Mikroelektromehāniskās sistēmas

Mikroelektromehāniskās sistēmas (MEMS), ko dēvē arī par mikroelektroniskām un mikroelektromehāniskām sistēmām), un kas ir saistītas ar mikromehatroniku un mikrosistēmām, ir mikroskopisku ierīču, jo īpaši tādu, kurām ir kustīgas detaļas, tehnoloģija. Tās apvienojas nanomērogā, veidojot nanoelektromehāniskās sistēmas (NEMS) un nanotehnoloģijas. Japānā MEMS dēvē arī par mikromašīnām, bet Eiropā - par mikrosistēmu tehnoloģijām (MST).

MEMS sastāv no sastāvdaļām, kuru izmērs ir no 1 līdz 100 mikrometriem (t. i., no 0,001 līdz 0,1 mm), un MEMS ierīču izmērs parasti ir no 20 mikrometriem līdz milimetram (t. i., no 0,02 līdz 1,0 mm), lai gan masīvos izkārtotu sastāvdaļu (piemēram, digitālo mikrospoguļu ierīču) izmērs var pārsniegt 1000 mm2. Tās parasti sastāv no centrālās vienības, kas apstrādā datus (integrālās shēmas, piemēram, mikroprocesors), un vairākiem komponentiem, kas mijiedarbojas ar apkārtējo vidi (piemēram, mikrosensori). MEMS lielās virsmas laukuma un tilpuma attiecības dēļ apkārtējās vides elektromagnētisma radītie spēki (piemēram, elektrostatiskie lādiņi un magnētiskie momenti) un šķidruma dinamika (piemēram, virsmas spraigums un viskozitāte) ir svarīgāki konstrukcijas apsvērumi nekā lielāka mēroga mehāniskām ierīcēm. MEMS tehnoloģija atšķiras no molekulārās nanotehnoloģijas vai molekulārās elektronikas ar to, ka pēdējā minētajā gadījumā jāņem vērā arī virsmas ķīmija.

Ļoti mazu mašīnu potenciāls tika novērtēts, pirms vēl pastāvēja tehnoloģija, kas ļāva tās izgatavot (sk., piemēram, Ričarda Fainmena slaveno 1959. gada lekciju "Tur apakšā ir daudz vietas"). MEMS kļuva praktiski izmantojamas, kad tās varēja izgatavot, izmantojot modificētas pusvadītāju ierīču izgatavošanas tehnoloģijas, ko parasti izmanto elektronikas ražošanā. Tās ietver formēšanu un galvanizāciju, slapjo kodināšanu (KOH, TMAH) un sauso kodināšanu (RIE un DRIE), elektroizlādes apstrādi (EDM) un citas tehnoloģijas, kas ļauj izgatavot mazas ierīces.

Vēsture

MEMS tehnoloģijas saknes meklējamas silīcija revolūcijā, kuras aizsākumi meklējami divos nozīmīgos silīcija pusvadītāju izgudrojumos 1959. gadā: monolītā integrālā shēma (IC), ko izstrādāja Roberts Noiss (Robert Noyce), Fairchild Semiconductor, un MOSFET (metāla oksīdu pusvadītāju lauka tranzistors jeb MOS tranzistors), ko izstrādāja Mohameds M. Atalla (Mohamed M. Atalla) un Dāvons Kangs (Dawon Kahng), Bell Labs. MOSFET mēroga palielināšana - MOSFET miniaturizācija integrālās shēmas mikroshēmās - noveda pie elektronikas miniaturizācijas (kā to paredzēja Mūra likums un Dennarda mēroga palielināšana). Tas lika pamatus mehānisko sistēmu miniaturizācijai, attīstot mikroapstrādes tehnoloģiju, kuras pamatā ir silīcija pusvadītāju tehnoloģija, jo inženieri sāka saprast, ka silīcija mikroshēmas un MOSFET var mijiedarboties un sazināties ar apkārtējo vidi un apstrādāt tādas lietas kā ķīmiskās vielas, kustības un gaisma. Vienu no pirmajiem silīcija spiediena sensoriem 1962. gadā Honeywell izgatavoja izotropiski mikromašīnbūvē.

Viens no agrīniem MEMS ierīču piemēriem ir rezonanses vārtu tranzistors - MOSFET pielāgojums, ko 1965. gadā izstrādāja Harvijs Natansons (Harvey C. Nathanson). Vēl viens agrīns piemērs ir rezonistors - elektromehānisks monolīts rezonators, ko no 1966. līdz 1971. gadam patentēja Raymond J. Wilfinger. No 1970. līdz 1980. gadu sākumam tika izstrādāti vairāki MOSFET mikrosensori fizikālo, ķīmisko, bioloģisko un vides parametru mērīšanai.

Veidi

Pastāv divi MEMS slēdžu tehnoloģijas pamatveidi: kapacitatīvie un omiskie. Kapacitatīvs MEMS slēdzis ir izstrādāts, izmantojot kustīgu plāksni vai sensora elementu, kas maina kapacitāti. Omiskos slēdžus kontrolē ar elektrostatiski kontrolētiem konsolēm. Omiskie MEMS slēdži var sabojāties MEMS izpildmehānisma (konsoles) metāla noguruma un kontaktu nodiluma dēļ, jo konsoles laika gaitā var deformēties.

