Equipo especial de microsistemas: integración y miniaturización en una botella.
UKOV Vyacheslav Sergeevich, Candidato de Ciencias Técnicas
EQUIPO ESPECIAL DE MICROSISTEMA: INTEGRACIÓN Y MINIATURIZACIÓN EN UNA BOTELLA
Se consideran las posibilidades modernas de aumentar la eficiencia de medios técnicos especiales mediante el uso de nuevas tecnologías de microsistemas.
Una tendencia característica El desarrollo tecnológico global de la última década fue el surgimiento de tecnologías integrales, incluidas las tecnologías de microsistemas (MST) [1]. El factor iniciador que contribuyó al desarrollo dinámico de la tecnología de microsistemas fue el surgimiento de los llamadossistemas microelectromecánicos– MEMS, en el que las conexiones galvánicas están en estrecha interacción con los movimientos mecánicos [2]. Una característica especial de los MEMS es el hecho de que en ellos los componentes eléctricos y mecánicos se forman a partir de una base común (por ejemplo, un sustrato de silicio) y, como resultado del uso de la tecnología para formar estructuras volumétricas, es posible obtener microsistemas. equipos con altas características operativas y técnicas (peso-dimensional, peso, energía, etc.), que inmediatamente atrajeron la atención de los especialistas — desarrolladores de equipos especiales.
Análisis del mercado de equipos de microsistemas
La integración de logros en el campo de la electrónica, la mecánica, la informática y la tecnología de medición, unida por la tendencia hacia la microminiaturización, determinó el surgimiento de nuevas tecnologías de microsistemas integrados a finales de los 80 y principios de los 90 del siglo pasado. Un gran número de universidades y empresas comerciales de Estados Unidos y Japón han concentrado sus esfuerzos en el desarrollo de tecnologías MEMS. Un análisis de la dinámica del mercado MEMS realizado por NEXUS (un organismo de la Comisión Europea) mostró que el volumen del mercado aumenta anualmente en promedio un 18% y actualmente asciende a más de 40 mil millones de dólares. El mercado de MEMS se muestra con más detalle en la Fig. 1.
Fig. 1. Estructura del mercado global de equipos de microsistemas
Cabe señalar que en los últimos años se han desarrollado nuevas clases de MEMS basados en silicio, que han supuesto una introducción revolucionaria de nuevos medios técnicos de comunicación celular y optoelectrónica, entre ellos:
- RF MEMS filtros para teléfonos móviles, que proporcionan un factor de alta calidad en el rango de frecuencia 3…300 MHz — 200…300 (en lugar de 20…30 en la versión microelectrónica);
- Interruptores de microespejos (2×2. 1×4 mm) para canales de comunicación de fibra óptica en frecuencias 3…30 GHz
.En los años 90 del siglo XX, los países de Europa y el Sudeste Asiático se sumaron activamente a la rivalidad entre dos líderes mundiales en el campo de los MEMS (EE.UU. y Japón). Por ejemplo, el número de universidades y empresas comerciales dedicadas a la investigación y el desarrollo en el campo de la creación de MEMS en Alemania en 1997 fue 1,5 veces mayor que en los Estados Unidos y casi igual al de Japón. En 1998, a petición de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada del Departamento de Defensa de EE. UU., se adoptó por primera vez un programa MEMS, que se denominó «Sistemas microelectromecánicos MEMC». Estados Unidos destina anualmente 35 millones de dólares para el desarrollo de este programa, lo que supera inversiones similares de otros países.
