`

СПЕЦИАЛЬНЫЕ
ПАРТНЕРЫ
ПРОЕКТА

Архив номеров

Как изменилось финансирование ИТ-направления в вашей организации?

Best CIO

Определение наиболее профессиональных ИТ-управленцев, лидеров и экспертов в своих отраслях

Человек года

Кто внес наибольший вклад в развитие украинского ИТ-рынка.

Продукт года

Награды «Продукт года» еженедельника «Компьютерное обозрение» за наиболее выдающиеся ИТ-товары

 

Микро-Электро-Механика

0 
 
Программа национальной нанотехнологической инициативы США (NNI, National Nanotechnology Initiative) еще не завершена, но уже сейчас оценивается специалистами как вполне благополучная и даже удачная. По мнению ведущих теоретиков и практиков, специализирующихся на создании микроэлектромеханических систем (вместо этого неудобопроизносимого термина лучше использовать аббревиатуру MEMS -- MicroElectroMechanical Systems), современное состояние MEMS позволяет говорить о том, что мы уже имеем дело скорее с развитой технологией, чем с объектом исследований. Между тем MEMS остается своеобразной terra incognita для любопытных пользователей различных высокотехнологичных устройств: если о традиционных полупроводниковых микросхемах (процессорах, памяти и т. д.) знают хотя бы что-нибудь все, то о MEMS-чипах никто ничего и не слышал. Получается забавная ситуация: с одной стороны, огромная отрасль индустрии, о существовании которой известно очень мало...


Немного предыстории

Микро-Электро-Механика
Фотография кристалла двухосевого MEMS-акселерометра компании Analog Devices. Несмотря на вполне "космическое" оснащение интегрированной электроникой, этот акселерометр широко используется в... стиральных машинах с частотой вращения барабана свыше 800 об/мин -- для предотвращения вибрационного разрушения механизмов машины
MEMS возникла не на ровном месте. Фактически она эволюционировала параллельно полупроводниковой технологии. Судите сами: во второй половине 40 х годов прошлого столетия уже была открыта основа ключевых технологических процессов для создания MEMS-устройств и современных полупроводниковых приборов -- анизотропное травление кремния. В современной MEMS-технологии этот прием позволяет получать "отсоединенные" от подложки (полупроводникового кристалла, на котором реализуется устройство) микродетали за счет предварительного формирования и последующего удаления травлением специальных "жертвенных" слоев. Сегодня с помощью анизотропного травления можно, например, едиными технологическими приемами создать на кристалле микросхемы неподвижный вал с надетой на него свободно вращающейся шестерней.

Вторая важнейшая предпосылка MEMS появилась буквально через несколько лет после разработки техники анизотропного травления: 1 апреля 1954 г. в журнале Physical Review доктор Чарльз С. Смит опубликовал статью с результатами своих, более чем годичной давности, исследований пьезорезистивного эффекта в полупроводниках -- германии и кремнии. Ученый открыл, что изменение электрического сопротивления кристаллов этих полупроводников при приложении механической нагрузки к ним может быть в несколько десятков раз большим, чем, например, для металлов. Естественно, открытие Смита не осталось незамеченным, и всего через четыре года после публикации уже несколько компаний серийно выпускали полупроводниковые тензодатчики. С 1958 г. начинается первый этап микроэлектромеханической гонки, заканчивающийся в 1971 г., когда в университете Case Western Reserve была произведена фактически первая полностью твердотельная завершенная MEMS -- датчик давления с цифровым выходом. В этой микросхеме анизотропным травлением был создан отсоединенный от подложки приемник давления -- кремниевая диафрагма с резистивным датчиком, и на том же кристалле реализованы все необходимые для превращения тока через датчик в частоту импульсного сигнала электронные схемы. Такое объединение -- датчика (или исполнительного механизма -- актуатора, или одновременно датчика и актуатора) и управляюще-обрабатывающей электроники в выпускаемом за один технологический цикл устройстве и стало, пожалуй, важнейшей особенностью MEMS. Ведь оно означает великолепную повторяемость -- то, что, по большому счету, и отличает продукт технологии от произведения искусства. Правда, не следует воспринимать "великолепие" повторяемости как нечто самой собой разумеющееся и данное свыше: первая MEMS оказалась излишне чувствительной и подверженной действию всевозможных помех, что стимулировало дальнейшие исследования и в конце концов создание MEMS, датчики которых основываются на других физических принципах.

