Лекция 1 Понятие микросистем

Лекция 1 Понятие микросистем Области применения микросистем Основные типы микросистем

Проекты будущего Умная пыль Наноробот в кровеносной системе Молекулярные наномашины Эрика Декслера

МСТ – миниатюрные интеллектуальные механизмы Элементами микросистемной техники называют устройства с интегрированными в объеме или на поверхности твердого тела электрическими, оптическими и микромеханическими структурами

Галерея изображений Sandia National Labs

РАЗВИТИЕ МИКРОСИСТЕМНОЙ ТЕХНИКИ МИРОВОЙ УРОВЕНЬ Акселерометры Гироскопы Датчики давления Более 500 млн /год BMW 740 i - более 70 МЭМС Более 90 млн /месяц Более 100 млн /год датчиков Сопловые устройства Микротурбогенератор струйных принтеров Перспектива: Более 1 млн замена батарей микрозеркал питания 2, 2 млн оборотов / мин 60 Вт Более 500 млн /год Более 0, 50 млн /год

Автомобиль МЭМС Линейное ускорение Алкоголь Плотность заряда (подушка безопасности) (водитель) (аккумулятор) Температура (комфорт) Угловое ускорение Расход воздуха Гироскопы NOX Давление (подвеска) (воздух/топливо) (навигация) (выхлоп) (шины, АВС) ENME 489 F / 808 K

Масштабирование по известным объектам Шаговый электродвигатель 50 m Нанобиомотор 45 nm Квантовые точки 2 nm Бактерия Кластер 1 nm E. coli 2 m Муравей 5 mm Атом водорода r=0. 0529 nm пыльца 20 m

Пример минимизации устройств Высокоскоростная Обычная газовая турбина микротурбина

Примеры структур МЭМС Ротор турбины Размещение деталей микротурбины на пластине Si/Si. C Детали газовой микротурбины

Примеры структур МЭМС Поликремниевый температурный сенсор сопротивления Статор микроэлектродвигателя

3 D структуры МЭМС Микромеханизмы из никеля Жидкостные микроканалы в пластике Микролинзы из поликарбоната

3 D структуры МЭМС Линзы Френеля на регулируемой платформе

ТЕРМИНОЛОГИЯ MST Микросистемная Европа, в т. ч. техника Россия, Беларусь MEMS Микроэлектромеханические США, Германия системы (частично) Micromachines Микромашины Япония МИКРОТЕХНОЛОГИИ НАНОТЕХНОЛОГИИ

Терминология различных стран Страна / Сокра Термин Определение Регион щение Интеллектуальная миниатюризированная система, Микросистема, обладающая сенсорными, процессорными и/или Технология актюаторными функциями. Обычно используется Европей- микросистем комбинация устройств, действующих на основе МС ские использования электрических, механических, МСТ страны (Micro System оптических, химических, биологических, магнитных Technology ) или других свойств и интегрированных на одном чипе или мультичиповой плате Интегрированные микроустройства или системы, комбинирующие электрические и механические Микроэлектро- компоненты, изготовленные по технологиям, механические совместимым с технологией ИС и имеющие размеры США системы от микрометров до миллиметров. Соединение в таких МЭМС (Micro-Electro системах компьютерной обработки с Mechanical Systems) чувствительными и актюаторными компонентами позволяют нам ощущать и контролировать окружающий мир Микромашины состоят из функциональных Микромашины элементов размером в несколько миллиметров и Япония мехатроника ММ способных образовать комплексное (Micromachines) микроскопическое устройство Сверхминиатюрные механизмы, приборы, машины с ранее недостижимыми массогабаритными, Микросистемная энергетическими показателями и функциональными Россия МСТ техника параметрами, создаваемые интегрально-групповыми

Основные части микросистем Микросистемная техника (МСТ) – миниатюрные устройства, включающие в свой состав три компонента: микросенсор, микроактюатор и электронную систему управления. Сенсор (или датчик) – устройство, воспринимающее сигналы и внешние воздействия и преобразующее внешнее воздействие в электрический или оптический сигнал. Актюатор – микроисполнительное устройство, микродвигатель, микродвижитель. Некоторый возбуждающий механизм, который приводит в действие какое-либо устройство посредством преобразования одного вида энергии в другой (в механическую). Трансдьюсер – преобразователь, который преобразовывает одну форму энергии в другую.

Технологические преимущества изготовления микросистем Параллельное (“групповое”) изготовление большего количества одинаковых устройств Совместное изготовление механических, электрических и др. элементов Однотипное и одновременное создание сложных комплексных структур Усложнение геометрической конфигурации не является ограничением и не ведет к удорожанию устройства

Технологические предпосылки формирования МСТ в отдельное направление техники • появление в 1982 г. статьи сотрудника фирмы IBM К. Петерсона, рассматривающей кремний не только как полупроводниковый, но и как конструкционный механический материал; • разработка в конце 70 -х годов на ряде фирм (Хоневелл, Кулите) промышленной технологии объемного жидкостного травления кремния для формирования мембран, струн, балок в датчиках давления, вибрации и ускорения; • разработка в конце 70 -х – начале 80 -х годов в Центре ядерных исследований в Карлсруэ (Германия) технологии формирования объемных структур с использованием синхронного излучения, гальванического осаждения и прецизионного литья полимерами, получившей название LIGA- технология (LIGA – аббревиатура немецких слов litographie – литография, galvanoformung — гальванообработка, abformung — прессование).

По виду функционирования, микроустройства в микросистемах делятся на: электромеханическое; оптоэлектромеханическое; теплофизическое; флюидное; биотехническое.

• Электромеханическое микроустройство - обеспечивающее выполнение функций за счет преобразования электрической энергии в механическую. Шаговый электростатический микродвигатель www. mems. sandia. gov

• Оптоэлектромеханическое микроустройство - обеспечивающее выполнение функций за счет управления оптическим сигналом или преобразования оптического воздействия с помощью электромеханического микроустройства СЭМ-изображение части электрооптомеханической матрицы для оптоволоконной техники

• Теплофизическое микроустройство - обеспечивающее выполнение функций за счет накопления и преобразования в микрообъемах, в том числе обратимого, тепловой энергии в другие виды энергии Сопло с интегральным нагревателем для одного из вариантов микродвигателя европейского наноспутника

Флюидное микроустройство - обеспечивающее выполнение функций за счет локализации, течения, разделения, хранения микро- и наноколичеств жидкости или газа, а также их физико-химических превращений под действием внешних электрических, магнитных, оптических, механических, тепловых и химических воздействий

Наноматериалы

Материалы МЭМС: Si, Si. O 2, Si 3 N 4, кварц, Si. C, алмаз, Ga. As, Al. N, 92% Al 2 O 3, полиимид, PMMA

Анизотропное травление

Анизотропное травление в МЭМС Иллюстрации травления на выпуклых углах и формирование консоли из материала, который не травится (например, нитрида кремния, p- Si). (411) -плоскости часто травятся быстрее остальных и образуют выпуклые углы

Сочетание присоединения кремния методом сплавления с реактивным ионным травлением Результат сочетания методов

Молекулы и биоткани как материалы НЭМС Молекулярные машины Трубки биотканей

Вопросы к лекции 1. Дайте определение микросистемной техники. 2. Какие термины применяют США, Россия, Япония, Европа для обозначения микросистем? 3. В чем заключается основное отличие микросистем от микросхем? В чем сходство? 4. Приведите примеры современных технических устройств, где применяются микросистемы или их элементы. 5. Какие датчики используются в современном автомобиле ? 5. Определение микросистем, принятое в России. 6. Основные части микросистем. 7. Технологические преимущества изготовления микросистем. 8. Технологические предпосылки формирования МСТ в отдельное направление техники. 9. На какие основные группы подразделяются микроустройства в микросистемах? 10. Основные материалы МЭМС.