Principales direcciones y características de desarrollo de productos de tecnología de microsistemas
Tabla 1. Principales direcciones y características del desarrollo de productos de tecnología de microsistemas
| Nombre | País | Desarrollador | Características | Nota |
| SEIMS – Micromecánico integrado Sandia Sistemas | USA | Laboratorio Sandia | La tecnología desarrollada asegura la creación de MEMS con un topología mínima 0,5 µm | El laboratorio cuenta con departamentos de robótica e inteligencia artificial |
| Conmutador-multiplexor óptico | USA | Laboratorio Sandia | Fabricado en MEMS con un conjunto de 250 microespejos usando tecnología MEMS Summeit-Vsurface | En preparación interruptor compuesto por 1000 microespejos |
| Elementos sensores de sensores basados en carburo de silicio | Rusia | LETI | Los sensores garantizan la linealidad de las características de medición hasta una temperatura de 450 °C | Dispositivos de silicio externos similares proporcionan una temperatura máxima de hasta 125 °C. С |
| Espectrógrafo microelectromecánico | EE.UU. | Laboratorio Oak Ridge | Tiene un volumen de 6 cm3, que es tres mil veces menor que su análogo no integral | Puede usarse en sistemas de monitoreo y seguridad de emergencia de empresas químicas |
| prototipo LNK (“Labs on a Chip”) | USA | MIT | Contiene 34 microdepósitos de 24 nL cada uno, formados por grabado continuo de sustratos de silicio y recubiertos con membranas de oro 0,3 micras de espesor | Según los expertos, puede suponer una revolución en la fabricación de instrumentos (para analizar el ADN humano o controlar sustancias nocivas) |
| MEMS especialmente resistentes | EE.UU. | Laboratorio Livermore | Los MEMS desarrollados proporcionan una resistencia especial a la radiación, los efectos químicos y térmicos | La producción de MEMS altamente resistentes está garantizada mediante el uso de carburo de silicio como material de partida |
| Avión en miniatura “Black Widow” ” | EE.UU. | Cooperación de organizaciones
y empresas |
Envergadura — 15 cm; peso – 80 gramos; altitud de vuelo – 230 m; velocidad – 70 km/h; tiempo de vuelo – 30 minutos; Eficiencia del motor: 82%; dos cámaras de vídeo de 2 g cada una | Proporciona transmisión de imágenes de vídeo a una distancia de hasta 2 km en tiempo real |
Cabe destacar que en Rusia el término «tecnología de microsistemas» comenzó a utilizarse en los documentos oficiales después de la adopción en 1996 de la lista de tecnologías críticas a nivel federal. La tecnología de microsistemas está incluida en la lista de áreas prioritarias para el desarrollo de la ciencia y la tecnología para el período 2001 — 2010.
La base para el desarrollo de MEMS es la tecnología microelectrónica, que se utiliza en casi todos los productos basados en silicio. Lamentablemente, la industria microelectrónica nacional no puede presumir de grandes logros. Sin embargo, un gran factor positivo es que la tecnología microelectrónica rusa actualmente existente puede utilizarse ampliamente para MST. Por tanto, los especialistas nacionales ya han obtenido resultados interesantes en este ámbito. Actualmente, ha aumentado el número de equipos de investigación rusos involucrados en nanomecánica, nanoherramientas, nanotubos y cristales fotónicos.
Un análisis del mercado moderno de equipos para MST muestra que este último se está formando gracias al desarrollo activo de la biotecnología en el contexto de la lucha contra el terrorismo, los requisitos más estrictos para trabajar con sustancias radiactivas, tóxicas y explosivas, lo que provoca una transición a el uso de cantidades ultrapequeñas de sustancias en volúmenes limitados y la creación de “laboratorios de cristal” y biochips [4, 5]. En la tabla se dan posibles instrucciones para utilizar medios técnicos MEMS y MST para resolver problemas especiales. 2.
Tabla 2. Posibles áreas para el uso de MEMS en equipos especiales
| Tecnología de microsistemas | Dirección de desarrollo | Dirección de uso en equipos especiales |
| Sistemas y máquinas microelectromecánicos | Micromecanismos, microaccionamientos, micromotores | Robótica especial |
| Microsistemas óptico-mecánicos | Microópticas, circuitos integrados óptico-mecánicos | Comunicaciones especiales, control acústico, etc. |
| Microsistemas biotécnicos | Sistemas autónomos en miniatura para diagnóstico corporal y reemplazo de órganos | Especial medios antiterroristas |
| Microsistemas de suministro de energía | Fuentes de energía autónomas en miniatura, microturbinas, microsistemas de recuperación de energía | Medios técnicos especiales |
| Microsistemas sensoriales | Multisensores, sensores inteligentes, sensores con retroalimentación | Protección de la información, los objetos y la identidad |
| Sistemas microanalíticos | Instrumentos analíticos en miniatura | Herramientas forenses modernas |
| Microsistemas tecnológicos | Microrreactores, microherramientas, microreguladores, microbombas | Herramientas especiales |
| Sistemas mini y micro robóticos | Minisistemas autónomos multifuncionales de diagnóstico y tecnológicos para condiciones especiales de funcionamiento | Robótica especial |
Cabe señalar que el desarrollo activo de la tecnología de microsistemas en Rusia se ve facilitado por tres circunstancias principales:
- la disponibilidad de equipos básicos, instalaciones de producción e infraestructura organizativa de producción de microsistemas adecuados para la implementación de microsistemas. objetos tecnológicos en ellos (con el nivel de tecnología existente en 1…10 micrones);
- presencia de cultura científica y tecnológica (principalmente en el campo de la micro y optoelectrónica);
- un mercado extenso para sistemas de sensores en diversos campos (incluido el de seguridad).
