Микросистемная спецтехника: интеграция иминиатюризация в одном флаконе..
УКОВ Вячеслав Сергеевич, кандидат технических наук
МИКРОСИСТЕМНАЯ СПЕЦТЕХНИКА: ИНТЕГРАЦИЯ И МИНИАТЮРИЗАЦИЯ В ОДНОМ ФЛАКОНЕ
Рассматриваются современные возможности повышения эффективности специальных технических средств за счет использования новых микросистемных технологий.
Характерной тенденцией мирового технологического развития последнего десятилетия явилось зарождение интегральных, в том числе, микросистемных технологий (МСТ) [1]. Инициирующим фактором, способствующим динамичному развитию микросистемной техники, стало появление так называемых микроэлектромеханических систем – МЭМС, в которых гальванические связи находятся в тесном взаимодействии с механическими перемещениями [2]. Особенностью МЭМС является то обстоятельство, что в них электрические и механические узлы формируются из общего основания (например, кремниевой подложки), причем, в результате использования технологии формирования объемных структур обеспечивается получение микросистемной техники с высокими оперативно-техническими характеристиками (массо-габаритными, весовыми, энергетическими и др), что сразу же привлекло к себе внимание специалистов – разработчиков спецтехники.
Анализ рынка микросистемной техники
Интеграция достижений в области электроники, механики, информатики и измерительной техники, объединенных тенденцией к микроминиатюризации, определили зарождение новых интегральных микросистемных технологий в конце 80-х – начале 90-х годов прошлого века. Огромное количество университетов и коммерческих компаний США и Японии сконцентрировало свои усилия на развитии технологий МЭМС. Анализ динамики рынка МЭМС, выполненный NEXUS (органом Европейской Комиссии), показал, что объем рынка увеличивается ежегодно в среднем на 18% и составляет в настоящее время свыше 40 млрд. долларов Более подробно структура рынка МЭМС приведена на рис. 1.
Рис. 1. Структура мирового рынка микросистемной техники
Необходимо отметить, что за последние годы были разработаны новые классы МЭМС на основе кремния, которые обеспечили революционное внедрение новых технических средств сотовой связи и оптоэлектроники, в том числе:
- Радиочастотные МЭМС-фильтры для сотовых телефонов, обеспечивающие в диапазоне частот 3…300 МГц высокую добротность – 200…300 (вместо 20…30 в микроэлектронном исполнении);
- Микрозеркальные коммутаторы (2х2,1х4 мм) для оптоволоконных каналов связи на частоты 3…30 ГГц.
В 90-е годы ХХ века к соперничеству двух мировых лидеров в области МЭМС (США и Япония) активно подключились страны Европы и Юго-Восточной Азии. Так например количество университетов и коммерческих компаний, занимающихся исследованиями и разработкой в области создания МЭМС, в Германии к 1997 году стало в 1,5 раза больше, чем в США и практически сравнялось с Японией. В 1998 году по заказу управления перспективных исследований Министерства обороны США впервые была принята программа по МЭМС, которая называлась “MEMC Microelektromechanical Systems”. На развитие этой программы США ежегодно выделяет по 35 млн. долларов, что превышает подобные инвестиции других стран.