Однако технологические предпосылки -- это далеко не всегда самое главное. Главной идеологической предпосылкой MEMS считается речь великого физика Ричарда Фейнмана "Более чем достаточно места за пределом", произнесенная им в Калифорнийском технологическом институте на ежегодном собрании Американского физического общества в конце 1959 г. Стоит сказать о том, что распространенный перевод названия ("There's Plenty of Room at the Bottom") этого опубликованного в 1960 г. короткого выступления не учитывает контекстной семантики слова "bottom", подчеркнутой в первом же предложении, где Фейнман говорит об отсутствии предела, ограничения для физиков-экспериментаторов, добивающихся сверхвысоких давлений или сверхчистого вакуума (в качестве эпитета, подчеркивающего это, он использует слово bottomless). "Возьмем некую машину, -- говорит Фейнман, -- к примеруавтомобиль, и зададимся вопросом, что мешает нам создать бесконечно малую ее копию? Допустим, конструкция какого-то реального автомобиля требует определенной точности изготовления его деталей, например0,0004 дюйма (порядка 0,01 мм)... Если мы можем отобразить такую ошибку изготовления (0,0004 дюйма) в, скажем, ошибку на уровне 10 атомов, это позволит уменьшить габариты автомобиля в 4000 раз и сделать его работоспособную копию длиной примерно 1 мм. Очевидно, что если вы создадите такую конструкцию машины, которая будет менее чувствительна к точности деталей (что, в общем, не является невыполнимой задачей), вы получите возможность сделать еще меньшую копию (при той же точности копирования)". Эти слова Фейнмана полностью определяют два основных пути развития MEMS -- снижение погрешности изготовления отдельных микродеталей за счет совершенствования технологии производства и создание основанных на совершенно иных (по сравнению с макроаналогами) физических принципах деталей.

В истории развития MEMS-технологии, по мнению ведущих современных специалистов, можно выделить четыре уже пройденных этапа. На первом непродолжительном этапе -- исследовательском (с середины 50 х до начала 60 х годов прошлого столетия) -- основные усилия к формированию облика будущей технологии приложили как научные подразделения крупных компаний (в первую очередь знаменитая Bell Laboratories), так и собственно промышленные компании и академическая наука. Специфика этого периода заключается в том, что главное внимание уделялось востребованным во времена холодной войны технологиям двойного назначения, прежде всего созданию точных и дешевых датчиков различных типов (проектирование перспективных реактивных боевых самолетов, например, требовало проведения значительного числа экспериментов), пригодных к массовому производству. Неудивительно, что второй этап развития технологии связывают исключительно с мощными промышленными (или даже точнее -- с военно-промышленными) компаниями: знаменитые Fairchild, Westinghouse, Honeywell спешили коммерциализировать первые экспериментальные наработки. На коммерциализацию ушли долгие 10 лет -- и только к началу семидесятых годов академическая наука стала получать целевое финансирование от промышленности для решения задач сокращения стоимости и расширения областей применения MEMS-устройств. Еще через десять лет этот этап был преодолен -- и наступила очередная "десятилетка" микромашинного производства. С конца девяностых годов прошлого века длится, можно сказать, микромеханическая эпоха. И при этом даже искушенным пользователям hi-tech-устройств о ней практически ничего не известно.


Продукция MEMS

Огромная область применения MEMS-устройств -- техника сверхвысокочастотной (СВЧ) связи. Впрочем,не следует думать, что речь идет о чем-то совершенно заоблачном. В СВЧ-диапазон попадают и такие массовые устройства, как обычные оснащенные Bluetooth КПК, мобильные телефоны и системы радиочастотной поддержки электронной торговли (например, злополучные RFID). И без серьезных успехов в сфере производства микроэлектромеханических устройств вряд ли можно было бы говорить о массовой доступности продукции, в той или иной мере попадающей в категорию с меткой "СВЧ". Причины этого просты -- на сегодняшний день только MEMS-компоненты позволяют одновременно расширить диапазон рабочих частот аппаратуры, практически свести к нулю количество необходимых для нее дискретных компонентов и, наконец, использовать для производства отработанные технологии, совместимые с развитыми технологическими процессами изготовления "традиционных" монолитных микросхем. Забавно, но факт:несмотря на столь очевидные достоинства MEMS, многие мощные компании, специализирующиеся на продукции, ориентированной на аппетитный рынок товаров потребительского назначения, довольно долго игнорировали MEMS-технологию. Так, например, в Intel до прошлого года просто не знали, где перспективно применить MEMS-технологию -- в этом почти год назад признался глава подразделений сотовой связи и карманных ПК Сэм Ардити. Правда, данное признание прозвучало во время анонсирования исключительно важного узла мобильного телефона -- входной цепи СВЧ. Благодаря использованию такой MEMS-"микросхемы" разработчики освобождаются от необходимости закупать почти полсотни пассивных элементов и решать непростые вопросы трассировки высокочастотных плат. При этом существенно уменьшаются габариты телефона и его себестоимость -- ведь MEMS-чип почти не нуждается в послесборочной настройке.

Кроме микроскопического исполнения традиционных элементов маломощных сверхвысокочастотных цепей, MEMS позволяет реализовать и вещи куда менее тривиальные. Вот, казалось бы, несложная задача -- коммутация входного сигнала в схеме, работающей не просто с высокочастотными, но еще и со сверхширокополосными сигналами. Это как раз та область, в которой располагаются совершенно доступные на сегодняшний день Bluetooth-оснащенные устройства. Создать эффективный "переключатель" для таких сигналов -- дело слишком непростое. Механические реализации подобных "тумблеров" получаются громоздкими (по меркам потребительской техники), а сугубо электронные не получаются вообще: транзисторы и прочие активные элементы не очень-то "любят" сверхширокополосные сигналы. Зато реализованная с помощью MEMS-технологии микроконтактная группа, приводимая в движение сверхмикроскопическим электрическим двигателем, оказывается более чем подходящим решением. И такие "миросхемы" производятся в огромных количествах.

Но пока мы говорили о сугубо "электронных" ролях MEMS-устройств. Эта "электронность" заключается в том, что их входные и выходные сигналы имеют гальваническую (токовую или электромагнитную) природу. И если здесь MEMS-технологии находят разнообразные области применения, то уж в "не совсем электронных" областях, с которых начиналась история MEMS, счет выпущенных устройств ведется на десятки миллионов (!) в год. В первую очередь речь идет о разнообразных датчиках. Только одна компания Analog Devices поставляет в год более полусотни миллионов MEMS-датчиков ускорения -- акселерометров. Эти "микросхемы"-- обязательный элемент любого современного автомобиля, и от качества их изготовления в значительной мере зависит пассивная безопасность вождения, ведь MEMS-акселерометры используются в системах активации подушек безопасности. Но и в обычном массовом ПК им находится достойное место: в современных накопителях на жестких магнитных дисках акселерометры позволяют избегать потери головкой дорожки из-за ее ротационных перемещений. В самих головках дисковых накопителей также применяются MEMS-чипы, но уже не датчики, а исполнительные механизмы -- актуаторы. Благодаря микрокоррекции положения магнитной головки увеличивается точность ее позиционирования над дорожкой, что позволяет достичь более высокой плотности записи.

Еще с одним весьма обширным классом MEMS-устройств на самом деле хорошо знакомы все пользователи струйных принтеров. Более того,печатающая головка струйного принтера считается первым массовым MEMS-продуктом, проникшим на рынок потребительских товаров. Однако мало кто знает, что тот же принцип, который используется в термопечатающих головках принтеров, применяется и в сверхбыстродействующих оптических MEMS-коммутаторах. Фирма Agilent Technologies выпускает именно такие коммутаторы -- в них микроскопический резистор мгновенно нагревает до испарения находящуюся в прозрачном капилляре жидкость, отчего изменяются оптические свойства капилляра -- благодаря этому осуществляется собственно "переключение" (точнее,преломление) направленного на капилляр луча.