Perspectivas de una mayor integración de la tecnología de microsistemas
Como se mencionó anteriormente, el desarrollo de MEMS estuvo más influenciado por el proceso de integración de herramientas, sistemas y tecnologías modernas, por lo tanto, para evaluar las perspectivas de desarrollo de MEMS, utilizaremos el coeficiente del nivel de integración K = T x M, donde T es el número de transistores y M es el número de componentes mecánicos [3]. El estado y las perspectivas para la integración de la tecnología de microsistemas se muestran en la Fig. 2.
Fig. 2. Estado y perspectivas de integración de la tecnología de microsistemas:
1 – la mayoría de los MEMS existentes;
2 – acelerómetro ADXL-50;
3 – Pantallas optomecánicas DMD;
La figura presentada ilustra bien las capacidades de integración de la tecnología de microsistemas. Por ejemplo, para el acelerómetro ADXL-50 producido comercialmente, fabricado utilizando tecnología con estándares topológicos de 2 a 10 micrones (que contiene 100…200 transistores y 1 elemento mecánico), el coeficiente de integración T x M = 102, y para un microespejo chip de visualización (1 millón de elementos mecánicos de pantalla y 1 millón de transistores de control) obtenemos T x M = 1012. Otras áreas de integración se construyen de manera similar.
Ahora es el momento de “conectarse a tierra”, es decir descender desde los cielos del microsistema a la Tierra pecadora y considerar con más detalle desarrollos específicos implementados en ejemplos reales de tecnología.
Implementación práctica de tecnologías de microsistemas
Acelerómetros monolíticos
La combinación de las funciones de varios sensores en un solo dispositivo, incluido un circuito de generación de señales, un microprocesador y un dispositivo de memoria, abrió el camino a la creación de «receptores» cibernéticos universales. El mayor éxito en el desarrollo y producción de acelerómetros totalmente monolíticos lo ha logrado Analog Devices, que en 1991 fue el primero en el mundo en producir en masa un acelerómetro monolítico de un solo eje totalmente integrado, el ADXL50, que combina un acondicionador de señal y un Circuito de prueba fuera de línea. Para formar el elemento sensible del sensor se utilizó tecnología de grabado en capa fina, denominada sistema microelectromecánico integrado iMEMS (Sistemas Vicro-Electro-Mecánicos Integrados). Esta tecnología permitió a Analog Devices tomar una posición de liderazgo en el mercado de acelerómetros (Fig. 3).
Fig. 3. Relación costo-resolución para diferentes tipos de acelerómetros
La deposición de una capa delgada de silicio policristalino sobre un sustrato de óxido y el posterior grabado es compatible con las técnicas de fabricación de circuitos integrados, lo que permite el diseño de dispositivos sensores integrados en un solo chip. Es en este camino que Analog Devices ha podido desarrollar en los últimos años los acelerómetros de uno y dos ejes ADXL150 y ADXL250, que tienen una alta precisión (0,02% de error relativo) y un precio muy atractivo. Habiendo ingresado por primera vez al mercado automotriz como sensores de comando de bolsas de aire, estos acelerómetros ahora se usan cada vez más en componentes importantes de los automóviles modernos, incluidos sistemas de frenos antibloqueo, sistemas de seguridad y alarma, nivelación automática de faros, control de suspensión activa y muchos otros sistemas. Su uso en las llamadas “cajas negras” que registran continuamente los parámetros de movimiento del vehículo es prometedor.