Основные направления и особенности развития изделий микросистемной техники
Таблица 1. Основные направления и особенности развития изделий микросистемной техники
| Наименование | Страна | Разработчик | Особенности | Примечание |
| SEIMS – Sandia Embedded Micromechanical Systems | США | Лаборатория “Сандия” | Разработанная технология обеспечивает создание МЭМС с минимальной топологией 0,5 мкм | В лаборатории организованы отделения робототехники и искусственного интеллекта |
| Оптический переключатель-мультиплексор | США | Лаборатория “Сандия” | Выполнен на основе МЭМС с набором из 250 микрозеркал по технологии Summeit-Vsurface MEMS | Готовится переключатель, состоящий из 1000 микрозеркал |
| Чувствительные элементы датчиков на основе карбида кремния | Россия | ЛЭТИ | Датчики обеспечивают линейность измерительных характеристик до температуры 450о С | Аналогичные зарубежные кремниевые приборы обеспечивают максимальную температуру до 125? С |
| Микроэлектромеханический спектрограф | США | Окриджская лаборатория | Имеет объем 6 см3, что в три тысячи раз меньше его неинтегрального аналога | Может применяться в мониторинговых и аварийных системах безопасности химических предприятий |
| Прототип ЛНК (“Лаборатории на кристалле”) | США | Массачусетский технологический институт | Содержит 34 микрорезервуара по 24 нл, сформированных методом сквозного травления кремниевых подложек и закрытых золотыми мембранами толщиной 0,3 мкм | По оценке специалистов, может привести к революции в приборостроении (для анализа ДНК человека или контроля вредных веществ) |
| Особо стойкие МЭМС | США | Ливерморская лаборатория | Разработанные МЭМС обеспечивают особую стойкость к радиационным, химическим и тепловым воздействиям | Получение особостойких МЭМС обеспечивается применением карбида кремния в качестве исходного материала |
| Миниатюрный летательный аппарат “Black Widow” | США | Кооперация организаций
и фирм |
Размах крыльев – 15 см; вес – 80 г; высота полета – 230 м; скорость – 70 км/ч; время полета – 30 мин; КПД двигателя – 82%; две видеокамеры по 2 г каждая | Обеспечивает передачу видеоизображения на расстояние до 2 км в реальном масштабе времени |
Следует подчеркнуть, что в России термин “микросистемная техника” стал использоваться в официальных документах после принятия в 1996 году перечня критических технологий Федерального уровня. Микросистемная техника включена в список приоритетных направлений развития науки и техники на 2001 – 2010 гг.
Основой развития МЭМС является микроэлектронная технология, которая применяется практически во всех изделиях на основе кремния. К сожалению, отечественная микроэлектронная промышленность не может сейчас похвастать большими достижениями. Однако большим положительным фактором является то, что в настоящее время для МСТ можно широко применять существующую российскую микроэлектронную технологию. Поэтому отечественными специалистами уже получены интересные результаты в этой области. В настоящее время увеличилось число российских научных коллективов, занимающихся наномеханикой наноинструментами, нанотрубками и фотонными кристаллами.
Анализ современного рынка оборудования для МСТ показывает, что последний формируется за счет активного развития биотехнологии на фоне борьбы с терроризмом, ужесточения требований к работе с радиоактивными, токсичными и взрывоопасными веществами, что вызывает переход на использование сверхмалых количеств веществ в ограниченных объемах и создания “лабораторий на кристалле” и биочипов [4, 5]. Возможные направления использования технических средств МЭМС и МСТ для решения специальных задач приведены в табл. 2.
Таблица 2. Возможные направления использования МЭМС в специальной технике
| Микросистемная техника | Направление разработок | Направление использования в специальной технике |
| Микроэлектромеханические системы и машины | Микромеханизмы, микропривод, микродвигатели | Специальная робототехника |
| Оптико-механические микросистемы | Микрооптика, оптико-механические интегральные схемы | Спецсвязь, акустический контроль и др. |
| Биотехнические микросистемы | Миниатюрные автономные системы для диагностики организма и замещения органов | Специальные средства антитеррора |
| Микросистемы энергообеспечения | Автономные миниатюрные источники энергии, микротурбины, микросистемы рекуперации энергии | Специальные технические средства |
| Сенсорные микросистемы | Мультисенсоры, интеллектуальные сенсоры, сенсоры с обратной связью | Защита информации, объектов и личности |
| Микроаналитические системы | Миниатюрные аналитические приборы | Современные криминалистические средства |
| Технологические микросистемы | Микрореакторы, микроинструмент, микрорегуляторы, микронасосы | Специальный инструмент |
| Мини- и микро- робототехнические системы | Автономные многофункциональные диагностические и технологические мини-системы специальных условий эксплуатации | Специальная робототехника |
Необходимо отметить, что активному развитию микросистемной техники в России способствуют три основных обстоятельства:
- наличие базового оборудования, производственных мощностей и организационной инфраструктуры микроэлектронного производства, пригодных для реализации на них объектов микросистемной техники (при существующем уровне технологии в 1…10 мкм);
- наличие научной и технологической культуры (в первую очередь, в области микро- и оптоэлектроники);
- обширный рынок сенсорных систем различного направления (в том числе, в области обеспечения безопасности).
