Механика, лояльная к кремнию и нанотехнологиям

Микроэлектромеханика развивалась как отдельное направление полупроводниковой промышленности в течение 15-20 лет, однако при достижении пределов элементной интеграции в кристаллах это направление может возглавить диверсификацию CMOS-устройств и продлить славный путь кремния в электронике. Считается, что микроэлектромеханические системы позволят с минимальными затратами повысить чувствительность и механическую отдачу устройств на кристаллах. По предсказаниям экспертов, в ближайшие годы будет особенно интенсивно расширяться внедрение микроэлектромеханики в портативные медиаустройства (смартфоны, планшеты, ноутбуки).

Микроэлектромеханические системы (MEMS, MST, микромашины) — устройства из миниатюрных механических компонентов, интегрированных с микроэлектроникой, которые можно получать методами стандартной микрообработки.

Механическая составляющая часто представлена подвижными кронштейнами, консолями, мембранами, отверстиями, каналами и т.п. Размер устройств варьирует между единицами микрометров и миллиметрами, а основу обычно составляют микропроцессор и компоненты, взаимодействующие с окружающей средой. MEMS преобразуют механические воздействия в электричество (сенсоры) или проводят обратную трансформацию (актуаторы). Однако при рассмотрении приборов на основе этих систем подобное деление не всегда пригодно: в состав сложных сенсорных устройств могут входить MEMS-актуаторы, например.

Микромашины превосходят макроскопические аналоги по эффективности, в том числе экономической, обычно производятся хоть и по не слишком дешёвым и немного модифицированным, но отработанным кремниевым технологиям или же на основе полимеров. Для особых целей в ход идут металлы и керамика — например, устойчивый к биокоррозии нитрид титана (TiN) идеален при производстве биочипов, контактирующих со средами организма.

Кремниевые MEMS легко интегрируются со стандартными электронными устройствами управления и обработки данных. Различают два типа таких микросистем:

— гибридные: механическое устройство и отдельная микросхема размещены на общей подложке из кремния, стекла или кварца;

— монолитные: CMOS-микросхема и механические элементы интегрированы в одном кристалле. Последние отличаются более низкими издержками производства и корпусирования, причём один миниатюрный компонент может заменить тысячи традиционных элементов схемы.

«Профориентация» микроэлектромеханических систем

Раз микромашины так многолики, то и сферы их применения чрезвычайно разнообразны. В данном обзоре разделим MEMS на 3 функциональные категории и попытаемся перечислить точки приложения каждой из них.

1. Сенсоры — «интеллигенты-аналитики», высокочувствительные микромашины. Именно в сфере сенсорики трудится большинство выходцев из MEMS-лабораторий: например, миниатюрные датчики давления (кровяного или в покрышках автомобилей), температуры, влажности, радиации, магнитных полей, инерционных сил, химических веществ и т.п. Наиболее известные приборы на их основе — акселерометры и гироскопы в автомобилях, летательных аппаратах и мультироторах, в потребительской электронике (телефонах, цифровых камерах), микрофоны, «лаборатории на чипе», слуховые аппараты.

Акселерометры — детекторы ускорения — одна из самых ранних MEMS-разработок, которая сейчас используется в игровых приставках и во многих автомобилях для выпуска защитных подушек при столкновении.

Гироскопы — датчики переворота и элементы GPS-навигации в автомобилестроении, однако активное внедрение кремниевых гироскопов в медиаустройства тормозится сложностью корпусирования и дороговизной, связанными с базовой проблемой — высокой чувствительностью этих элементов к стрессовым воздействиям.

Уже в ближайшее время планируется создание мультисенсорных модулей с 10-ю степенями свободы, выполняющих одновременно функции трёхосевых акселерометра, гироскопа, магнетометра, а также сенсора давления.

Через пару-тройку лет обещают даже интеграцию всего перечисленного добра на одном кристалле. Но есть и обидные помехи, которые непременно нужно преодолеть, — высокая себестоимость таких химер, пресловутое проблемное корпусирование и ещё более проблемное тестирование.

Способность MEMS к преобразованию механических колебаний и вибраций в электрический ток используют в energy scavenging chips — датчиках, извлекающих энергию «из воздуха». Такие чипы пытаются применять в рамках подхода energy harvesting (производство и аккумуляция энергии из всевозможных природных стихий и прочих «халявных» воздействий). MEMS-чипы в этом смысле весьма перспективны для замены ординарных батареек и аккумуляторов в маломощных гаджетах, электронной одежде, медицинских устройствах для непрерывного функционального мониторирования.

Об определённых успехах заявляет, в частности, Texas Instruments. А британская фирма Perpetuum в 2013 году представила вибрационный «сборщик энергии» (VEH, Vibration Energy Harvester) — простой и некапризный датчик, измеряющий температуру и передающий эти данные по беспроводной связи оператору. Но самое интересное — всю необходимую для этого электроэнергию VEH сам вырабатывает из механических колебаний: он устанавливается на вращающиеся детали (например, колёса поездов). Собственно, и сослужить добрую службу он должен именно железнодорожникам, молниеносно фиксируя опасное повышение температуры в подшипниках вагонных колёс.

Большие надежды возлагаются и на «электронный нос», имитирующий обоняние животных и способный различать широкий спектр химических веществ в среде. Сейчас с этим справляются разнообразные спектрометры — крупногабаритные, стационарные и дорогие приборы. Очевидно, что для полевых и бытовых условий, для массового пользования, подойдут только дешёвые портативные аналоги. Но очень сложно подобрать какой-то один материал или универсальную технологию для идентификации разных молекул и калибровать по ним устройство. Но ничего фантастического в этой затее нет — решения рано или поздно найдутся.

2. Актуаторы, приспособленные к тяжёлому физическому труду, пока «выпускаются» ограниченно, но как и квалифицированные рабочие, они очень востребованы в промышленности. Наиболее часто в литературе обсуждаются подвижные микрозеркала, микроклапаны для контроля потока жидкостей или газа, микронасосы, элементы головок струйных принтеров для скоростной печати (Memjet), хирургические микроинструменты, микротранспортеры.

Микромеханические зеркала включают в «начинку» многоканальных коммутаторов оптоволоконных сетей, цифровых проекторов, телескопов и микроскопов. Ну и никуда не деться сейчас от всяких интернет-гаджетов: MEMS-зеркала успешно работают в технологиях создания пикопроекторов. При «доведении до ума» всех характеристик такие проекторы позволят визуализировать, например, собеседника при разговоре по телефону или фото/видео, проецируя картинку со смартфона на стену, одежду, лист бумаги. Однако приходится пока поломать голову над созданием эффективного источника света — энергоэкономичного, но обеспечивающего высокую яркость изображения.

Микроактуаторы также рекрутировали для точной подстройки магнитных головок, отвечающих за детекцию сигналов в накопителях на магнитных дисках. MEMS в данном случае позволяет повысить плотность информации «дорожка на дюйм», а потому и ёмкость накопителя.

Созданы и микроэлектромеханические актуаторы, способные работать как высокочастотные резонаторы.

3. Резонаторы или осцилляторы — перспективные «кадры» для синхронизации и фильтрации частот (в часах реального времени, портативной электронике, брелоках-ключах для автосигнализации и др.). Миниатюрные MEMS могут заменить целые узлы для широкополосных систем связи, снизив тем самым массогабаритные показатели, стоимость и энергопотребление устройств радиочастотной коммуникации.

Высокочастотные MEMS-осцилляторы (1-125 МГц) 2006 года выпуска от компании SiTime имели размеры 2×2,5×0,85 мм. Резонаторы семейства SiT15xx (1-32 кГц, 2013 год) оказались на 85% меньше, в 15 раз надёжнее и на 50% энергоэкономичнее, чем кварцевые аналоги. Кстати, даже первый кремниевый МЭМС-резонатор в пластмассовом корпусе SiT1052 позиционировался SiTime как заведомо бездефектный продукт. По мнению экспертов, MEMS-приборы способны вытеснить с рынка менее компактные и устойчивые к механическому шоку и вибрации, но более дорогие кварцевые осцилляторы. Благодаря разработке упаковки, совместимой с традиционной CMOS-архитектурой, новые MEMS-устройства активно приобретаются микроэлектронщиками, замещая кварц кремнием в технологиях синхронизации.

MEMS-приборы способны вытеснить с рынка менее компактные и устойчивые к механическому шоку и вибрации, но более дорогие кварцевые осцилляторы.

Все приведённые выше категории микромашин «встречаются» в мобильных интернет-устройствах. Симбиотические отношения в них выстраивают акселерометры (в смартфоне количество этих MEMS перевалило уже за десяток), гироскопы, микрофоны, радиочастотные переключатели и резонаторы. Возможно, в скором времени все они найдут применение и в компонентах систем «Умный дом», поспособствовав более широкому внедрению этих технологий в быт населения с невысокими доходами.

Тройку лидеров по производству MEMS-устройств формируют компании ST Microelectronics, Bosch и Texas Instruments.

В будущем много интересных решений ожидают от реализации на одном чипе систем «глаз (сенсор)-мозг (микросхема)-рука (актуатор)», способных одновременно чувствовать среду, управлять ею и проводить самотестирование, существенно снижая при этом стоимость конечного продукта.

Всё течёт, всё измеряется...

Особого внимания заслуживает направление, объединяющее MEMS с микро-/нанофлюидикой и прецизионным конструированием.

«Лаборатории на чипе» — одни из самых обсуждаемых и уже реализованных в несложных формах конструкций «MEMS-микрофлюидика». На чипах размером с кредитку (иногда и меньше) с целью диагностики заболеваний или загрязнений среды можно осуществлять комплексы параллельных и последовательных химических или иммунных реакций, разделяя и смешивая промежуточные продукты. Классические варианты lab-on-chip производят полимеразную цепную реакцию (ПЦР) для выявления ДНК возбудителей инфекций или обнаруживают с помощью иммобилизованных антител онкомаркеры, токсины, наркотики. Даже если предусмотрены дополнительные считыватели, эти устройства не только портативны, но и дёшевы, могут выпускаться в виде безумно простых в использовании одноразовых картриджей, проводящих реакции всего за минуты или часы. Такие преимущества особенно ценны в местностях, где нет оснащённых техникой и реактивами лабораторий. В Сингапуре в 2013 году, например, разработали портативный кит с чипом VereTrop, позволяющий по одному образцу крови диагностировать за несколько часов 13 тропических инфекций, многие из которых проявляются одинаковыми симптомами, а лечения требуют разного.

«Лаборатории на чипе» не только портативны, но и дёшевы, могут выпускаться в виде безумно простых в использовании одноразовых картриджей, проводящих реакции всего за минуты или часы.

На стадии разработки находятся устройства «MEMS-нанофлюидика». По словам С. Полонского (монолог на postnauka.ru), директора Института передовых технологий Самсунг (Россия), это направление «выстрелит» прежде всего в сфере секвенирования («чтения») ДНК, причём секвенирования в рамках персональной медицины. Поскольку геном каждого человека имеет свои особенности, то компенсация тех или иных патологий в идеале требует индивидуального подхода. Более того, при онкологических заболеваниях для назначения адекватной терапии желательно знать последовательности ДНК клеток конкретной опухоли конкретного человека. Для таких случаев очень подошли бы компактные, портативные и недорогие устройства с высокой чувствительностью.

Стандартизация технологий производства всегда снижает цену конечного продукта, это применимо и к устройствам «MEMS-нанофлюидика». Создавать наноканалы диаметром более 20 нм, интегрировать их с кремниевыми микросхемами можно совершенно стандартными способами. Сенсоры, усилители, микропроцессоры интегрируются с наноканалами монолитно. Эти наноканалы заполняются электролитом и по ним запускаются по разности потенциалов (электрофорез) или градиенту давления молекулы ДНК (как известно, они отрицательно заряжены). К системе подключают наноэлектроды и фиксируют, что мимо них проходит. Пока такие устройства «видят» только фрагменты ДНК, а не её элементарные частицы — нуклеотиды. Неизвестно, можно ли вообще добиться разрешения на уровне единичных нуклеотидов с помощью «электрических» методов. Возможный выход — гибридизация этой технологии с оптикой. В частности, эффект гигантского усиления оптического отклика наноструктурами (сигналов поверхностно-усиленного рамановского рассеяния [SERS] и люминисценции [SEL]) считается очень перспективным для создания суперчувствительных оптических биосенсоров.

По нанофлюидическим системам можно передавать не только ДНК, но и белки.

Секвенирование — это первый и вполне достижимый этап, в дальнейшем подобные системы планируется приспособить под органический синтез. Однако, как водится, всплывает большое НО: внедрение новых технологий ограничивается не только, а порой и не столько, научно-техническими недоработками или экономической нецелесообразностью. Бурное развитие методик секвенирования с постоянным удешевлением процесса сейчас замедлилось. Из компетентных источников известно, что несколько компаний монополизировали отрасль производства секвенаторов и новых реагентов, и это привело к прекращению падения цены в пересчёте на прочитанный нуклеотид (аналог бита информации). Судя по всему, монополисты скупают конкурирующие технологии «в зародыше», убивая таким образом отраслевую конкуренцию. А вместе с ней, кстати, и мечту о персональной медицине.

Несколько компаний монополизировали отрасль производства секвенаторов и новых реагентов, что привело к прекращению падения цены в пересчёте на прочитанный нуклеотид (аналог бита информации).

Не менее актуально и такое экзотическое приложение MEMS, как производство гибридных органов. Например, в Институте регенеративной медицины при Питтсбургском университете бьются над созданием биогибридных лёгких, имитирующих альвеолярный газообмен. Человек дышит посредством нагнетания воздуха в альвеолы (пузырьки) лёгких, покрытые густой сетью капилляров. Через стенку толщиной всего 0,5 мкм из альвеол в капиллярную кровь просачивается кислород, а обратно — углекислый газ, удаляемый из организма при выдохе. При поражениях лёгких (рак, эмфизема) нарушается целостность альвеол и страдает газообмен, что постепенно ведёт к смерти. Спрос на донорские лёгкие значительно превышает возможности трансплантологов.