Giroscopios integrados en el chip ADXRS> p>
Este giroscopio de Analog Devices es el primer dispositivo disponible comercialmente que combina un sensor de ángulo y componentes electrónicos de procesamiento de señales en una sola oblea de silicio. Los desarrolladores utilizaron tecnología iMEMS. Gracias a esto, fue posible hacer que el giroscopio sea más preciso, más confiable, más económico y en miniatura que cualquier otro sensor de ángulo de rotación de la misma clase. El microcircuito se coloca en una carcasa con terminales de bola, cuyas dimensiones son 7x7x3 mm. Con una fuente de alimentación de 5 V, el consumo de energía es de sólo 30 mW. El microcircuito proporciona una señal de salida estable incluso en presencia de ruido mecánico de hasta 2000 g en un amplio rango de frecuencia. El dispositivo está equipado con un dispositivo de autocomprobación de piezas mecánicas y eléctricas. La apariencia del chip de cristal se muestra en la foto 1.
Foto 1. Vista externa del cristal del chip del giroscopio.
El giroscopio está disponible en dos modificaciones (con un rango dinámico de 1500/s y 3000/s). El uso de este microcircuito aumentará la precisión y confiabilidad de los dispositivos del sistema de posicionamiento global, así como controlará el movimiento de varios vehículos en movimiento: automóviles, aviones, robots industriales, antenas, equipos industriales.
Sensores inteligentes especiales
El uso de tecnologías MEMS en sistemas electrónicos modernos puede aumentar significativamente su funcionalidad. Utilizando procesos tecnológicos que son casi indistinguibles de la producción de chips de silicio, los desarrolladores de MEMS — Los dispositivos crean estructuras mecánicas en miniatura que pueden interactuar con el medio ambiente y actuar como sensores que transmiten influencia a un circuito electrónico integrado con ellos. Los sensores son el uso más común de la tecnología MEMS: se utilizan en giroscopios, acelerómetros, medidores de presión y otros dispositivos.
Hoy en día, casi todos los automóviles modernos utilizan los acelerómetros MEMS mencionados anteriormente para activar las bolsas de aire. Los sensores de presión microelectromecánicos se utilizan ampliamente en las industrias automotriz y de aviación. Los giroscopios se utilizan en una variedad de dispositivos, desde complejos equipos de navegación para naves espaciales hasta joysticks para juegos de computadora. MEMS — Para la producción de pantallas e interruptores ópticos se utilizan dispositivos con espejos microscópicos (foto 2).
Foto 2. Elemento de una matriz de microespejos de interruptores ópticos.
Los microinterruptores y dispositivos resonantes fabricados con tecnología MEMS demuestran pérdidas óhmicas más bajas y un factor de alta calidad con consumo de energía y dimensiones reducidos, mejor repetibilidad y una gama más amplia de parámetros variables. En biotecnología, el uso de dispositivos MEMS permite crear dispositivos de un solo chip baratos pero de alto rendimiento para descifrar cadenas de ADN y desarrollar nuevos medicamentos y otras preparaciones especiales («laboratorio en un chip»). Además, también es necesario tener en cuenta el amplio mercado de las impresoras de inyección de tinta, cuyos cartuchos utilizan dispositivos MEMS de microfluidos que crean y liberan microgotas de tinta bajo el control de señales eléctricas.
En conclusión, observamos que, según los expertos, el desarrollo de la tecnología de microsistemas (especialmente para Rusia) puede tener el mismo impacto en el progreso científico y tecnológico que el surgimiento de la microelectrónica en la formación y el estado actual de los principales campos. de la ciencia y la tecnología.
Literatura
1. Ukov V.S., Vodolazkiy V.V. Tecnologías de seguridad modernas. M.: Conocimiento”, 2000.
2. Klimov D.M. y otros Perspectivas para el desarrollo de la tecnología de microsistemas en el siglo XXI/Tecnología de microsistemas, 1999, No. 1.
3. Bocharov L.Yu., Maltsev P.P. Estado y perspectivas para el desarrollo de sistemas microelectromecánicos en el extranjero/Tecnología de microsistemas, 1999, No. 1.
4. Maltsev P.P. y otros “Polvo inteligente” basado en tecnología de microsistemas/Tecnología de microsistemas, 2000, No. 4.
5. Rubtsov I.V., Nesterov V.E., Rubtsov V.I. Micro y mini robótica militar extranjera moderna/tecnología de microsistemas, 2000, 3.