МЭМС. 16. Микрои наноэлектро механические системы. Мэмс

• Название: 16. Микрои наноэлектро механические системы. Мэмс
• Дата: 11.12.2022
• Размер: 42.5 Kb.
• Имя файла: МЭМС.doc
• Тип: Документы; #839800

16. Микро-и наноэлектро- механические системы. МЭМС.

Понятие «микросистемная техника» давно и прочно укоренилось в на- учно-технической литературе ив научно-инженерном лексиконе. Появление этого термина связано с очередной стадией развития техники и технологии, благодаря которым стало возможным создание малогабаритных интегриро­ванных многофункциональных систем, решающих задачи получения и хра­нения информации, вычисления и управления и т.д. «Информационно-управляющая система, по определению Винера, состоит из объекта управления, сенсорной подсистемы, подсистемы анализа и принятия решений, исполни­тельной (воздействующей) подсистем». Подобные многообразия подсистем, интегрированные на микроуровне, которые могут быть большими (значи­тельно укрупнены и состоят из множества функциональных блоков и узлов) или, наоборот, малыми (т.е. присутствовать не в самом полном комплекте, например, в виде устройства получения информации от сенсора и элект­ронной схемы передачи информации), являются микросистемами. Следует вспомнить, что объединение индивидуальных приборов (активных и пассив­ных элементов — транзисторов, сопротивлений и т.д.) в интегральную схему, изготавливаемую в одном технологическом цикле, позволило достичь новый качественный уровень в массогабаритных показателях, быстродействии, функциональных возможностях, производительности, снижении стоимости и т.п. Объединение в интегрированную систему различных подсистем также свидетельствует о качественно новом, прогрессивном шаге. В настоящее вре­мя существует множество толкований термина «микросистемная техника». Определение «микросистемной техники» какинформационно-управляюшей исполнительной системы наиболее сжато и информативно характеризует ее суть. Таким образом, разнообразные приборы, схемы, устройства, подсисте­мы, интегрированные на микроуровне, могут быть частью или законченным изделием микросистемной техники.

Микроэлектромеханические системы (МЭМС) это совокупность электронных и механических элементов (компонентов), выполненных в микроисполнении на основе групповых методов. Соответственно в микро- оптоэлектромеханических системах (МОЭМС) дополнительно содержатся микроэлектронно-оптические элементы. Более общая совокупность по-

добных изделий может быть отнесена к микросистемной технике (МСТ) или к технологии микросистем, как традиционно называют ее в некоторых европейских странах.

Основой микросистемной техники является технология микроэлект­роники. Сложные функциональные механические системы могут строиться на основе микротехнологий, нанотехнологий и наноматериалов. В случае использования нанотехнологий и наноматериалов следует использовать термин «наносистемная техника». Нанотехнология — это совокупность ме­тодов и приемов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие компоненты размерами менее 100 нм, имеющие принципиально новые качества и позволяющие осу­ществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы боль­шего масштаба. Наноматериалы — материалы, содержащие структурные элементы, геометрические размеры которых хотя бы в одном направлении не превышают 100 нм, и обладающие качественно новыми свойствами, функ­циональными и эксплуатационными характеристиками. Соответственно наносистемная техника (НСТ) — это полностью или частично созданные на основе наноматериалов и нанотехнологий функционально законченные системы и устройства, характеристики которых кардинальным образом от­личаются от показателей систем и устройств аналогичного назначения, соз­данных по традиционным технологиям.

Таким образом, достоинства и преимущества наносистемной техники (и соответственно наноэлектромеханических систем — НЭМС, а также нано- оптоэлектромеханических систем — НОЭМС) заключены во вновь открыва­ющихся возможностях и преимуществах функционирования наноразмерных элементов, составляющих совокупность разрабатываемых и изготавливае­мых систем.

Микромеханика и наномеханика это не только элементы механики (или механические устройства), выполненные величиной в единицы микрон или, соответственно нанометров, это также элементы, компоненты или устройс­тва значительно больших размеров (например, единицы миллиметров), но у которых, например, точность изготовления элементов конструкции состав­ляет микроны и нанометры и этот размерный фактор прецизионности об­работки позволяет достигать новых качественных показателей, т.е. получать параметры ранее недостижимые. Подобные устройства следует относить к наномеханике или наносистемной технике. Например, прецизионные изме­рения наноперемещений подвижных механических частей позволяют созда­вать датчики с высокой чувствительностью.

Механические элементы (компоненты) могут преобразовывать сигнал какого-либо воздействия на систему или отдельную ее часть в механическое перемещение или, наоборот, механическое воздействие в информационный (управляющий) сигнал, а также каким-либо образом способствовать или пре­пятствовать подобным процессам. Встречающееся понятие «микромашины» подразумевает не только устройства, у которых имеются механические детали, выполненные в микроисполнении, но и включает системы, преобразующие энергию потока газа, жидкости и т.п. в электроэнергию, в оптический сигнал, в микроперемещение с использованием механических элементов или, наобо­рот, системы, под определенным видом воздействия с использованием меха­ники изменяющие информационные потоки, механические свойства, газоди­намику, гидродинамику, оптические свойства, свойства поверхности и т.д.

В последнее время возникло много идей и проектов, революционным образом переворачивающих наши представления о возможностях микро- и наносистем. Благодаря популярности этой темы и активному конструиро­ванию приборов и систем вполне возможно, что сколько-нибудь значимый интеллектуальный прибор в ближайшее время обязательно будет изготовлен с использованием технологий и элементов микро- или наносистемной тех­ники и в, частности, микро- и наномеханики.

Среди существующих механических конструкций очень сложно выде­лить типовой элемент, поскольку их достаточно много, и в приборах такими элементами могут выступать самостоятельно балки, спицы, мембраны, стру­ны, трубки, кольца и более сложные конструкции, а также кристаллическая решетка монокристалла, атомарно-чистая поверхность аморфного материа­ла или группы молекул и даже отдельные ионы и т.д. и т.д. Появляются сооб­щения об успешных работах в области создания механических приборов, в которых часть механических функций выполняют живые организмы (бакте­рии). Конечно же продолжаются работы по созданию систем, способных уп­равлять движением и поведением живых биологических объектов — мышей, крыс, тараканов, пчел, мух и т.п., при этом системы могут быть как встраи­ваемые в биологический объект, так и находящиеся вне биообъекта. Очень интересным направлением является разработка и создание систем иденти­фикации различных объектов (в том числе с использованием интеллектуаль­ных функций записи-перезаписи, хранения информации, анализа ситуации т.д.), в том числе живых организмов.

Назначения приборов микросистемной техники настолько широко, что, наверное, невозможно определить, в какой области подобные приборы не мо­гут быть использованы. Однако, наряду с общеизвестными и популярными направлениями развития микросистемной техники в виде МЭМС для опреде­ления параметров движения различных объектов (микроакселерометров, мик­рогироскопов), систем сбора и анализа информации на базе различных сенсо­ров (датчиков давления, датчиков расхода, состава газов и жидкостей, ударов, вибраций и т.д.) и получения различного рода актюаторов (микродвигателей, поворотных зеркал, насосов и т.д.), особое место занимает направление раз­работки и изготовления микроаналитических систем (микроаналитических лабораторий, микрофлюидных чипов и т.п.). Это направление очень важно, востребовано в настоящее время и может быть перспективно в будущем.