Перспективы дальнейшей интеграции микросистемной техники
Как уже указывалось выше, в становлении МЭМС наибольшее влияние оказал процесс интеграции современных средств, систем и технологий, поэтому для оценки перспектив развития МЭМС воспользуемся коэффициентом уровня интеграции К = Т х М, где Т – число транзисторов, а М – число механических компонент [3]. Состояние и перспективы интеграции микросистемной техники показаны на рис. 2.
Рис. 2. Состояние и перспективы интеграции микросистемной техники:
1 – большинство существующих МЭМС;
2 – акселерометр ADXL-50;
3 – оптомеханические дисплеи DMD;
Представленный рисунок хорошо иллюстрирует интеграционные возможности микросистемной техники. Так например для серийно выпускаемого акселерометра ADXL-50, изготавливаемого по технологии с топологическими нормами 2-10 мкм (содержащего 100…200 транзисторов и 1 механический элемент) коэффициент интеграции Т х М = 102, а для чипа микрозеркального дисплея (1 млн. механических элементов экрана и 1 млн. управляющих транзисторов) получим Т х М =1012. Аналогично построены и другие области интеграции.
Теперь подошло время “заземлиться”, т.е. спуститься с микросистемных небес на грешную Землю и рассмотреть более подробно конкретные разработки, реализованные в реальных образцах техники.
Практическая реализация микросистемных технологий
Монолитные акселерометры
Совмещение функций различных датчиков в одном приборе, включающем схему формирования сигналов, микропроцессорное и запоминающее устройства, открыло путь к созданию универсальных кибернетических “рецепторов”. В разработке и производстве полностью монолитных акселерометров наибольших успехов добилась компания Analog Devices, которая в 1991 г. первой в мире освоила серийное производство полностью интегрированного монолитного одноосного акселерометра ADXL50, объединяющего в себе формирователь сигнала и схему автономного тестирования. Для формирования чувствительного элемента датчика была применена технология тонкослойного травления, получившая название интегральная микроэлектромеханическая система iMEMS (Integrated Vicro-Electro-Mechanical Systems). Эта технология и позволила компании Analog Devices занять лидирующее положение на рынке акселерометров (рис. 3).
Рис. 3. Соотношение “стоимость – разрешение” для разных типов акселерометров
Нанесение тонкослойного поликристаллического кремния на оксидную подложку с ее последующим травлением совместимо с технологическими приемами, применяемыми в производстве ИС, что позволяет конструировать сенсорные устройства, интегрированные на одном кристалле. Именно на этом пути компании Analog Devices удалось в последние годы разработать одно- и двухосные акселерометры ADXL150 и ADXL250, имеющие высокую точность (относительная погрешность 0,02%) и весьма привлекательную стоимость. Впервые проникнув на рынок автомобильной промышленности в качестве командных датчиков подушек безопасности, эти акселерометры сейчас все шире используются в основных узлах современных автомобилей, в том числе, антиблокировочных системах тормозов, системах охраны и сигнализации, автоматической коррекции наклона фар, управления активной подвеской и многих других системах. Перспективно их применение в так называемых “черных ящиках”, непрерывно регистрирующих параметры движения автомобиля.