Питтсбургский биогибрид, содержащий MEMS размером с пластиковую карту, симулирует альвеолы, обеспечивая тесный контакт между протекающей кровью и воздухом. Чип пронизан микроканалами, заполненными или воздухом, или кровью; эти среды разделены тончайшей мембраной, имитирующей стенку альвеол. Кровяные микроканалы выстланы слоем клеток из пуповины (в перспективе их планируют заменить собственными жировыми клетками пациента) для предотвращения сворачивания крови при небольшой скорости тока. Когда «наладят» функционирование таких минимальных ячеек, их интегрируют в крупные модули a la натуральные лёгкие, пригодные к имплантации или ношению на поверхности тела.

Микро-нано-симбиоз

Глубокое взаимопроникновение MEMS и нанотехнологий неизбежно. При переходе на следующий этап миниатюризации термин MEMS вообще сливается с NEMS — наноэлектромеханическими системами. Фактически взаимопроникновение наблюдается уже сейчас. Например, работа сканирующих атомно-силовых микроскопов, позволяющих изучать нанометровые объекты и манипулировать атомами и молекулами, по сути, основана на MEMS (кантилеверы — подвижные микробалки). Эти микроскопы могут, в свою очередь, использоваться при производстве микро- и наномашин. Интересно, что принципы работы атомно-силового микроскопа компания IBM использовала при создании накопителя с высокой плотностью хранения данных: энергонезависимая память Millipede (рус. многоножка) основана на записи и считывании битов информации в виде наноямок в полимерном слое посредством разогреваемых наномеханических зондов. Это очень напоминает работу с «ушедшими в историю перфокартами». Несмотря на возможность уплотнения до 1 Гбит на мм², Millipede пока не удаётся конкурировать с флэш- и другими «прокачанными» технологиями.

Наномашины строятся на базе транзистороподобной наноэлектроники с механическими компонентами и наиболее перспективны в качестве физических, химических и биологических сенсоров с максимальной разрешающей способностью (акселерометры, датчики загрязнений, зонды микроскопов). Из-за наномасштабов устройства характеризуются низкой массой, потенциально сильными квантовомеханическими эффектами, высоким отношением площади поверхности к объёму, резонансом в высокочастотном диапазоне. Всё это позволяет осваивать «целинные» технологические горизонты.

Фундаментальным материалом для NEMS стал углерод. Вернее, несколько его аллотропных модификаций — алмаз, углеродные нановолокна, графен. Они обладают уникальными механическими и электрическими свойствами: стабильны и благодаря различной проводимости могут работать «транзисторами» или проводами. NEMS-переключатели можно использовать как автономно, так и в составе гибридных NEMS-CMOS-устройств. Такие переключатели потребляют минимум энергии и устойчивы к высоким температурам и радиации, однако пока не удалось добиться их надёжного функционирования в течение миллионов циклов, что просто необходимо для потребительской электроники.

Прототипы нанотранзисторов уже получены на базе углеродных нанотрубок и графена.

В NEMS-переключателях углеродные нанотрубки или нанопроволоки под действием электростатических сил механически отклоняются, устанавливая или прерывая контакт с электродами. Нанотрубки (одиночные или в сетях) могут служить датчиками для обнаружения единичных молекул в газовой среде или растворах, каналами или сосудами для биоактивных веществ.

Однако для воплощения углеродных наномашин в жизнь требуется серьёзная перестройка стандартной электронной архитектуры. Также предстоит в совершенстве освоить сложные правила электронного движения в графене. Определённые успехи в этом направлении уже достигнуты. Например, сотрудники Колумбийского университета (США) в 2013 году объявили о создании самого миниатюрного в мире FM-радиотрансмиттера — наноэлектромеханической системы (осциллятора) на основе графена. Монослойный графеновый канал в ней играет роль нанорезонатора, а генерируемая им частота может модулироваться в пределах 14% путём изменения электрического поля затвора. Устройство легко включается в состав чипа и обычные электрические схемы, экономя много места по сравнению с обычными внекристалльными резонаторами.

При написании использовался в том числе и обзор «Направления развития технологии микроэлектромеханических систем» Института проблем развития науки РАН (по материалам международной дорожной карты технологического развития полупроводниковой промышленности 2011 года).

Обзоры по MEMS на русском языке можно найти на сайтах www.3dnews.ru и www.micromachine.narod.ru.

Ольга Волкова.

© ИВФ «Микротех», полное или частичное копирование материала без указания прямой ссылки на первоисточник запрещено.

Просмотров - 10784 Добавлено - 18 января 2015