Микроэлектромеханические системы (MEMSs)

Хотя микроэлектромеханические системы формально не подпадают под предмет нанотехнологии, полезно кратко обсудить их в начале главы, потому что они да­ют представление о весьма развитой технологии, которая зачастую может приме­няться и в наношкале.

Обширная инфраструктура, созданная для производства кремниевых интег­ральных схем, сделала возможным разработку машин и устройств, имеющих ком­поненты нанометровых размеров. Для создания MEMS используются литографи­ческие методы, описанные в предыдущих главах, а также процессы физического и химического осаждения металлов. По определению микроэлектромеханические системы должны иметь дело с механическими откликами на электрические воз­действия или, напротив, с электрическими откликами на механическую деформа­цию, однако в действительности их возможности гораздо шире.

Главные преимущества MEMS-устройств — это миниатюрность, простота из­готовления и размещения в больших количествах на одном чипе, а также воз­можность их интеграции в микроэлектронику. Простота и невысокая себестои­мость при крупносерийном производстве, к примеру, позволила создать датчики нанометровых размеров для активации воздушных подушек безопасности в ма­шинах. Ранее соответствующее электромеханическое устройство было размером с банку газированной воды, весило несколько фунтов и стоило около 15 долла­ров. Используемые в настоящее время датчики, основанные на MEMS-устройствах, имеют размеры с десяти центовую монету и стоят несколько долларов. Разме­ры и способы изготовления MEMS-устройств позволяют интегрировать их непо­средственно в микроэлектронный чип. В следующих параграфах будет дано несколько примеров MEMS-устройств и описана их работа. Но прежде чем пе­рейти к этому, рассмотрим, что известно об отличиях между механическим пове­дением машин в макро- и наномире.

В наномасштабных объектах отношение площади поверхности к объему дета­ли много больше, чем у устройств обычных размеров. Это повышает роль трения по сравнению с инерцией. В макромире бильярдный шар продолжает катиться после удара, потому что трение между шаром и столом менее существенно, чем инерция его движения. В нанокомпонентах отношение площади поверхности к объему может быть настолько велико, что и чисто поверхностные эффекты ста­новятся очень значительными.

В микро- и наномире на механическое поведение детали можно существенно повлиять, изменив тонкий слой материала на ее поверхности. Далее будут описа­ны MEMS-сенсоры, основанные на этом принципе. Еще одна особенность мира микро- и наномашин состоит в том, что молекулярные силы притяжения между наномасштабными объектами или областями могут превышать упругие силы от­талкивания. В результате, например, зонд атомно-силового микроскопа может захватываться и прилипать к поверхности в процессе сближения, что впоследст­вии потребует значительных усилий для отрыва зонда при удалении от нее. Что­бы предотвратить это, на некоторые элементы микромашин, возможно, придется наносить специальные покрытия, препятствующие прилипанию.

В случае больших двигателей и машин используются электромагнитные си­лы, а электростатические силы имеют малое значение. В противоположность это­му, электромагнитные силы становятся слишком маленькими, когда элементы мотора приобретают микронные размеры, в то время как электростатические си­лы становятся существенными. Поэтому электростатические силы часто исполь­зуют для приведения в действие микромашин. Близкорасположенным элементам сообщают одноименные заряды, и отталкивающая электростатическая сила меж­ду ними заставляет их двигаться. Ниже будет описан привод, который использует электростатическое взаимодействие между заряженными углеродными нанотрубками. С уменьшением размеров различия между микро-/наномашинами и ма­кромашинами становятся все более значительными. Разработано много уст­ройств и машин с деталями микронных и даже нанометровых размеров. Так как эта книга посвящена, прежде всего, нанотехнологиям, ниже приводится только несколько примеров микромасштабных аналогов, а затем более подробно обсуж­даются достижения, проблемы и перспективы в области создания наноустройств и машин.

Рис. 20.1 иллюстрирует принцип MEMS-датчика, используемого для актива­ции воздушных подушек безопасности в автомобилях. На рис. 20.1а изображено исходное состояние устройства, которое состоит из горизонтальной кремниевой балочки длинной несколько микрон, прикрепленной к двум вертикальным по­лым стойкам, имеющим гибкие стенки. Когда автомобиль, движущийся слева на­право, резко замедляется из-за столкновения, горизонтальная балочка продолжа­ет по инерции двигаться вправо, что вызывает изменение зазора между пластина­ми конденсатора, как показано на рис. 20.16. Это приводит к изменению электроемкости конденсатора, который, в свою очередь, с помощью электрони­ки инициирует импульс электрического тока через нагревательную спираль, помещенную в капсуле с азидом натрия (NaN₃). Мгновенное нагревание при­водит к взрывообразному разложению содержимого капсулы согласно реак­ции 2NaN₃ → 2Na + 3N₂. Выделяю­щийся при этом газообразный азот на­дувает подушку безопасности.

Кантилеверы с различными по­крытиями являются основой для ряда датчиков, входящих в состав MEMS. Кантилевер — это закрепленная на од­ном конце консольная балочка мик­ронных или субмикронных размеров, способная изгибаться под действием различных факторов. Наиболее про­стое из таких устройств состоит из на­бора закрепленных кремниевых кан-тилеверов, имеющих различные отно­шения длины к ширине. Бал очки установлены таким образом, чтобы они могли осциллировать под действи­ем механического, электрического или теплового возбуждения. Для измере­ния частоты и амплитуды колебаний могут использоваться оптические и другие методы. Как показано на рис. 20.2, частота колебаний очень чув­ствительна к длине бал очки. На этой основе были разработаны термические датчики, при изготовлении которых на кантилевер наносился слой материала с коэффициентом теплового расшире­ния, существенно отличающимся от значения для материала самого кантилевера (обычно — кремния). При на­греве балочки из-за различия коэффи­циентов расширения покрытия и кремния она изгибается, а ее резо­нансная частота изменяется. Чувствительность такого устройства находится в микроградусном диапазоне, так что его можно использовать в качестве детекто­ра инфракрасного излучения. Подобную конструкцию можно использовать и для изготовления чувствительного детектора постоянных магнитных полей. В этом случае одна из поверхностей балочки покрывается материалом с хорошими магнитострикцонными свойствами. При помещении в магнитное поле материал по­крытия изменяет свои размеры, что приводит к изгибу кантилевера и изменению резонансной частоты его колебаний. Такие устройства могут обнаруживать маг­нитные поля всего 10^-5 Гс (10^-9 Тл).

ЧТО ПРОИСХОДИТ, КОГДА МЫ ССОРИМСЯ Не понимая различий, существующих между мужчинами и женщинами, очень легко довести дело до ссоры...

Что делать, если нет взаимности? А теперь спустимся с небес на землю. Приземлились? Продолжаем разговор...

ЧТО ТАКОЕ УВЕРЕННОЕ ПОВЕДЕНИЕ В МЕЖЛИЧНОСТНЫХ ОТНОШЕНИЯХ? Исторически существует три основных модели различий, существующих между...

ЧТО И КАК ПИСАЛИ О МОДЕ В ЖУРНАЛАХ НАЧАЛА XX ВЕКА Первый номер журнала «Аполлон» за 1909 г. начинался, по сути, с программного заявления редакции журнала...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: