Рис.36)]

Следует заметить, что запас энергии увеличивается с увеличением объёма, таким образом, мы имеем третью степень величины, которая характеризует размер λ, (например, м 3) а когда мы имеем дело с силой, то у нас вторая степень (м 2). Однако, так как в некоторых важных случаях достижимая плотность энергии также зависит от размера, то эта зависимость - третья степень величины характеризующей размер - не всегда правильна. Для микросистем это приводит к такому важному факту: станут привлекательными для использования те принципы преобразования энергии, которые не соответствуют макродиапазону. Вообще связь между силой и величиной характеризующей размер может быть описана соотношением F~λ n . Типичные значения показателя степени n для разных принципов преобразования энергии сведены в таблице.

Перечисленные принципы отличаются по достижимой плотности энергии, временной константе, и по выходу энергии. Эти соотношения определяют достижимую силу и плотность энергии. Типичная плотность энергии для основных принципов преобразования, используемых сегодня, лежит внутри диапазона w=10 5 -10 6 Вт*с/м 3 . Однако, так как быстродействие, выраженное через временную константу, отличается сильно, то плотность энергии w/ изменяется в более широком диапазоне, от 10 -6 -10 0 Вт/см 3 . Гидравлические и пневматические актюаторы достигают самой высокой плотности энергии, можно даже сказать, что не существует в микродиапазоне актюаторов с более высокой плотностью энергии. Годную к использованию механическую энергию получаем из произведения плотности энергии и коэффициента полезного действия. Эффективность (КПД) зависит от принципа действия и размера, следовательно, в микродиапазоне некоторые принципы активации имеют одинаковую работоспособность.

Электростатические актюаторы

Для плоского конденсатора накопленная энергия U может быть рассчитана по формуле [Формула 8 (Рис.36)], где C -ёмкость и V -напряжение между обкладками конденсатора.

Когда пластины конденсатора перемещаются навстречу друг другу, работа, совершаемая силой взаимодействия между ними, может быть рассчитана, как изменение U в зависимости от изменения расстояния (x ). Сила рассчитывается по формуле [Формула 9 (Рис.36)]

Существует несколько вариантов реализации электростатических актюаторов на основе плоскопараллельных конденсаторов:

Однако для генерации больших сил, которые будут совершать полезную работу такого устройства, необходимо, чтобы при изменении расстояния сильно изменялись ёмкости. Это и есть руководство к действию для получения электростатических гребневых микродвигателей (рис.5).

Гребневые микродвигатели состоят из большого количества встречностержневых штырей (рис 5). При приложении напряжения, появляется сила взаимодействия между штырями, и они начинают двигаться. Увеличение ёмкости пропорционально количеству штырей, таким образом, для генерации больших сил, требуется большое количество штырей. Одной из потенциальных проблем такого устройства будет то, что если поперечное расстояние между штырями не одинаково с обеих сторон, (или если устройство поломано), то возможно движение штырей под прямым углом к правильному направлению и соединение их друг с другом. Гребневые двигатели особенно распространены среди устройств, полученных поверхностной микрообработкой.

Двигатели качения названы так по действию раскачивания, положенному в основу их принципа работы. На рис 6(a,b) показана конструкция двигателя качения, полученного при помощи технологии поверхностной микрообработки. Ротор - это круглый диск. Во время работы снизу расположенные электроды последовательно, друг за другом, включают и выключают. Диск последовательно притягивается к каждому электроду; край диска контактирует с диэлектриком, расположенным над электродами. В такой манере он медленно вращается по кругу; делая один оборот вокруг своей оси совокупностью нескольких изменений напряжения на статоре.

Другая конструкция двигателя качения представлена на рис 7. Ротор, находящийся внутри статора, формирует ось двигателя. Электрическое поле раскачивает ротор внутри статора, и трение вращает ротор.Проблемы могут возникнуть, если быстро износится изоляция на электродах статора, если произойдёт сцепление или слипание с ротором, если ротор и подшипник не круглые.

Проблема моторов полученных поверхностной микрообработкой - это их очень маленькие вертикальные размеры, поэтому так трудно достичь большого изменения ёмкости при движении ротора. Для преодоления этих проблем можно использовать LIGA технологию. Мотор, изготовленный по этой технологии, показан на рисунке 6(c,d) - здесь цилиндрический ротор вращается вокруг статора.

1) Преимущества:

выгодность пропорционального уменьшения размеров
лёгкость миниатюризации

2) Недостатки

для большинства электростатических актюаторов частицы пыли и поверхностные дефекты могут быть причиной поломки вследствие малых воздушных зазоров
высокое напряжение
для двигателей вращения малый вращающий момент и короткий срок жизнедеятельности из-за трения.

Магнитные актюаторы

Прежде всего следует сказать, что довольно часто микроустройства изготавливают при помощи гальванотехники, используя никель (это особенно характерно для LIGA технологии). А так как никель это ферромагнитный материал, то это стало первопричиной появления магнитных актюаторов.

Основным компонентом большинства актюаторов этого типа является тонкоплёночная структура пластины, которая поддерживает электролитический пермаллоевый участок, генерирующий механическую силу и вращающий момент при условии помещения его в магнитное поле. Как структурные пластины, так и поддерживающие балки сделаны из поликристаллических тонких плёнок. Механизм активации проиллюстрирован на рис 8. Когда внешнее магнитное поле равно нулю структурная пластина параллельна плоскости подложки. Когда внешнее магнитное поле H внеш, приложено нормально к плоскости структурной пластины, внутри пермаллоевого участка возникает вектор намагниченности М и он впоследствии взаимодействует с H внеш. Взаимодействие создаёт вращающий момент (М маг) и небольшую силу, воздействующую на свободный конец консольной балки при этом заставляя её изгибаться.

При приложении внешнего подмагничивания, пермаллоевый материал рассматривается как материал, имеющий постоянный плоскопараллельный вектор намагниченности с величиной равной намагниченности насыщения М нас. При помещении во внешнее магнитное поле генерируется две компоненты силы. Величина обоих, как F 1 (которая действует на верхнюю грань), так и F 2 (которая действует на нижнюю грань) рассчитывается следующим образом:

F 1 = М нас ×W×T×H 1

F 2 = М нас ×W×T×H 2 ,

где H 1 и H 2 напряжённость магнитного поля на верхней и нижней грани пластины (в текущей конфигурации H 1 < H 2). Величина H 1 и H 2 линейно зависит от соответствующего расстояния до поверхности электромагнитного источника. Пластина вместе с пермаллоевым участком рассматривается как твёрдое тело так как она существенно толще консольной балки. Основываясь на этом предположении систему сил, упрощают, перемещая F 1 до совмещения с F 2 . Результатом является вращающий момент, действующий против часовой стрелки и сосредоточенная сила, воздействующая на нижнюю грань структурной пластины. Этот результат можно представить как:

М маг = F 1 ×L×cosθ

Вращающий момент всегда стремится уменьшить полную энергию в системе актюатора, выравниванием вектора намагниченности с силовыми линиями внешнего магнитного поля.

Фотография магнитного микроактюатора, полученная на сканирующем электронном микроскопе, представлена на рис. 9 (a-вид сверху, b-в перспективе).

Примером магнитного микроактюатора другой конструкции может служить линейный мотор, показанный на рис 10. Магнит, расположенный в канале, движется взад-вперёд при переключении тока в обмотках, то с одной, то с другой стороны канала.

Общая проблема, связанная с магнитными актюаторами, заключается в том, что обмотки двумерны (трёхмерные обмотки очень тяжело изготовить на микроуровне). Вдобавок ограничен выбор магнитного материала - выбираются только те материалы, которые легко обработать на микроуровне, и получается, что не всегда материал магнита выбирается оптимально. Во многом из-за этого магнитные актюаторы потребляют большое количество энергии и рассеивают много тепла. Следует отметить, что для изготовления микроскопических компонентов (размером до нескольких миллиметров) электростатические устройства обычно выгоднее магнитных, однако при более больших размерах магнитные устройства превосходят электростатические.

Пьезоэлектрические актюаторы

В основе теории пьезоэлектрических актюаторовлежит прямой пьезоэлектрический эффект - появление электрических зарядов разного знака на противоположных гранях некоторых кристаллов при их механических деформациях: сжатии, растяжении и т.п и обратный пьезоэлектрический эффект - состоит в деформации этих же кристаллов под действием внешнего электрического поля. Основная формула для прямого эффекта:

[Формула 10 (Рис.36)],

для обратного:

[Формула 11 (Рис.36)],

где Di - вектор электрического смещения, Ej- напряжённость электрического поля, Ek- относительная деформация, σk- механическое напряжение. Основными параметрами являются: dik - пьезоэлектрические коэффициенты, Sik- коэффициенты упругой деформации, коэффициенты диэлектрической проницаемости Eik.

На рис. 11 показано два простых примера, демонстрирующих принцип действия пьезоэлектричекских актюаторов. На рис. 11-а слой пьезоэлектрика осаждён на балку. При приложении напряжения балка изгибается. Такой же принцип можно применить и с тонкой кремниевой мембраной (рис. 11-b). Если приложить напряжение, мембрана деформируется.

Наибольшую популярность имеют следующие конструкции пьезоэлектрических

Микроактюаторов(Рис. 35).

Гидравлические актюаторы

Гидравлические микроактюаторы имеют значительный потенциал, так как они могут передавать довольно много энергии от внешнего источника по очень узким трубкам. Это факт можно использовать в таких местах как наконечник катетера, смонтированного микрохирургического инструмента.

Для производства микротурбин может использоваться LIGA технология (рис12). Эта микротурбина обеспечивает энергией режущий микроинструмент.

К особенностям гидравлических микроактюаторов можно отнести то, что он имеет довольно большие размеры, высокий уровень выходных сил и может иметь крайне низкое трение.

Тепловые актюаторы

Тепловые актюаторы используют как линейное или объёмное расширение жидкости или газа, так и деформацию формы вследствие биметаллического эффекта, которые имеют место благодаря изменению температуры. Рассмотрим биметаллический актюатор. На рис. 13 вы видите балку из одного материала (кремний), и слой из другого материала (алюминий). Коэффициент теплового расширения у них разный. При нагревании, один материал расширяется быстрее, чем другой, и балка изгибается. Нагревание можно производить, пропуская через это устройство электрический ток.

Тепловые актюаторы могут создавать относительно большие силы, но нет конструкции которая бы позволяла это сделать с позиции эффективного использования энергии. Результат улучшается при увеличении разницы между коэффициентами теплового расширения и при большом изменении температуры, однако достигаемое КПД всё равно остаётся относительно маленьким. Газы и жидкости имеют намного больший коэффициент теплового расширения, чем твёрдые тела, и это можно использовать в термопневматических микроактюаторах. На рис. 14 показан резонатор, внутри которого находится жидкость, с тонкой мембраной в роли нижней стенки. Через нагревательный элемент (резистор) пропускается ток. Жидкость нагревается и начинает расширяться, деформируя мембрану.

Преимущества тепловых микроактюаторов:

Простая конструкция, рабочими элементами являются резистор нагрева и для использования биметаллического эффекта плёночная структура.
Подходящий размер, лежащий в микродиапазоне.
В качестве активных элементов применимы почти любые материалы, которые кроме различных коэффициентов расширения должны обладать достаточной прочностью. Обычно в качестве нагревателя используются резисторы извилистой формы, которые можно легко изготовить с использованием тонко- или толстоплёночной технологии.

Недостатки:

В настоящее время нагревательный элемент потребляет очень много энергии для того, чтобы тепловой актюатор смог развить относительно большую силу, т.е. у тепловых актюаторов невысокий КПД.
Нагревательный элемент необходимо охлаждать, чтобы вернуть актюатор в исходное положение, а значит тепло должно быть рассеяно в окружающую среду. Это естественно занимает некоторое количество времени и ограничивает быстродействие.

Изготовление МЭМС

Проектирование микросистем

Так как проектирование МЭМС почти на всех своих фазах автоматизировано, то сосредоточим своё внимание на методологиях, алгоритмах, методах описания и моделирования, используемых при автоматизированном проектировании. Всё вышеуказанное объединяется в ёмкое понятие CAE - Computer AidedEngineering. Специфические характеристики и различия между проектированием, производством и применением микросистем по сравнению с традиционными (макро) реализациями вытекают из их размеров.

Микросистемная технология непригодна для производства опытных образцов. Если схема производства для массового производства по групповой технологии нарушается, то это влечёт за собой дополнительные расходы. Поэтому производство опытного образца следует избегать настолько, насколько это возможно. Кроме высокой стоимости производства опытного образца для выполнения производственного цикла требуется очень большое количество времени. В зависимости от сложности, цикл занимает несколько дней, недель или даже полгода. За то же самое время огромное количество вариантов конструкции может быть проверено при помощи моделирования.

Проектирование включает в себя высокую ценовую ответственность за каждый следующий шаг в жизненном цикле изделия. В типичном цикле изделия:

а)Планирование проекта;
б)Проектирование;
в)Производство;
г)Сбыт;
д)Сервисное обслуживание;
е)Утилизация,

проектирование существенно влияет на стоимость следующих шагов, хотя прямые издержки на проектирование относительно малы. Обычно издержки на проектирование это 10 % от общей стоимости, хотя оно несёт ответственность за 70-80% общей стоимости.

В отличие от традиционных систем, возможность ремонта микросистем и особенно интегральных схем очень ограничена. Таким образом, главная цель при разработке состоит в том, чтобы получить полностью функционирующую систему в первой же реализации. Хотя типичная интенсивность отказов относительно высока (около 10%), контролируемость системы также является важной задачей при проектировании.

На сегодняшний день микросистемы состоят из отдельных компонентов, таких как сенсоры и актюаторы, которые интегрированы и упакованы вместе с управляющей и вычислительной электроникой. МЭМС отличаются разнообразием применений. Для проектирования, таким образом, возникает вопрос, в какой степени отдельные этапы проектирования могут быть стандартизированы и автоматизированы. Взаимосвязь между задачами проектирования и моделирования представлена на рис. 15.

Не все шаги могут быть автоматизированы одинаково. В особенности концептуальное проектирование и разработка принципов действия, которые основаны на творческой способности разработчика и, следовательно, не могут быть стандартизированы. А творческую способность можно только в небольшой степени поддержать средой проектирования.

Материалы для МЭМС

При создании микросистем, фактически, выделяют две группы материалов:

1. Конструкционные (стекло, монокристаллический, поликристаллический, пористый кремний, диоксид и нитрид кремния, полиимид, вольфрам, никель, медь, золото, алмазо-подобный углерод), использующиеся для формирования:

несущих конструкций;
токоразводки;
смазки.

2. "Активные умные" (никель/титан, пермаллой, кварц, окись цинка, пьезокерамика, материалы группы A 3 B 5 , А 4 В 6), выполняющие за счет электростатических, электромеханических, пьезоэлектрических, магнитных, оптических явлений и эффекта памяти формы функции:

источников движения;
механизмов передачи движения;
сенсорных и активирующих сред.

При создании микросистем различного функционального назначения на основе композиций разнородных материалов должны учитываться следующие параметры:

кристаллохимическая совместимость;
термомеханическая совместимость;
тепловая стойкость (допустимая тепловая нагрузка, учитывающая температуру Дебая, точку Кюри, а для полупроводников и температуру перехода в состояние, когда концентрация собственных носителей заряда близка к примесной; способность вещества отдавать энергию в окружающую среду за счет теплопроводности, а при высоких температурах и за счет теплоизлучения);
электрическая стойкость;
механическая стойкость;
механическая усталость.

Мировой опыт изготовления MEMSоснован на широком использовании кремния - дешевого и доступного материала. Однако технологий кремниевой микромеханики и обработки информации на кремнии (КМОП-схемы), недостаточно для успешного развития МЭМС. Поэтому большое значение имеют системы, в которых наряду с кремнием и другими полупроводниковыми материалами используются полимеры, керамика, металлы.

В классической микроэлектромеханике, ориентированной на базовые кремниевых микротехнологий в настоящее время господствует структура "кремний на диоксиде кремния". Учитывая тот факт, что микросистемы представляют собой сложные гетерогенные композиции, требующие сочетания совокупности разнородных материалов, и с учетом возможных особенностей их функционирования (высокие температуры, агрессивные среды, радиация), несомненный интерес в качестве базовой материаловедческой среды представляет композиция "карбид кремния на нитриде алюминия". Данная композиция сочетает в себе два широкозонных материала, один из которых - нитрид алюминия - является ярко выраженным диэлектриком (6,2 эВ) и обладает хорошими пьезоэлектрическими свойствами, а другой - карбид кремния (3,0 эВ) - широкозонный полупроводник. Оба материала оптически активны, в том числе в ультрафиолетовой области спектра, имеют высокую теплопроводность и температуру Дебая, характеризующую стойкость материала к внешним воздействиям (термическим, химическим, радиационным).

Технологии производства МЭМС

Для изготовления микросистем главным образом используется групповая технология. При использовании подобной технологии одновременно обрабатывается большое количество элементов, при чём ручное вмешательство либо вообще не требуется, либо оно незначительно. Например, осаждение плёнок, оптическая литография, гальваника или травление. Многие из этих технологий были развиты в полупроводниковой технологии.

Так как микросистемы имеют крошечные размеры, издержки на материалы малы, а это означает, что производственные затраты низкие, несмотря на то, что накладываются особые требования на необходимую чистоту материалов. Стоимость заводов по производству высока. Производственное оборудование требует очень высокой точности (чистое помещение, покрытие…). Кроме того, высоких издержек требуют обслуживание и контроль (например, управление производственным процессом, контроль над нанесением покрытия).

В настоящее время существует несколько базовых технологий производства МЭМС, составной частью которых, в том числе, являются микроактюаторы.

Кремниевая объёмная микрообработка.

Под кремниевой объёмной микрообработкой понимают технологию глубинного объёмного травления, при чём травление может быть как жидкое химическое анизотропное, так и плазменное.

Сухое травление.

Сухое травление - это метод силиктивного удаления не маскированных участков поверхности. Особенности процесса заключаются в том, что этот процесс можно комбинировать с технологией тонких плёнок и с технологией КМОП. Также посредством физико-химического травления контролируется профиль травления.

Параметры процесса	Преимущества	Недостатки
1.Параметры плазмы: состав газа напряжение смещения температура подложки плотность плазмы давление процесса	1.Осмысленно получаемое горизонтальное изображение.	1.Обработка пластин по отдельности.
- термически SiO, -нанесение фоторезиста - металлизация (Cr, Al).	2.Изменяемый профиль	2.Увеличение времени травления.
3. Химическое воздействие: с обратной стороны (мембраны, отверстия) -геометрическая форма определяется шаблоном маски, с передней стороны (консоли, каналы, затворы)	3.Возможно получение рельефных изображений	3.Нет собственного ограничителя травления и определения изображения
4.Газы травителя: SF 6 - CBrF 3 при t< 270K SF 6 - O 2 при t< 100 K CHF 3 - O 2 при t< 100 K CHCl 3 при t< 270 K.

Жидкое химическое анизотропное травление

В этом процессе используется то, что разные кристаллографические направления кристалла травятся с разной скоростью (остаётся поверхность с ориентацией 111).

Параметры процесса	Преимущества	Недостатки
1. Ориентация подложки: 111(канавка V-образного сечения) 110(канавка U-образного сечения, не стандартизована)	1. Простой процесс группового изготовления.	1. Маскирование для глубинного травления.
2. Маскирование тонкими плёнками: - термически SiO 2 , - химическим осаждением из паровой фазы при пониженном давлении SiO 2 или Si 3 N 4 - металлизация (Cr) для термомеханической обработки.		2. Ограниченный набор получаемых изображений.
3. Химическое воздействие: с обратной стороны (мембраны, каналы) - геометрическая форма определяется кристаллографическими плоскостями, с передней стороны (консоли, каналы) - геометрическая форма определяется подтравливанием.		3. Проблемы с внешними углами.
4. Процесс группового изготовления ограничен поверхностной реакцией.

Подробно этапы жидкого химического анизотропного травления представлены на рис. 16.

(100 - подложка)
p + легирование для получения слоя остановки травителя
осаждение эпитаксиального слоя
окисление
литография и травление SiO 2
анизотропное травление

Кремниевая поверхностная микрообработка

Главной особенностью этой технологии является то, что она совместима с полупроводниковой технологией, для микрообработки используется КМОП технология.

Параметры процесса	Преимущества	Недостатки
1. Плазмохимическое осаждение из паровой фазы или химическое осаждение из паровой фазы при пониженном давлении поликристаллического кремния, фосфорокварцевого стекла.	1. Осмысленно получаемаягоризонтальная геометрическая форма	1. Уменьшенное отношение ширины канала к длине
2. Маскирование полимерами и тонкими плёнками: - нанесение фоторезиста - термически SiO 2 - химическим осаждением из паровой фазы при пониженном давлении SiO 2 или Si 3 N 4 фосфорокварцевого стекла.	2. Изменяемый профиль	Сокращение количества материалов
3. Сухое и жидкое термическое окисление.	3. Есть возможность получать свободные структуры
4. Геометрическая форма определяется маскированием и при травлении.	4. Совместимость с КМОП.
5. Травление (сухое и жидкое)

Подробно этапы кремниевой поверхностной микрообработки представлены на рис. 17.

Осаждение изолирующего слоя и основы из поликристаллического кремния.
Осаждение 1-го жертвенного слоя и формирование исходного рисунка.
Осаждение поликристаллического кремния и формирование изображения рисунка статора и ротора
Нанесение рисунка на 1-ый жертвенный слой и на 2-ой жертвенный слой
Травление жертвенных слоёв и освобождение ротора

LIGA технология

Технология разработана в Германии примерно 30 лет назад. Аббревиатура означает - рентгенолитография, гальваника и формовка. Сущность процесса заключается в использовании рентгеновского излучения от синхротрона для получения глубоких, с отвесными стенками топологических картин в полимерном материале. Излучение синхротрона имеет сверхмалый угол расходимости пучка. Источником излучения являются высокоэнергетические электроны (энергия Е>1ГэВ) движущиеся с релятивистскими скоростями. Глубина проникновения излучения достигает единиц миллиметров. Это обуславливает высокую эффективность экспонирования при малых временных затратах. Подробно этапы LIGA технологии представлены на рис. 18.

SIGA технология

Аббревиатура означает - ультрафиолетовая литография, гальваника и формовка. Из особенностей этого процесса можно отметить, что можно управлять шириной профиля и то, что технология совместима с технологией тонких плёнок. Подробно этапы SIGA технологии представлены на рис. 19.

Технология корпускулярно-лучевого формообразования

В настоящее время существуют два направления корпускулярно-лучевого формообразования: локально-стимулированный рост (осаждение или полимеризация) и локально-стимулированное прецизионное травление, в основе которых лежит воздействие на среду или материал концентрированного потока энергии (световые, электронные, ионные пучки) управляемого во времени и пространстве. Традиционной технологией формирования объемного рисунка в стекле, полимерах, керамике является обработка объекта остросфокусированным лазерным пучком (лазерное микрофрезирование).

Данный вид воздействия в зависимости от локально выделяемой мощности (10 5 -10 9 Вт/см 2), длительности и скважности воздействия, поглощающей способности обрабатываемого материала и его температуропроводности позволяет осуществлять как процессы модифицирования материалов, так и удаления за счет испарения. Изменение глубины фокуса наряду с вариацией ранее указанных параметров позволяет переходить от поверхностной к объемной микрообработке объектов.

В последнее время за рубежом применительно к решению задач формирования трехмерных микрообъектов интенсифицировались работы в области локального стимулированного роста 3D-структур сложной конфигурации (пружины, клапаны). Существует два основных направления получения объемных микрообъектов за счет лазерной стимуляции:

лазерное осаждение из газовой фазы (LCVD) ;
фотостимулированная полимеризация .

Последний вариант получения объемных микрообъектов из полимеров назван микростереолитографией . Осаждение и полимеризация осуществляются слой за слоем и позволяют реализовать разнообразные трехмерные объекты размером до нескольких миллиметров с микронным разрешением.

Достоинствами лазерного формообразования являются:

возможность реализации операций в открытых не вакуумных системах, что упрощает позиционирование и перемещение объекта;
возможность работы не только с плоскими (планарными) объектами, но и с заготовками сложной формы, возможность создания сложного рельефа.
возможность обеспечения высокой степени автоматизации обработки, гибкость процесса и перестраиваемость в реальном масштабе времени;
возможность осуществлять модифицирование свойств материала, определяющее изменение физико-химических характеристик (например, структуры или фазовый состав, механическую прочность или растворимость).

В качестве недостатков метода лазерного формообразования можно отметить:

Наряду с лазерным формообразованием возможно применение электронной, ионной и плазменной микрообработки. Однако особенности получения фокусировки и позиционирования данных видов воздействий, позволяющих обеспечить субмикронное разрешение, требуют использования вакуумных технологических систем, а также создают существенные ограничения по глубинам обработки в условиях проведения пространственно прецизионных операций.

MUMPs

MUMPs - аббревиатура означает многопользовательская МЭМС технология - это очень известная коммерческая программа, которая предоставляет разработчику рентабельный доступ к поверхностной механической обработке. Эта программа, предлагаемая исключительно Cronos, предназначена для предоставления универсальной микрообработки разным пользователям, которые желают проектировать и изготовлять MEMS устройства. Она начала использоваться в декабре 1992 года. Этот процесс, можно сказать, трамплин, для того чтобы проектировать и проверять опытные образцы МЭМС устройств и ускорять процессы развития изделия. MUMPs - это процесс 3-х слойной поликристаллической поверхностной микрообработки, который успешно сочетает в себе основные стадии более простых процессов.

Волоконная технология

Изделия из стекла с малым поперечным сечением в виде определенной микроструктуры и технология их изготовления известны достаточно давно (микроканальные пластины, рентгеношаблоны из стекловолокна, устройства волоконной оптики). Суть стекловолоконной технологии заключается в спекании пучка стеклянных волокон (полых или сплошных), различающихся избирательностью к травлению по отношению к растворителю, вытягивании этого пучка до требуемого поперечного размера, разрезании вытянутой части пучка на куски и вытравливании затем из куска растворимых волокон. Укладка волокон в пучок осуществляется таким образом, что нерастворимые волокна образуют в сечении пучка структуру (топологию) изготавливаемой микроструктуры в некотором масштабе.

Так как для изделий микромеханики характерно наличие отверстий и поверхностей различных конфигураций, требуется подбор материалов и геометрии волокон. Данные процессы сборки пучка и его вытягивания не являются тривиальными, но позволяют изготавливать детали с минимальными поперечными размерами отверстий до 0,2 мкм при высоте (глубине, длине) от 100 мкм 1 см.

Особо следует отметить возможность изготовления деталей с винтообразными поверхностями путем скручивания вытянутого пучка вокруг его оси. Такие поверхности, как известно, характерны для винтов, червячных и косозубых колес и принципиально не могут быть реализованы с помощью LlGA-технологии.

Волоконная технология может быть отнесена к групповой технологии, так как однотипные изделия тиражируются в данном случае в составе одного волоконного пучка.

Применение МЭМС

Биомедицинские микроактюаторы.

Микроактюаторы полезно использовать в биомедицине, когда биологическими объектами необходимо управлять на микроскопическом уровне. Кроме того, способность интегрировать много микроактюаторов также просто, как и один, даёт возможность производить сложные микросистемы, способные контролировать много параметров.

Микроманипуляторы.

Для управления клетками, тканями и другими биологическими объектами, микроманипуляторы должны управляться микроактивационными механизмами, способными работать в проводящем растворе. Наилучшие кандидаты - это магнитная, пневматическая, тепловая и сплавов памяти формы активация. Магнитный микроактюатор, показанный на рис. 20, использовался для управления одноклеточным простейшим в солевом растворе. Микроактюатор сплава памяти формы, показанный на рис. 21, способен к сшиванию тканей при эндоскопических хирургических процедурах. Устройства второго поколения, выполненные из полимеров, в настоящее время испытываются на людях.

Субмикроманипуляторы

Сотрудники университета в Нагойе изготовили пинцет и иглу, смонтированные на осях, связанных с несущим основанием методом двухфотонной микростереолитографии (Ti /сапфир лазер, λ=763нм с длительностью импульса 130фс и частотой следования 8МГц). Сначала неподвижную ось и ограничители полимеризовали круговым сканированием лазерного пучка со снижением фокальной плоскости. Затем формировали кольцевую часть ножки пинцета, саму ножку - наращиванием дуг с увеличением радиуса и, наконец, субмикронный наконечник - ряд точек (рис. 22). Примечательно, что в процессе полимеризации детали плавают в смоле, вязкость которой удерживает их на месте. Длина наконечников пинцета 1.8мкм, диаметр 250нм, время их наращивания - 6 мин.

Пинцет приводили в движение с помощью упомянутого лазера, работающего в режиме непрерывной генерации. Авторы подчеркивают, что в отличие от электростатического пинцета, быстро смыкающегося при достижении порогового напряжения, здесь движение ножки пинцета точно контролируется заданным положением фокуса на всей траектории. Точность установки положения пинцета ~15нм, а удерживающее усилие пинцета регулируется при перемещении фокуса вдоль ножки в пределах одного порядка фемтоньютонов.

Авторы проводят пробы изготовления микромеханизмов с большей свободой перемещений одним сфокусированым лучом. Рис. 23 а,b показывают СЭМ изображение микроиглы с двумя степенями свободы и схему “лазерного привода” (фокус 250нм). Тестировали два вида движения иглы - линейное перемещение на 6.8мкм и вращение со скоростью 34об/мин. Демонстрируется также перемещение микрочастицы в жидкости и насаживание ее на острие иглы (рис. 24). Авторы готовят совмещение описанных манипуляторов с трехмерными полимерными микрожидкостными системами для применения их в бионанотехнологии, например, в аппаратурe для нанохирургии живых клеток и в системах наноанализа на одиночных молекулах.

Хирургические микроинструменты.

Способности хируругического взаимодействия большинства микроактюаторов с биологическими тканями препятствует их неспособность выдерживать силы порядка 1 мН. Наиболее успешное использование микроактивации в хирургических инструментах - это применение высокомощных шаговых двигателей и резонансных микроструктур. МЭМС технология может использоваться для увеличения разнообразия возможностей хирургических инструментов (например, микронагреватели, микросенсоры, доставка и извлечение жидкости). Скальпель, управляемый пьезоэлектрическим микроактюатором - это инновационный пример использования МЭМС технологии в хирургических инструментах (рис. 25). Пьезоэлектрический шаговый двигатель позволяет точно управлять положением скальпеля. Используя способность измерять напряжение, испытываемое скальпелем во время резания, можно количественно определять и управлять фактической силой резанья. Ультразвуковой режущий инструмент, изготовленный с помощью объёмной микрообработки - это другой хороший пример использования МЭМС технологии для применения в хирургических инструментах. Пьезоэлектрический материал присоединяется к режущему инструменту для резонирования кончика устройства в ультразвуковой частоте. Только когда устройство приведено в действие оно будет быстро и легко резать даже жёсткие ткани (например застывший глазной хрусталик пациента с катарактой). Устройство, показанное на рис. 26, включает в себя встроенный микроканал через который можно при резании удалять жидкость и хирургические остатки.

Микроиглы

Уменьшение боли, вызванное уколом иглы, важно для борьбы с боязнью этой процедуры пациентом и для его здоровья. Это особенно важно для пациентов страдающих диабетом, которые вводят в себя инсулин по крайней мере один раз в день. Нет никакой неожиданности в том, что самые маленькие иглы теперь предназначены для использования диабетиками (рис. 27 - слева). Микрообработка и МЭМС технология использовалась для производства кремниевых микроигл, которые намного более остры, чем существующие иглы (рис. 27 - справа).

Микрофильтры

Процесс используемый для производства обыкновенных фильтров, способных отбирать объекты микроуровня, неприменим из-за широкого статического разброса размеров объектов, которые могут проходить через фильтр. Микрообработка и МЭМС технология используется для создания фильтров, которые точно и однородно обработаны, и в которых значительно снижен статистический разброс проходящих объектов (рис. 28).

Микроклапаны

Было изготовлено несколько различных типов микроклапанов, в том числе и обычные клапаны открытия и закрытия для управления газами или жидкостями. Лидер по коммерциализации микроклапанов это Redwood Microsystem. Они разработали много разных клапанов, но каждый имеет много общих характеристик. Прежде всего одинаков механизм активации, используемый в каждом клапане - небольшое количество инертной жидкости нагревается встроенным резистором до тех пор, пока не будет вызвано фазовое изменение, которое вызовет довольно большую силу (рис. 29). Хотя процесс микропроизводства, который точно улавливает жидкость внутри микрораковины, далеко не тривиален, такие микроклапаны можно коммерциализировать. Эксплуатационные показатели микроклапанов выгодно отличаются от макроскопических соленоидальных клапанов. В частности микроклапаны обычно работают быстрее и имеют более длинный эксплуатационный срок службы, чем клапаны макроуровня. Свои микроклапаны также разработали компании TiNi, HP и NovaSensor. Так как микроклапаны обычно управляются тепловыми актюаторами, их расход энергии всё ещё довольно высок (0,1-2,0 Вт). Необходимо проявлять осторожность для предотвращения превышения температуры клапана, допускаемой средствами управления газами и жидкостями.

Микронасосы

Для управления микронасосами используются следующие виды микроактивации: электрические, магнитные и пьезоэлектрические. Первый пример это миниатюаризированный насосный механизм, который состоит из микромеханизмов, изготовленных по LIGA технологии, которые приводятся в действие магнитной силой. Он коммерциализирован MEMStek Products. Второй пример - это электростатически управляемый электронасос, полученный соединением множества, изготовленных по технологии объёмной микрообработки, кремниевых подложек вместе. Процесс соединения создаёт насосную полость с деформируемой мембраной и двумя односторонними запорными клапанами (рис. 30).

Группа из Калифорнийского университета представила недавно магнитный микромотор, производящий вращение свободного ротора в растворе с помощью статора, находящегося вне жидкости и состоящего из трех магнитомягких микрозондов с обмотками (рис.31). Получена скорость вращения ротора до 250об/мин, ограниченная темпом переключения каналов компьютером. Скорость может быть значительно выше как следствие малой массы и момента инерции вращения ротора, а также малой индуктивности зондового узла.

Всеобщая чувствительная сеть - “Умная пыль”

Агентство перспективных разработок МО США запустило новую Программу “Умная пыль”, нацеленную на создание крохотных устройств, способных генерировать энергию, чувствовать (самые различные сенсоры) и общаться между собой и с внешним миром. В сочетании они должны будут образовать всеобщую чувствительную сеть. На рис. 32 показаны микросхемы, подобные которым будут использоваться при создании умной пыли.

Множество "умных" пылинок может незаметно осесть на объект, взаимодействовать друг с другом и передавать информацию о состоянии объекта на центральный пульт управления.

Наноробот с десятицентовую монету

И другой перспективный американский проект, использующий микросистемные технологии: исследовательская группа, занимающаяся созданием электронных устройств и нанороботов, заявляет о создании нанороботов размером с монету (рис. 33, 34) (терминология авторов, корректнее было бы называть это устройство микророботом, или даже минироботом), которые способны производить десять тысяч движений в минуту. Проект называется NanoWalker и разрабатывается на базе лаборатории биотехнологий при Институте Технологий Массачусетса. Первая и главная особенность этих нанороботов состоит в том, что они уже сейчас способны передвигаться автономно — то есть "бежать и чинить" без проводов. Вторая особенность — это скорость перемещения роботов. Большинство существующих нанороботов далеки от совершенства: они не только вынуждены работать там, где их поместили, но, если и передвигаются, то делают это крайне медленно — одно движение в секунду (о размерах, правда, речь не идет - а между тем существуют роботы нанометровых размеров). Новое поколение умеет двигаться в трёх плоскостях, и достаточно быстро. Третья особенность роботов — сложность манипуляций: примитивные роботы могут выполнять движения грузчика — в одном месте взял — в другое положил. Роботы из Массачусетса умеют выполнять сложные задачи, требующие не только механических усилий.

В заключение еще раз можно отметить, что микроэлектромеханические системы обеспечат выход технологии на новый уровень, и, по-видимому, уже в ближайшее время прочно займут свое место в нашей жизни.

