Лекции_Введение_в_нанотехнологии. Введение в нанотехнологии
 Скачать 5.09 Mb.
|
Глава 7. Контрольные вопросыДайте определение понятию «наноэлектроника». Сформулируйте закон Мура. Что представляет собой эффект кулоновской блокады? Что представляет собой структура одноэлектронного транзистора? Объясните принцип работы одноэлектронного транзистора. Что представляет собой эффект резонансного туннелирования? Что представляет собой структура резонансно-туннельного диода? Дайте определение квантового компьютера. Что такое кубит? Дайте определение понятию «квантовая оптоэлектроника». Дайте определение понятию «светодиод». Что представляет собой светодиод на гомоструктуре? Объясните принцип работы светодиода на гомоструктуре. Что представляет собой светодиод на гетероструктуре? Объясните принцип работы светодиода на гетероструктуре. Дайте определение понятию «полупроводниковый лазер». Глава 8. Микроэлектромеханические системы. Понятия о микроэлектромеханических системахМикросистемная техника за короткий срок стала одним из признанных направлений высоких и критических технологий XX-го века. Автономные микросистемы, прежде всего микророботы, начинают активно использоваться в области производства, медицины, охраны здоровья человека и экологии. Терминология в области микросистем пока еще не установилась. В основе её классификации лежат принципы действия и конструктивные элементы. Наиболее широко применяется термин – «микроэлектромеханические системы» (МЭМС). В дальнейшем появились термины «микрооптоэлектромеханические системы» (МОЭМС) и «микрохимикоэлектромеханические» системы (МХЭМС). Выделение области применения МЭМС привело к появлению, например, термина Био-МЭМС. В последнем случае речь идет о микросистемах, которые могут производить анализы биологических жидкостей (например, крови) и готовить данные о её составе и наличии болезнетворных факторов (например, вирусов). Микросистема – это миниатюризированная система, обладающая чувствительными, вычислительными и производительными функциями. Чувствительная (сенсорная) функция заключается в способности определять наличие и концентрацию химических и биологических компонент в окружающей среде. Вычислительная функция означает, что микросистема обладает процессором (вычислителем), который проводит необходимые вычисления и подготавливает информацию для передачи и отображения другими устройствами, например, передает её по электронной сети в другие компьютеры либо отображает на экранах. Производительная функция означает, что микросистема наделяется микроскопическими исполнительными механизмами. Она управляет их работой. Например, для того чтобы провести анализ биологической жидкости, к ней надо доставить химические реагенты, по изменению свойств которых судят о свойствах жидкости. Для этой цели используются насосы микронных размеров, которые перекачивают нужные жидкости. Эти насосы формируются непосредственно в кристалле, на базе которого создается микросистема. В микросистеме обычно используется комбинация двух или больше устройств, действующих на основе использования электрических, механических, оптических, химических, биологических, магнитных или других свойств, интегрированных на одном чипе или мультичиповой плате. МЭМС – это интегрированные микроустройства или системы, комбинирующие электрические и механические компоненты, изготовленные по технологиям, совместимым с технологией интегральных схем и имеющие размеры от микрометров до миллиметров (рис. 8.1).  Рис. 8.1. МЭМС Таким образом, современная технология создания интегральных схем тесно связана с технологий МЭМС. Однако чтобы реализовать научные идеи в этой области, в эту технологию необходимо интегрировать другие достижения физики, химии и биологии, тогда возникает принципиально новое качество изделия. Поэтому технология МЭМС впитывает всё лучшее, что достигнуто в смежных областях знаний, в том числе в области нанотехнологий. Нет технологии, которая бы могла создать все элементы микросистемной техники, поэтому используется набор различных технологических приемов. Для достижения необходимых результатов в создании МЭМС необходимо широко применять достижения нанотехнологии. Мембранные силовые элементыУже говорилось, что в МЭМС необходимо включать исполнительные механизмы, которые преобразуют электрическую энергию в механическую. В настоящее время основным силовым элементом механической части МЭМС является мембрана. Прогиб мембраны осуществляется электростатическими либо пьезоэлектрическими силами. В настоящее время достигнуты большие успехи в изготовлении мембран в монокристаллах кремния, в том числе в России такие исследования успешно проводятся в Государственной научном центре (ГНЦ) РФ «Технологический центр». Мембраны изготавливаются методами планарной технологии, такими же, как при производстве интегральных схем. На рис. 8.2 показана схема действия микронасоса с мембранными силовыми элементами.  