Materiāli MEMS ražošanai

MEMS izgatavošana attīstījās no pusvadītāju ierīču izgatavošanas procesa tehnoloģijas, t. i., pamattehnoloģijas ir materiālu slāņu uzklāšana, grafēšana ar fotolitogrāfiju un kodināšana, lai iegūtu vajadzīgās formas.

Silīcijs

Silīcijs ir materiāls, ko izmanto, lai izveidotu lielāko daļu integrālo shēmu, ko izmanto mūsdienu elektronikā. Pateicoties apjomradītiem ietaupījumiem, pieejamajiem lētiem augstas kvalitātes materiāliem un iespējai integrēt elektroniskās funkcijas, silīcijs ir pievilcīgs visdažādākajiem MEMS lietojumiem. Silīcijam ir arī būtiskas priekšrocības, ko rada tā materiāla īpašības. Monokristāla formā silīcijs ir gandrīz ideāls Huka materiāls, kas nozīmē, ka, to saliecot, praktiski nepastāv histerēze un līdz ar to gandrīz nav enerģijas izkliedes. Tas ne tikai nodrošina ļoti atkārtojamu kustību, bet arī padara silīciju ļoti uzticamu, jo tas ļoti maz nogurst, un tā kalpošanas laiks var būt no miljardiem līdz triljoniem ciklu bez bojājumiem. Pusvadītāju nanostruktūras, kuru pamatā ir silīcijs, kļūst arvien nozīmīgākas mikroelektronikas un jo īpaši MEMS jomā. Silīcija nanopavedieni, kas iegūti silīcija termiskās oksidācijas procesā, ir vēl vairāk interesanti elektroķīmiskās pārveides un uzglabāšanas jomā, tostarp nanopavedienu baterijās un fotoelementu sistēmās.

Polimēri

Lai gan elektronikas rūpniecība nodrošina apjomradītus ietaupījumus silīcija rūpniecībā, kristāliskais silīcijs joprojām ir sarežģīts un salīdzinoši dārgs materiāls, lai to ražotu. No otras puses, polimērus var ražot milzīgos apjomos, un to materiālu īpašības ir ļoti dažādas. MEMS ierīces var izgatavot no polimēriem, izmantojot tādus procesus kā iesmidzināšana, presēšana vai stereolitogrāfija, un tās ir īpaši piemērotas mikrofluidiskiem lietojumiem, piemēram, vienreizlietojamām asins analīžu kasetnēm.

Metāli

MEMS elementu izgatavošanai var izmantot arī metālus. Lai gan metāliem nav tādu priekšrocību kā silīcijam attiecībā uz mehāniskajām īpašībām, tomēr, ja metālus izmanto, ievērojot to ierobežojumus, tiem var būt ļoti augsta uzticamības pakāpe. Metālus var nogulsnēt, izmantojot galvanizācijas, iztvaicēšanas un izsmidzināšanas procesus. Parasti izmanto zeltu, niķeli, alumīniju, varu, hromu, titānu, volframu, platīnu un sudrabu.

Keramika

Silīcija, alumīnija un titāna nitrīdi, kā arī silīcija karbīds un cita veida keramika tiek arvien biežāk izmantota MEMS izgatavošanā, pateicoties izdevīgajām materiālu īpašību kombinācijām. Alumīnija nitrīds kristalizējas vircīta struktūrā, un tādējādi tam piemīt piroelektriskas un pjezoelektriskas īpašības, kas ļauj izgatavot sensorus, piemēram, ar jutību pret normāliem un bīdes spēkiem. Titāna nitrīds, no otras puses, uzrāda augstu elektrovadītspēju un lielu elastības moduli, kas ļauj īstenot elektrostatiskās MEMS iedarbināšanas shēmas ar ultratieviem stariem. Turklāt TiN lielā izturība pret biokoroziju ļauj šo materiālu izmantot biogēnās vidēs. Attēlā redzams elektronmikroskopisks MEMS biosensora attēls ar 50 nm plānu saliekamu TiN staru virs TiN pamatplāksnes. Abus var darbināt kā pretējus kondensatora elektrodus, jo staru kūlis ir nostiprināts elektriski izolējošās sānu sieniņās. Ja dobumā ir suspendēts šķidrums, tā viskozitāti var noteikt, liecot staru, izmantojot elektrisko piesaisti pie pamatplāksnes, un mērot lieces ātrumu.

Ārējās saites

• (angliski) Plenty of Room at the Bottom Ričarda Fainmena lekcija 1959. gadā. Šajā lekcijā pirmo reizi tiek izmantots termins "nanotehnoloģija"
• Palmgrēns, Gorms (2007. gada, septembrī). "Jaunie materiāli atvieglo dzīvi". Ilustrētā Zinātne (22): 24.—31. lpp
• F. Chollet, HB. Liu. A (not so) short introduction to MEMS, 2018. gada 10. augusts. ISBN 9782954201504. 5.4.