Список Литературы :

Microsystem Engineering (Prof. Dr.-Ing. Kasper), http://www.tu-harburg.de/mst/deutsch/lehre/mikrosystemtechnik/mst_eng.shtml
Introduction to microelectromechanical systems, http://www-ee.uta.edu/Online/cbutler/MEMSWebpage/
perst.isssph.kiae.ru
Лацапнёв Е., Яшин К.Д., www.micromachine.narod.ru
Журнал "Микросистемная техника", www.microsystems.ru
Научно-исследовательская лаборатория микротехнологий и МЭМС СПбГУ, www.mems.ru
www.memsnet.org
www.trimmer.net
www.microbot.ru
www.nanonewsnet.com
www.nanobot.ru
Lyshevski S.E., “NANO- AND MICROELECTROMECHANICAL SYSTEMS - Fundamentals of Nano- and Microengineering”, CRC Press

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

Описание

Микроэлектромеханические системы (МЭМС) обычно представляют собой интегрированные устройства, выполненные на полупроводниковой (чаще всего кремниевой) и содержащие механические элементы, сенсоры, и электронные компоненты. Типичные размеры микромеханических элементов (компонент системы) лежат в диапазоне от 1 до 100 микрон, тогда как размеры кристалла МЭМС-микросхемы достигают величин от 20 микрометров до одного миллиметра. Микроэлектромеханические системы изготавливаются по таким технологиям обработки , как КМОП *), БИКМОП †) и др., включающим стандартные технологические операции осаждения тонкопленочных слоев, формирование рисунка, травление и т. д. Для формирования механических и электромеханических элементов при изготовлении МЭМС используются совместимые процессы микрообработки, позволяющие селективно вытравливать элементы кремниевой подложки или добавлять новые структурные слои.

Совмещая в себе элементы полупроводниковой микроэлектроники и механические элементы, созданные микрообработкой, МЭМС делают возможным создание полной . В таких решениях к вычислительным мощностям микропроцессоров добавляются возможности восприятия окружающей среды с помощью интегрированных микросенсоров и воздействия на нее с помощью микроактуаторов. В такой системе микроэлектронная интегральная схема выполняет роль ее «мозга», а МЭМС предоставляет ей «глаза» и «руки», позволяя системе распознавать и контролировать параметры окружающей среды. Микросенсоры системы способны собирать информацию об окружающей среде, измеряя механические, термические, биологические, химические, оптические и магнитные параметры; микропроцессоры обрабатывают полученную информацию и, реализуя алгоритм принятия решений, производят с помощью микроактуаторов ответные действия, управляя движением, позиционированием, стабилизацией, фильтрацией и пр. Поскольку производство МЭМС-устройств использует большое количество технологических приемов, заимствованных из микроэлектроники, это позволяет, при относительно низких затратах, реализовывать на маленьком полупроводниковом чипе системы, беспрецедентные по уровню сложности, функциональности и надежности.

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

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

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

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

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

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

Иллюстрации

Устройства на основе МЭМС сверху-вниз и слева-направо: а - подвижное соединение микрошестеренок; б - микродинамометр, позволяющий измерять тангенциальные и нормальные силы, а также оценивать микротрение. Подвижный стержень и дуговая шкала отмечены стрелкой; в - микроактюатор; г - приводной микромеханизм; д - оптический переключатель: зубчатый кремниевый диск может быть механически выставлен в 4 положения, условно соответствующих сигналам (0, 0), (1, 0), (0, 1) и (1, 1) (два положения отмечены стрелками); информация считывается неподвижным сфокусированным лазерным лучом; е - передаточное микроустройство, преобразующее вращательное движение в поступательное; ж - подвижное кремниевое микрозеркало (показано стрелкой), которое может изменять угол наклона за счет поступательного движения поршня, приводимого в движение передаточным устройством; з - оптический затвор; и - трехцилиндровый паровой двигатель: вода внутри каждого цилиндра нагревается электрическим током, и образовавшийся пар выталкивает поршень, при охлаждении жидкости поршень втягивается обратно в цилиндр под действием капиллярных сил. Адаптировано на основе микрофотографий с сайта Sandia National Laboratories, www.mems.sandia.gov .

Датчики давления бывают трех типов, позволяющих измерять абсолютное, дифференциальное и манометрическое давление .

Абсолютное давление, например, барометрическое, измеряется датчиком абсолютного давления. Давление измеряется относительно вакуума.

Дифференциальное давление, например, перепад давления в дифференциальных расходомерах, измеряется дифференциальным датчиком давления (рис. 1).

Рис. 1.

Манометрическое давление измеряется относительно некоторого эталонного значения. Примером может служить, измерение кровяного давления, которое проводится относительно атмосферного давления. Манометрическое давление по своей сути является разновидностью дифференциального давления. Измеряют давление, избыточное по отношению к атмосферному, манометром .

В датчиках давления используются также вторичные преобразователи емкостного типа. В таких устройствах вся поверхность мембраны действует как обкладка конденсатора. В качестве одной обкладки конденсатора используется неподвижное металлическое основание, другая обкладка -- гибкая мембрана круглой формы, закрепленная по окружности. Мембрана прогибается под действием давления. При деформации мембраны среднее расстояние между обкладками конденсатора уменьшается, что приводит к увеличению емкости .

Применение МЭМС технологии позволяет получать микромеханические и оптические узлы меньших размеров, чем это возможно по традиционным технологиям. Преимуществом МЭМС является электронная часть, и электрические соединения с датчиками и механизмами, выполненные по интегральной технологии и имеющие малые размеры. Высокая повторяемость чувствительных элементов, и их интегральное изготовление вместе с обрабатывающей схемой позволяет значительно повысить точность измерений. Благодаря интегральной технологии надежность МЭМС выше, чем надежность аналогичной системы, которая собрана из дискретных компонентов. Также большей надежностью и долговечностью обладают оптические системы, поскольку они располагаются в герметичном корпусе и защищены от воздействий внешней среды. Применение МЭМС уменьшает стоимость как механической, так и электронной частей устройства, поскольку обрабатывающая электроника и МЭМС интегрированы в единой подложке, что позволяет избежать дополнительных соединений и, в некоторых случаях, применения согласующих схем.

За последние несколько лет широкое распространение по всему миру получили датчики, основанные на микроэлектромеханических системах, так называемых МЭМС. Популярность данных устройств обусловлена рядом причин, основными из которых являются простота их использования, относительно низкая цена и малые габариты. МЭМС-датчики, как правило, оснащаются интегрированной электроникой обработки сигнала и не имеют движущихся частей. Этим обуславливается их высокая надежность и способность обеспечивать стабильные показания в достаточно жестких условиях окружающей среды (перепады температур, удары, влажность, вибрация, электромагнитные и высокочастотные помехи). Совокупность данных преимуществ побуждает производителей систем для различных сфер применения (от авиа - и автомобилестроения до бытовой техники) использовать в своих разработках те или иные МЭМС-сенсоры.

В данной статье будут рассмотрены МЭМС-датчики для измерения ускорения (акселерометры) и угловой скорости (гироскопы). Данные устройства активно используются в системах управления летательными аппаратами, для обеспечения безопасности движения автомобилей, в сельскохозяйственной технике, изделиях специального назначения и др. В настоящее время существует достаточно много различных решений по исполнению МЭМС-устройств. В их числе - одноосевой МЭМС-гироскоп с вибрирующим кольцом и трехосевой емкостной МЭМС-акселерометр.

Одноосевой МЭМС-датчик угловой скорости (гироскоп) с вибрирующим кремниевым кольцом

Данный кремниевый цифровой гироскоп разработан с учетом требований к низкой стоимости изделия и экономичному энергопотреблению для систем навигации и наведения нового поколения. Он способен измерять угловую скорость до ± 1,0 є/с и имеет два режима вывода: аналоговый сигнал напряжения, линейно-пропорциональный угловой скорости, и цифровой по протоколу SPI®.

Режима вывода - аналоговый или цифровой - выбирается пользователем при подключении датчика к какой-либо системной плате. Главной отличительной особенностью гироскопа является применение технологии сбалансированного вибрирующего кольца в качестве датчика угловой скорости. Именно она обеспечивает надежную работу и точное измерение скорости вращения даже в условиях сильной вибрации.

Возможны две основные конфигурации гироскопа, одна из них позволяет датчику измерять угловую скорость по оси, перпендикулярной к плоскости системной платы, другая дает возможность определять угловую скорость по оси, параллельной плоскости материнской платы. Сочетание в одном устройстве гироскопов обеих конфигураций позволяет получить инерциальную систему, измеряющую угловую скорость по нескольким осям (любые сочетания тангажа, крена и рысканья летательного аппарата). Размеры датчиков обеих конфигураций и оси измерения угловой скорости приведены на рис.1.

Как правило, подобные гироскопы выпускаются в герметичных керамических LCC корпусах которые можно устанавливать на системные платы. Датчик состоит из пяти основных компонентов:
- кремниевый кольцевой МЭМС-сенсор (MEMS-ring),
- основание из кремния (Pedestal),
- интегральная микросхема гироскопа (ASIC),
- корпус (Package Base),
- крышка (Lid).

Кремниевый кольцевой МЭМС-сенсор, микросхема и кремниевое основание размещены в герметичной части корпуса с вакуумом, частично заполненным азотом. Это дает серьезные преимущества перед сенсорами, которые поставляются в пластиковых корпусах, которые имеют определенные ограничения чувствительности в зависимости от уровня влажности.