Рис. 8.2. Конструкция диафрагменного микронасоса с электростатическим принципом управления и пассивным лепестковым клапаном Такой насос изготавливается из четырех кристаллов кремния. В каждом кристалле методами планарной технологии выполняются необходимые элементы, а затем кристаллы склеиваются. Верхняя пластина 1 содержит противоэлектрод мембраны. Это металлизированная поверхность кремния. Пластина 2 содержит рабочую мембрану из кремния. Верхняя поверхность мембраны покрыта слоем металла. Вместе они составляют блок электропривода, но электрически изолированы друг от друга. Если между ними приложить электрическое напряжение, то противоэлектрод и мембрана притягиваются друг к другу. Мембрана прогибается вверх и под ней создаётся пониженное давление. Пластины 3 и 4 создают вместе клапанный блок. Когда под мембраной пониженное давление, то мембрана входа прогибается вверх и жидкость втягивается в полость под мембраной. Если напряжение, приложенное к блоку электропривода, отключить, то под действием упругих сил мембрана возвращается в первоначальное положение. При этом под ней создается избыточное давление. Мембрана выхода прогибается вниз и жидкость выталкивается в канал выхода. Повторяя этот цикл необходимое количество раз, можно перекачать из канала входа в канал выхода необходимую порцию жидкости. Силовые элементы МЭМС на основе углеродных нанотрубокПроизвольное, но контролируемое манипулятором относительное движение слоев в многослойных углеродных нанотрубках, а также их выдающиеся упругие свойства допускают в качестве подвижных элементов применение наноэлектромеханических систем. Был предложен ряд устройств, перспективных для применения в МЭМС и основанных на относительном движении слоев углеродных нанотрубок: наноподшипники вращения и скольжения, наношестерня, нанопереключатель, осциллятор гигагерцового диапазона, броуновский наномотор, нанореле, а также пара наноболт-наногайка. Более того, экспериментально созданы наномоторы, в которых в качестве вала и втулки использованы слои многослойной углеродной нанотрубки. Недавно было предложено использовать двухслойную углеродную нанотрубку, являющуюся парой наноболт-наногайка, для преобразования силы, приложенной к одному из слоев и направленной вдоль оси нанотрубки, в относительное вращение слоев. Такая пара может быть использована в наноактуаторе, т.е. в наноустройстве, предназначенном для приведения МЭМС в движение. Принцип работы этого устройства аналогичен принципу приведения во вращение юлы. Принципиальные схемы наноактуатора показаны на рис. 8.3. В этой схеме статор наномотора закреплен неподвижно. Следующие два слоя являются ротором. Относительное положение этих слоев должно быть зафиксировано. Статор и ротор представляют собой наноподшипник вращения. Внешний слой служит для преобразования силы, приложенной вдоль оси нанотрубки, во вращение ротора. Такое преобразование возможно в том случае, если эти слои образуют пару наноболт-наногайка.  Рис. 8.3. Принципиальные схемы наноактуатора: со статором – внутренним слоем (а), со статором – внешним слоем (б) Внутреннюю часть двухслойной углеродной нанотрубки можно заставить колебаться (рис. 8.4).  Рис. 8.4. Последовательные (a-в) положения слоев гигагерцевого осциллятора в течение половины периода колебаний. a, в – максимальное телескопическое выдвижение внутреннего слоя, сила Ван-дер-Ваальса втягивает внутренний слой во внешний; б – внутренний слой проходит по инерции с максимальной скоростью Vмакс положение с максимальной потенциальной энергией Для этого внешний слой закрепляется. Внутренний слой дополнительно обрабатывается. На одном конце адсорбируются положительные ионы водорода, а на другом – отрицательные ионы фтора. Под действием неоднородного электрического поля внутренняя труба, которая представляет диполь, может перемещаться относительно внешней, как было показано выше. Это колебательное движение можно преобразовать во вращательное. Тема 8. Микроэлектромеханические системы. Контрольные вопросыДайте определение МЭМС. Приведите примеры использования МЭМС. Опишите работу диафрагменного микронасоса. Опишите работу наноактуатора. |