Образчиком великолепия MEMS-технологии можно назвать микроэлектромеханический аналог гироскопа. В конце 2002 г. компания Analog Devices впервые представила на рынке выполненную в традиционном конструктиве для массового производства (BGA) маленькую (размером всего 7x7 мм) микросхему... гироскопа. До этого события (а сегодня появление MEMS-гироскопов можно считать действительно технологическим событием) гироскопическое измерение положения объектов в пространстве было доступно разве что в областях, где жалеть денег на необходимое не принято. Да оно и понятно:механические гироскопы даже с большой натяжкой нельзя было отнести ни к экономичным, ни к технологичным устройствам (вращающийся с частотой несколько десятков тысяч оборотов в минуту ротор гироскопа требовал очень дорогостоящих прецизионных механических работ над всеми узлами конструкции). Второй известный вариант исполнения --лазерные гироскопы -- также перспективным для массового рынка не является ввиду технологической сложности. Зато тридцатидолларовый, потребляющий всего 5 мВт гироскоп-микросхема от Analog Devices -- это действительно революция. На его основе можно серийно производить и совершенно новые интерфейсные устройства для персональных компьютеров и рабочих станций, и даже "умные"... наушники, учитывающие положение головы слушающего и вносящие коррективы в синтезируемую объемную звуковую картину для придания большей реальности, например, компьютерным играм.

Еще один знаменитый массовый образец MEMS-технологии скрывается в любом DLP-проекторе. "Микросхема", реализующая одновременно матрицу микрозеркал с индивидуальными приводами каждого зеркала и управляющую электронику, по сути, является настоящим MEMS-шедевром. А благодаря технологичности процессов производства MEMS-устройств проекционная техника на основе DLP-технологии становится все более доступной. По крайней мере, аналитики, оценивающие "проникновение" MEMS-технологии на массовый рынок, считают, что в прогнозируемом на ближайшие два года 20 кратном росте (!) емкости сегмента MEMS-устройств для потребительской электроники одно из первых мест достается DLP-чипам.

Если в области развлечений успешность устройства можно измерять "удовольствием" потребителей, то в сельском хозяйстве оперируют показателями более определенными -- по данным исследовательских лабораторий гиганта агропромышленности Caterpillar, инвестиции в MEMS-системы специфического сельскохозяйственного назначения более чем прибыльны. Так, использование персонального для каждого куста (!) томатов MEMS-контроллера, с помощью игольчатого зонда наблюдающего за концентрацией в стебле питательных веществ и управляющего с помощью MEMS-микродозатора впрыском специальных препаратов и веществ, позволяет увеличить доход, получаемый с одной теплицы, выращивающей томаты, на 16 тыс. долл. за один урожай. Не менее эффективными считаются и автономные MEMS-датчики влажности почвы, используемые в масштабных ирригационных проектах. В этих устройствах применяются созданные в интересах военных технологии -- в первую очередь, автономные MEMS-генераторы электрической энергии, предназначенные для питания всей электроники.

Еще одна обширная область применения MEMS--это, естественно,медицина. Здесь спрос на MEMS-датчики давления и анализаторы химического состава жидкостей измеряется также сотнями миллионов долларов в год. Большие надежды возлагаются на MEMS-устройства, позволяющие задействовать новые технологии для лечения различных заболеваний. Так, имплантируемый MEMS-дозатор инсулина, например, может облегчить жизнь больных сахарным диабетом. Проведены успешные операции, благодаря которым у людей частично восстановлено зрение. И в перечне использованных заменителей биологических органов также не последнее место занимают MEMS-чипы.


В ожидании взрыва

Несмотря на то что за последние четыре года емкость потребительского рынка MEMS-технологий увеличилась в 40 раз, настоящий взрыв их популярности еще впереди. С ростом вычислительных мощностей и доступности компьютеров постепенно все более важной становится совершенно забытая область -- взаимодействие этих мощных и доступных компьютеров с реальным миром: созданные по классическим технологиям исполнительные механизмы (актуаторы) и датчики до сих пор не позволяли добиться аналогичной массовости. MEMS-технология в силу приближенности к доказавшей свою успешность традиционной полупроводниковой технологии наконец-то устраняет этот барьер. А за барьером, отделяющим биты цифровой логики от находящейся в вечном движении реальности, действительно более чем достаточно места...
0 
 

Напечатать Отправить другу

Читайте также

 
 
IDC
Реклама

  •  Home  •  Рынок  •  ИТ-директор  •  CloudComputing  •  Hard  •  Soft  •  Сети  •  Безопасность  •  Наука  •  IoT