Кремниевый кольцевой МЭМС-сенсор

Диаметр кремниевого МЭМС-кольца равен 3 мм., толщина - 65 мкм. Его изготавливают методом глубокого реактивного ионного травления объемных кремниевых структур на 5” пластинах. Кольцо поддерживается в свободном пространстве восемью парами симметричных спиц, которые исходят из твердого концентратора диаметром 1 мм. в центре кольца.

Процесс объемного травления кремния и уникальная технология изготовления кольца позволяют получить хорошие геометрические свойства, необходимые для точного баланса и термической стабильности сенсорного кольца. В отличие от других гироскопов здесь нет мелких расхождений, создающих проблемы с интерференцией и трением. Указанные особенности существенно определяют стабильность датчика при колебаниях температуры, вибрации или ударе. Еще одним преимуществом подобной конструкции является ее «врожденный» иммунитет к ошибкам, которые датчики могут выдавать под влиянием ускорения, или «g - чувствительности».

Пленочные приводы и преобразователи прикреплены к верхней поверхности кремниевого кольца по периметру и для получения электроэнергии подключены к связующим контактам в центре концентратора через треки на спицах. Это активирует или «заводит» периметр кольца в рабочий режим вибрации на уровне Cos2и с частотой 22 кГц, определяя радиальное перемещение, которое может осуществляться по причине первичного движения привода либо за счет действия кориолиосовой силы, когда гироскоп вращается относительно его оси чувствительности. Существует одна пара приводов первичного движения, одна пара первичных снимающих преобразователей и две пары вторичных снимающих преобразователей.

Комбинация сенсорной технологии и восьми вторичных снимающих преобразователей улучшает в датчике соотношение «сигнал/шум», что позволяет получать малошумящие устройства с отличными свойствами по угловому случайному дрейфу гироскопа, которые являются ключевыми для применения в сферах инерциальной навигации (например, стабильность наведения камеры или антенны). Описанную схему можно сравнить с камертонной структурой, содержащей бесконечное количество камертонов, интегрированных в единую балансирующую вибрирующую кольцевую конструкцию. Это обеспечивает наиболее высокую стабильность измерения угловой скорости по времени, температуре, вибрациям и ударам для МЕМС-гироскопов данного класса.

Концентратор в центре кольца сенсора установлен на цилиндрическом кремниевом основании диаметром 1 мм., которое связано с кольцом и ASIC с помощью эпоксидной смолы. Микросхема гироскопа имеет габариты 3х3 мм и изготовлена по технологии 0,35 мкм КМОП. ASIC и МЭМС-сенсор (кольцо) разделены физически, но соединены электрической цепью через золотые проводки. В связи с этим в подобной схеме отсутствуют внутренние каналы, что позволяет уменьшить шумовую нагрузку и получить отличные электромагнитные свойства.

Керамический корпус датчика изготовлен по технологии LCC и представляет из себя многослойную оксидно-алюминиевую конструкцию с внутренними контактными площадками для разварки, соединенными через корпус с наружными контактными площадками посредством многослойных вольфрамовых межсоединений. Аналогичные интегральные межсоединения есть в крышке гироскопа, что обеспечивает размещение чувствительного элемента датчика внутри щита Фарадея и хорошие электромагнитные показатели гироскопа. При этом внутренние и наружные контактные площадки покрыты гальваническим путем слоем никеля и золота.

Корпус включает в себя уплотнительное кольцо, на верхней части которого шовной сваркой приварена металлическая крышка. Сварка произведена электродом сопротивления, что создает полную герметичность конструкции. В отличие от большинства МЭМС-корпусов, доступных сегодня на рынке, при изготовлении корпуса данного устройства используется специально разработанная шовная сварка, при которой исключена возможность образования комочков (брызг) сварки внутри гироскопа. При использовании других технологий сварки сварочные брызги могут попадать на нижние конструкции и негативно влиять на надежность гироскопа за счет воздействия на вибрирующий МЭМС-элемент, особенно в тех местах, где конструкции имеют небольшие зазоры. В корпусе также есть встроенный датчик температуры для обеспечения внешней термокомпенсации.

Принцип действия системы гироскопа

Описываемые гироскопы обычно являются твердотельными устройствами и не имеют движущихся частей за исключением сенсорного кольца, которое имеет возможность отклоняться. Оно показывает величину и направление угловой скорости за счет использования эффекта «силы Кориолиса». Во время вращения гироскопа силы Кориолиса действуют на кремниевое кольцо, являясь причиной радиального движения по периметру кольца.

По периметру кольца равномерно расположены восемь приводов/преобразователей. При этом есть одна пара приводов «первичного движения» и одна пара первичных снимающих преобразователей, расположенных относительно их главных осей (0° и 90°). Две пары вторичных переключающих преобразователей расположены относительно их вторичных осей (45° и 135°). Приводы первичного движения и первичные переключающие преобразователи действуют вместе в замкнутой системе, чтобы возбуждать и контролировать первичную рабочую амплитуду вибрации и частоты (22 кГц).

Вторичные снимающие преобразователи распознают радиальное движение на вторичных осях, величина которого пропорциональна угловой скорости вращения, благодаря которой гироскоп обретает угловую скорость. Преобразователи производят двухполосный сжатый передающий сигнал, демодулирующийся обратно в полосы, ширина которых контролируется пользователем одним простым внешним конденсатором. Это дает пользователю возможность полностью контролировать производительность системы и делает преобразование абсолютно независимым от постоянного напряжения или низкочастотных параметрических условий электроники.

На рисунках 3 и 4 продемонстрирована структура кремниевого кольца сенсора, показывающая приводы первичного движения «PD» (одна пара), первичные снимающие преобразователи «PPO» (одна пара) и вторичные снимающие преобразователи «SPO» (две пары).

На рисунке 5 схематично показано кольцо, при этом спицы, приводы и преобразователи удалены для ясности. В данном случае гироскоп выключен, кольцо круглое.

В момент, когда датчик находится в выключенном состоянии, в кольце возбуждается движение вдоль его основных осей за счет приводов первичного движения и первичных снимающих преобразователей, воздействуя в замкнутом контуре на систему контроля ASIC. Круглое кольцо принимает в режиме Cos2и эллиптическую форму и вибрирует с частотой 22 кГц. Это показано на Рис.6, на котором гироскоп уже включен, но еще не вращается. На четырех вторичных снимающих узлах расположенных на периметре кольца под углом 45 по отношению к основным осям нет радиального движения.

Если гироскоп подвергается воздействию угловой скорости, то на кольцо действуют силы Кориолиса: по касательной к периметру кольца относительно главных осей. Эти силы деформируют кольцо, что вызывает радиальное движение вторичных снимающих преобразователей. Данное движение, определяемое на вторичных снимающих преобразователях, пропорционально прилагаемой угловой скорости. При этом двухполосный сжатый передающий сигнал демодулируется с учетом основного движения. В итоге получается низкочастотный компонент, который пропорционален угловой скорости.

Рис. 7 Режимы работы сенсорного кольца при вращающемся гироскопе

Схема управления всем гироскопом расположена в ASIC.

Рис. 8 Блоковая диаграмма функционирования ASIC-сенсора
Рис. 9 Внешний вид ASIC-гироскопа

Подобные датчики обладают миниатюрными габаритами (6,5х1,2 мм) при сверхнизком потреблении энергии (12 мВт). Для них характерен широкий диапазон измерения (до 900 градусов/сек), сверхмалый вес 0,08 грамм и высокая стабильность работы.
Гироскопы подобной конструкции можно с успехом применять для измерения скоростей вращения объекта по трем осям в транспортных и персональных навигаторах для определения и сохранения параметров движения и определения местоположения; в системах отслеживания по трассе на сельскохозяйственной технике для стабилизации антенн; в промышленной аппаратуре, робототехнике и других сферах. Использование данных датчиков угловой скорости на летательных аппаратах позволяет на порядок уменьшить габариты, вес, энергопотребление приборов и в результате значительно снизить цену навигационной системы в целом. Надежность и точность в управлении широкого спектра самолетов, вертолетов и других летательных аппаратов при этом увеличивается. Таким образом, данный вид гироскопов оптимально подходит для использования в ситуации, когда есть ограничения по габаритам, весу и стоимости изделия.

Технические характеристики гироскопа

Параметр	Предельный диапазон значений	Типовая величина
Напряжение питания	2.7 3.6 В	3 В
Диапазон измерения	75, 150, 300, 900 градусов/сек	-
Чувствительность (аналоговый выход)	13.3, 6.7, 3.3, 1.0 мВ/Градус/сек	-
Температурное смещение чувствительности	+/- 3%	+/- 1%
«Ноль» Ѕ напряжения питания - ср. кв. отклонение (температурное отклонение)	+/- 3 градуса/сек	+/- 1,5 градус/сек
Нестабильность ср. кв. погрешности	-	< 40 градус/час
Ширина полосы (ослабление -3 дБ)	> 75 Гц - задается пользователем при использовании внешнего конденсатора	Аналоговый выход до 160 Гц Цифровой выход 150 Гц фикс.
Плотность шума	0.025 градус/сек/корень(Гц)	0,01 градус/сек/корень(Гц)
Случайный временной уход	-	0.28 градусов/корень(час)
Рабочая температура	-40...+85 градусов Цельсия -40 … +100 (при ограниченной работоспособности)	-
Температура хранения	-55 … +125 градусов Цельсия	-
Удары	3500 g в течение до 500 мкс 500 g в течение 1 мс 1 полуволна при включенном 100 g 6 мс при включенном	-
Вибрация	3,5 g в диапазоне 10 Гц - 5 кГц при включенном	-
Время включения	0.5 с	< 0,3 с
Вес	В зависимости от модификации от 0,08 до 0, 12 г.	-
Потребляемый ток	6 мА	4 мА

Емкостной трехосевой МЭМС-акселерометр с цифровым выходом

Высокопроизводительный трехосевой емкостной акселерометр изготовлен по специальной технологии 3D-МЭМС.