Интегральные гироскопы в микросхеме ADXRS
Этот гироскоп компании Analog Devices является первым коммерчески доступным прибором, который объединил на одной пластине кремния датчик угла поворота и электронику обработки сигнала. Разработчики использовали технологию iMEMS. За счет этого удалось сделать гироскоп более точным, более надежным, более экономичным и миниатюрным, чем любой другой датчик угла поворота аналогичного класса. Микросхема помещена в корпус с шариковыми выводами, размеры которого составляют 7х7х3 мм. При питании 5 В потребляемая мощность составляет всего 30 мВт. Микросхема обеспечивает стабильный выходной сигнал даже при наличии механических шумов до 2000g в широком диапазоне частот. В приборе предусмотрено устройство самопроверки механической и электрической частей. Внешний вид кристалла микросхемы приведен на фото 1.
Фото 1. Внешний вид кристалла микросхемы гироскопа.
Гироскоп выпускается в двух модификациях (с динамическим диапазоном 1500/c и 3000/c). Применение этой микросхемы позволит увеличить точность и надежность приборов системы глобального местоопределения, а также контролировать перемещение различных движущихся средств: автомобилей, самолетов, промышленных роботов, антенн, промышленного оборудования.
Специальные интеллектуальные датчики
Использование МЭМС-технологий в современных электронных системах позволяет значительно увеличить их функциональность. Используя технологические процессы, почти не отличающиеся от производства кремниевых микросхем, разработчики МЭМС — устройств создают миниатюрные механические структуры, которые могут взаимодействовать с окружающей средой и выступать в роли датчиков, передающих воздействие в интегрированную с ними электронную схему. Именно датчики являются наиболее распространенным примером использования МЭМС-технологии: они используются в гироскопах, акселерометрах, измерителях давления и других устройствах.
В настоящее время почти все современные автомобили используют рассмотренные выше МЭМС-акселерометры для активации воздушных подушек безопасности. Микроэлектромеханические датчики давления широко используются в автомобильной и авиационной промышленности. Гироскопы находят применение во множестве устройств, начиная со сложного навигационного оборудования космических аппаратов и заканчивая джойстиками для компьютерных игр. МЭМС — устройства с микроскопическими зеркалами используются для производства дисплеев и оптических коммутаторов (фото 2).
Фото 2. Элемент микрозеркальной матрицы оптических коммутаторов.
Микрокоммутаторы и резонансные устройства, выполненные по МЭМС-технологии, демонстрируют меньшие омические потери и высокую добротность при уменьшении потребляемой мощности и габаритов, лучшей повторяемости и более широком диапазоне варьируемых параметров. В биотехнологии применение МЭМС-устройств позволяет создавать дешевые, но производительные однокристальные устройства для расшифровки цепочек ДНК, разработки новых лекарственных и других специальных препаратов (“лаборатория на кристалле”). Кроме того, необходимо также отметить емкий рынок струйных принтеров, в катриджах которых используются микрожидкостные МЭМС-устройства, создающие и выпускающие микрокапли чернил под управлением электрических сигналов.
В заключение отметим, что, по мнению экспертов, развитие микросистемной техники (особенно для России) может иметь такое же влияние на научно-технический прогресс, какое оказало появление микроэлектроники на становление и современное состояние ведущих областей науки и техники.
Литература
1. уков В.С., Водолазкий В.В. Современные технологии безопасности. М.: Нолидж”, 2000.
2. Климов Д.М. и др. Перспективы развития микросистемной техники в ХХI веке/Микросистемная техника, 1999, №1.
3. Бочаров Л.Ю., Мальцев П.П. Состояние и перспективы развития микроэлектромеханических систем за рубежом/Микросистемная техника, 1999, №1.
4. Мальцев П.П. и др. “Умная пыль” на основе микросистемной техники/Микросистемная техника, 2000, №4.
5. Рубцов И.В., Нестеров В.Е., Рубцов В.И. Современная зарубежная военная микро- и мини-робототехника/Микросистемная техника, 2000, 3.