Рис. 10 Оси датчика, по которым проводится измерение ускорения

В корпусе датчика находятся высокоточный чувствительный элемент для определения ускорений и сервисная электроника (ASIC) с гибким цифровым выходом SPI.

Рис. 11 Высокопроизводительный 3-осевой емкостной акселерометр

Схематичное расположение ASIC и блока сенсорного элемента в датчиках подобной конструкции показано на рисунке 12.

Корпус акселерометра изготовлен из пластика, а крышка из металла. В нижней части корпуса по обеим сторонам расположены плоские свинцовые выводы для поверхностного монтажа на печатную плату.

Рис. 13 Конструкция корпуса акселерометра

Подобная конструкция корпуса гарантирует надежную работу сенсора на протяжении всего жизненного цикла. Для обеспечения стабильного выхода акселерометры подобного класса разрабатываются, производятся и тестируются в широком диапазоне температур, влажности и механического шума. У датчика есть возможность самодиагностики по нескольким сценариям. Он полностью совместим с одно- и двухосевыми акселерометрами данного типа, что дает возможность комбинировать датчики при построении различных сенсорных систем.

Описание технологии «3D-МЭМС»

Понятие «3D-МЭМС» представляет собой инновационное сочетание технологий для формирования кремния в трехмерные структуры, инкапсуляции и контактирования для легкого монтажа и сборки. В результате это обеспечивает высокую точность сенсора, маленький размер устройства и низкое потребление энергии. Таким образом, усовершенствованный сенсор может быть изготовлен в виде крошечного кусочка кремния, способного измерять ускорение в трех ортогональных направлениях.
Применяя технологию «3D-МЭМС», можно производить оптимизированные структуры для точных датчиков угла наклона, например, для обеспечения механического затухания в акселерометрах с целью использования сенсоров в условиях сильной вибрации и высокоточных альтиметрах. Энергопотребление рассматриваемых акселерометров является крайне низким, что дает им значительное преимущество при использовании в устройствах с батарейным питанием. В то же время при производстве инклинометров, 3D-МЭМС-технология обеспечивает точность уровней лучше одной угловой минуты и отвечает самым высоким требованиям к качеству измерения.

Преимущества технологии «3D-МЭМС»

В качестве преимуществ технологии «3D-МЭМС» можно выделить следующие:
- использование монокристаллического кремния для изготовления МЭМС (идеально упругий материал: нет пластической деформации, выдерживает до 70000g циклов ускорений);
- емкостной принцип действия датчиков (обеспечивает прямое измерение отклонения в зависимости от большого числа вариантов величины зазора между двумя плоскими поверхностями; при этом емкость или заряд на паре пластин зависят от ширины зазора между ними и площади пластины);
- высокий уровень точности и стабильности;
- легкая диагностика при помощи ограниченного числа конденсаторов;
- низкая потребляемая мощность;
- высокая герметичность датчиков (позволяет снизить требования к упаковке; обеспечивает высокую надежность, так как частицы или химические вещества не могут попасть в элемент);
- симметричные структуры элементов (улучшенная стабильность нуля акселерометра, линейность и чувствительность по оси; низкая зависимость показаний от температуры; нелинейность обычно ниже 1%; чувствительность по оси обычно не превышает 3%);
- возможность производств датчиков по индивидуальному заказу (получение конкретных уровней чувствительности и частотных характеристик, необходимых заказчику; гибкие двухчиповые решения);
- реальные 3D-структуры (большие защитная масса и емкость обеспечивают высокую производительность при работе в диапазоне измерений при малых g; хорошая стабильность по «0» и низкое влияние шума на показания датчика; образование 3D-сенсорных элементов).

Принцип действия емкостного акселерометра

В рассматриваемом типе трехосевых акселерометров принцип определения ускорения достаточно прост и надежен: инерционная масса дает людям возможность ощущать ускорение за счет перемещения в соответствии со вторым Законом Ньютона. Основные элементы акселерометра - тело, пружина и инерционная масса (ИМ). Когда скорость тела сенсора изменяется, ИМ через пружину так же побуждается последовать этим изменениям. Сила, воздействующая на ИМ, является причиной изменения ее движения, поэтому пружина изгибается, и расстояние между телом и ИМ изменяется пропорционально ускорению тела.
Рабочие принципы сенсоров различаются в зависимости о того, по какому принципу определяется движение между телом и ИМ. В емкостном сенсоре тело и ИМ изолированы друг от друга и их емкость или емкостной заряд измеряются. Когда дистанция между ними уменьшается, емкость увеличивается и электрический ток идет по направлению к сенсору. В случае, когда расстояние увеличивается, наблюдается обратная ситуация: сенсор преобразует ускорение тела в электрический ток, заряд или напряжение.
Превосходные характеристики рассматриваемых датчиков основаны на технологии емкостного измерения и хорошо подходят для определения малых изменений в движении. Чувствительный элемент для определения ускорения сделан из монокристального кремния и стекла. Это обеспечивает сенсору исключительную надежность, высокую точность и устойчивость показаний по отношению к воздействию времени и температуры.
Как правило, чувствительный элемент датчика с диапазоном измерений ±1g выдерживает как минимум 50000g ускорений (1g = ускорение, вызванное силой тяжести Земли). Датчик измеряет ускорение, как в положительном, так и в отрицательном направлении, и чувствителен к статическому ускорению и вибрации. «Сердцем» акселерометра является симметричный чувствительный элемент (ЧЭ), изготовленный по технологиям объемной микромеханики, у которого есть два чувствительных конденсатора. Симметрия ЧЭ уменьшает зависимость от температуры и чувствительности по оси и улучшает линейность. Герметичность датчика обеспечивается за счет анодного соединения пластин друг с другом. Это облегчает корпусирование элементов, повышает надежность и позволяет использовать газовое затухание в сенсорном элементе.

Концепция гетерогенной Chip-on-MEMS-интеграции МЭМС-элементов и интегральных микросхем

В ходе производства трехосевого акселерометра применяют новую концепцию гетерогенной интеграции для объединения чувствительного элемента МЭМС и микросхемы (ASIC): «ЧИП-на-МЭМС» или CoM (chip-on-MEMS). Эта концепция основана на комбинации инкапсулированных на уровне пластины 3D-МЭМС-структур, технологии корпусирования на уровне пластины и технологии чипа на пластине. Все указанные процессы уже существуют на протяжении несколько лет. Их комбинация позволяет решать наиболее сложную проблему корпусирования: как экономически эффективно совместить МЭМС-элементы и интегральные микросхемы.
Исходя из описанной концепции, технология включает в себя следующие шаги:
- перераспределение и изоляция слоев на МЭМС пластине,
- нанесение 300 микронных шариков припоя,
- установка на МЭМС-пластину микросхем,
- пассивация зазоров между микросхемами и МЭМС,
- тестирование пластины с МЭМС-устройствами,
- резка пластины,
- финальное тестирование и калибровка сенсоров после резки.

Рис. 14 Симметричный чувствительный элемент емкостного акселерометра
Рис. 15 Схема установки на МЭМС-пластину интегральных микросхем

Таким образом, благодаря е технологии CoM, можно получить полноценное функциональное МЭМС-устройство с размером корпуса по периметру 4х2 мм. и высотой 1 мм. Данная технология полностью готова для производства датчиков, как для небольших партий, так и в промышленных масштабах.

Рис. 16 Некоторые этапы технологии производства акселерометров
Рис. 17 Двухосевая инерциальная система на основе акселерометра

Технические характеристики емкостного трехосевого акселерометра:

Параметр	Типовая величина
Электропитание	3.3 В
Диапазон измерений	±6 g
Разрешение АЦП	12 бит
AEC-Q	полностью совместимы
Встроенный температурный сенсор	-
Цифровой выход SPI	-
Максимальный удар	20 Kg
Рабочая температура	[-40;+125]С
Полоса пропускания	45…50 Гц
Улучшенная самодиагностика	-
Размер	7.7 х 8.6 х 3.3 мм
Совместимость	с 2 и 1-осевыми датчиками аналогичного типа

Благодаря отличным характеристикам по стабильности и вибрационной надежности рассматриваемые акселерометры могут успешно применяться в следующих сферах:
. электронный контроль стабильности движения контролируемого устройства,
. система помощи при старте двигателя на подъеме,
. электронный стояночный тормоз,
. электронная защита от переворачивания,
. регулировка подвески,
. контроль углов наклона,
. встроенные инерциальные системы,
. применение в промышленности для различных устройств.

Роль «Русской Ассоциации МЭМС» в развитии технологий производства сенсорных систем в России

Из большого количества возможных вариантов было рассмотрено только два типа МЭМС-датчиков. В настоящий момент существует множество способов производства и применения микроэлектромеханических сенсоров, и многие компаний по всему миру серьезно занимаются разработкой дизайна и технологий изготовления различных сенсорных устройств, в том числе на основе МЭМС.
«Русская Ассоциация МЭМС» (далее Ассоциация. прим.авт.) установила хорошие партнерские отношения с рядом ведущих российских и зарубежных разработчиков-производителей МЭМС-датчиков различного назначения. Среди них можно отметить некоторые немецкие предприятия, входящие в состав Ассоциации Silicon Saxony e.V., институт Fraunhofer, корпорации Honeywell International Inc. и Analog Devices Inc. (США), Московский государственный институт электронной техники (МИЭТ), a так же ряд компаний расположенных в разных странах мира. Благодаря контактам такого уровня у Ассоциации есть доступ к современным микросистемным технологиям, что дает ей возможность совместно с партнерами организовывать в России работу по следующим направлениям:
1) выработка рекомендаций для заказчиков по применению тех или иных сенсоров мировых производителей при производстве российских систем;
2) поставка различных датчиков (на базе МЭМС и других принципах) для измерения ускорения, угловых скоростей, давления, скорости потока жидкости или газа, температуры, влажности, определения движения объекта и его скорости, распознавания магнитных полей (компас);
3) доработка различных сенсорных компонентов известных мировых производителей под требования заказчика (изменение в ту или иную сторону диапазона измерений, функциональных характеристик и т.д.) с дальнейшим производством доработанных датчиков на «родном» заводе-изготовителе;
4) организация проведения программы испытаний сенсорной ЭКБ в одном из российских или зарубежных Сертификационных центров с выдачей Сертификата установленного образца;
5) организация разработки и изготовления под индивидуальные требования заказчика сенсорных систем, включающих различные датчики (на базе МЭМС и других принципах), для измерения ускорения, угловых скоростей, давления, скорости потока жидкости или газа, температуры, влажности, определения движения объекта и его скорости, распознавания магнитных полей и др. (как сами системы, так и датчики, могут быть доработаны и сертифицированы в России, если заказчику необходимо, что бы изделия имели российское происхождение.
6) Предложение отечественным разработчикам и производителям технологий производства современных МЭМС сенсоров (акселерометров, гироскопов, инклинометров, датчиков давления, вибрации и др.) для внедрения на российском производстве и изготовления полностью российского сенсорного продукта;
7) Обучение специалистов российских предприятий по вопросам проектирования, разработки и производства МЭМС-сенсоров. К учебному процессу привлекаются ведущие российские и зарубежные специалисты в этой сфере.
В качестве положительного примера научно-коммерческой кооперации Ассоциации и одного их российских предприятий можно привести двухосевую инерциальную измерительную систему, созданную на базе МЭМС-акселерометра. В настоящий момент разработан и изготовлен действующий прототип сенсорной системы начального уровня. Изготовленный прототип системы в качестве чувствительного элемента содержит в себе микроструктуры с воздушным зазором, обладает высокими чувствительностью и соотношением «сигнал/шум», низкой чувствительностью к помехам, хорошей температурной стабильностью.
Подобную инерциальную систему в совокупности с другими компонентами и датчиками уже можно применять в автомобильной промышленности (срабатывание подушек безопасности и др.), для диагностики рельсового пути (контроль угла наклона), в системах навигации (измерение рысканья, крена и тангажа летального аппарата), контроль угла наклона трубопроводов и в других сферах. Изготовленное изделие обладает базовой конфигурацией с начальными характеристиками и может быть доработано в соответствии с требованиями Заказчика (диапазон измерений, уровень чувствительности и т.д.), а также проведено через программу испытаний в России с выдачей государственного сертификата установленного образца и представлено в виде готового изделия, но уже российского происхождения. Таким образом, у российского партнера появляется возможность существенно расширить свою рыночную долю за счет предложения потребителям систем и устройств, состоящих из современных сенсоров (МЭМС-акселерометры, гироскопы и др.), имеющих российское происхождение.

Источник - http://www.sovtest.ru

MEMS-компоненты (рус. МЕМС) – расшифровываются, как микроэлектромеханические системы. Основной отлиительной особенностью в них является, то что они содержат в себе подвижную 3D-структуру. Она движется за счет внешнего воздействия. Следовательно, движутся в МЕМС-компонентах не только электроны, но и составные части.

MEMS-компоненты – это один из элементов микроэлектроники и микромеханики, изготовленный зачастую на кремниевой подложке. По структуре они напоминают однокристальные ИМС. Обычно эти механические части МЕМС имеют размеры от единиц до сотен микрометров, а сам кристалл от 20 мкм до 1 мм.

Рисунок 1 – один из примеров структуры MEMS

Примеры использования:

1. Изготовление различных микросхем.

2. МЭМС-осцилляторы в некоторых случаях заменяют .

3. Изготовление датчиков, среди которых:

акселерометр;

гироскоп

датчик угловых скоростей;

магнитометрический датчик;

барометры;

анализаторы среды;

измерительные преобразователи радиосигнала.

Материалы, применяемые в MEMS-структурах

К основным материалам, из которых изготавливаются МЕМС-компоненты относят:

1. Кремний. В настоящее время подавляющее большинство электронных компонентнов изготавливаются именно из этого материала. У него целый ряд преимуществ, среди которых: распространенность, прочность, при деформации практически не изменяет свойств (не появляется гистерезис). Основным способом изготовления кремниевых МЕМС является фотолитография с последующим травлением.

2. Полимеры. Так как кремний хоть и распространенный материал, но сравнительно дорогой, для его замены в некоторых случаях могут использоваться полимеры. Они производятся промышленностью в больших объемах и с разнообразными характеристиками. Основные методы изготовления полимерных МЕМС – это литьевое формирование, штамповка, стереолитография.

Производственные объемы на примере крупного производителя

Для примера востребованности этих компонентов приведем компанию ST Microelectronics. Она производит крупные инвестиции в МЕМС-технологии, в день на её фабриках и заводах производится до 3 000 000 элементов в день.

Рисунок 2 – производственные мощностя компании разрабатывающей MEMS-компоненты

Производственный цикл разбит на 5 основных крупных этапов:

1. Производство чипов.

2. Тестирование.

3. Упаковка в корпуса.

4. Финальное тестирование.

5. Поставка дилерам.

Рисунок 3 – цикл производства

Примеры МЕМС-датчиков разных типов

Рассмотрим несколько популярных МЕМС-датчиков.

Акселерометр – это прибор, который измеряет линейное ускорение. Его используют для определения метоположения или движение объекта. Используется в мобильной технике, автомобилях и прочем.

Рисунок 4 – три оси распознаваемые акселерометром

Рисунок 5 – внутренняя структура МЕМС-акселерометра

Рисунок 6 – пояснения к структуре акселерометра

Характеристики акселерометра на примере компонента LIS3DH:

1. 3 осевой акселерометр.

2. Работает с интерфейсами SPI и I2C.

3. Измерение по 4м шкалам: ±2, 4, 8 и 16g.

4. Высокое разрешение (до 12 бит).

5. Низкое потребление: 2 мкA в режиме Low power mode (1Гц), 11мкA в режиме Normal (50Гц) и 5мкA в режиме Power Down.

6. Гибкость работы:

8 ODR: 1/10/25/50/100/400/1600/5000 Гц;

Пропускная способность до 2.5 КГц;

32-уровневый FIFO (16-бит);

3 входа АЦП;

Датчик температуры;

Питание от 1.71 до 3.6 В;

Функция самотестирования;

Корпус 3 x 3 x 1 мм. 2.

Гироскоп – это прибор который измеряет угловое перемещение. С его помощью можно измерять угол вращения округ оси. Такие приборы могут использовать в качестве системы навигации и управления полетом летательных аппаратов: самолетов и различных БПЛА или для определения положения мобильных устройств.

Рисунок 7 – данные измеряемые гироскопом

Рисунок 8 – внутренняя структура

Для примера рассмотрим характеристики МЕМС-гироскопа L3G3250A:

3-Осевой Аналоговый Гироскоп;

Иммунитет к аналоговому шуму и вибрациям;

2 шкалы измерения: ±625°/с и ±2500°/с;

Power down и Sleep режимы;

Функция самотестирования;

заводская калибровка;

Высокая чувствительность: 2 мВ/°/с при 625°/с

Встроенный фильтр нижних частот

Высокая температурная стабильность (0.08°/с/°C)

Высокое шоковое состояние: 10000g в течении 0.1 мс

Температурный диапазон от -40 до 85°C

Напряжение питания: 2.4 - 3.6В

Потребление: 6.3 мA в Normal, 2 мA в Sleep и 5 мкA в Power Down режимах

Корпус 3.5 x 3 x 1 LGA

Выводы

На рынке МЕМС-датчиков кроме рассмотренных в докладе примеров есть и другие элементы, среди которых:

Многоосевые (например, 9-осевые) датчики;

Компасы;

Датчики для измерения окружающей среды (давления и температуры);

Цифровые микрофоны и прочее.

Современная промышленная высокоточные микроэлектромеханические системы, которые активно применяются в транспортных средствах и портативных носимых компьютерах.