Какие бывают и для чего используются микроэлектромеханические системы

Электроника активно движется по пути миниатюризации составляющих ее компонентов. Это позволяет снизить энергопотребление и в несколько раз уменьшить размеры готового электронного устройства. Именно благодаря миниатюризации люди сегодня пользуются смартфонами, умеющими не только звонить и отправлять сообщения, но и считать шаги, показывать стороны света и даже измерять напряженность окружающего магнитного поля. Миниатюризация и развитие электроники позволили диабетикам отказаться от неточного определения уровня глюкозы в крови с помощью тест-полосок в пользу небольших устройств-глюкометров.

Потенциальную возможность создания микроскопических механических систем ученые предсказали еще в 1950-х годах, однако существовавшие тогда технологии не позволяли реализовать такие системы. Но уже в 1980-х годах стали возможны первые их образцы. Тогда же американское Агентство перспективных оборонных разработок Пентагона, интересовавшееся возможностью миниатюризации военной электроники, предложило название для новых устройств — microelectromechanical systems (MEMS), или микроэлектромеханические системы (МЭМС). Впрочем, сегодня в военной технике такие системы практически не используются из-за их уязвимости к внешним воздействиям и небольшой точности.

Отчасти миниатюризация мобильных устройств обязана появлению микроэлектромеханических систем. Это миниатюрные устройства размером от пары десятков микрометров до одного миллиметра, в которых установлены еще меньшие электрические и механические компоненты. Размеры этих компонентов обычно варьируют от одного микрометра до пары сотен микрометров. Но если не брать в расчет размеры, то МЭМС похожи на обычные механизмы, окружающие нас в повседневной жизни, например, счетчики электричества, и работают по тому же принципу. Так, в 2012 году Сандийские лаборатории в США создали МЭМС-редуктор, позволяющий увеличить передаваемую от микродвигателя мощность в три миллиона раз.

Сегодня МЭМС используются в большом количестве устройств: автомобильных системах курсовой устойчивости, в жестких дисках ноутбуков, смартфонах, потребительских дронах, датчиках давления и печатающих головках струйных принтеров. Например, в жесткие диски встроены МЭМС-акселерометры. Если с их помощью прошивка жесткого диска определит состояние свободное падение, она отдаст команду на парковку головок в безопасной зоне, чтобы при ударе о землю они не коснулись «блинов» и не повредили важную информацию. Именно МЭМС-акселерометры в наших фотоаппаратах определяют горизонтальное или вертикальное положение камеры.

Готовое МЭМС-устройство представляет собой чип, в котором одновременно находятся движущаяся механическая система и электронная система, отвечающая за обработку сигналов. Так, в МЭМС-акселерометре расположены микроскопические грузики на подвесе с конденсаторной обкладкой. Ответная часть конденсаторной обкладки расположена на неподвижной части системы, а все вместе они образуют конденсатор. Если датчик должен измерять ускорение по трем осям, то и грузиков в нем присутствует три. При ускорении тот или иной грузик немного смещается, и при этом обкладка конденсатора на грузике сдвигается относительно обкладки конденсатора на неподвижной части системы.

Во время работы конденсатор акселерометра заряжается. При сдвигании его обкладок при неизменном заряде изменяется напряжение на выходе. Его уже измеряет специальный чип, интегрированный в корпус МЭМС-устройства. Впоследствии с учетом этих измерений, а также заранее известных массы грузика и параметров подвеса, чип устройства выдает готовое значение ускорения по той или иной оси. И уже это значение используется в смартфоне, фотоаппарате, автомобиле или квадрокоптере для подсчета шагов, стабилизации изображения, предотвращения заноса и выравнивания полета.

В некоторых случаях решить задачу одной только механикой и обкладками конденсатора невозможно. В частности, всевозможные пьезоэлектрические лаборатории-на-чипе, призванные определять, скажем, наличие антигена или какого-либо белка в биологической жидкости, используют специальное вещество, притягивающее нужные молекулы. Пьезоэлектрические МЭМС-биосенсоры содержат в себе кристалл, покрытый реагентом и деформирующийся под воздействием электрического поля. Частота таких деформаций постоянно измеряется. Если вещество на кристалле притянет большое количество молекул из анализируемой жидкости, частота деформаций изменится.

Сегодня существует множество способов производить МЭМС. Наиболее распространенным из них является осаждение на подложке слоев материала и так называемых жертвенных слоев на подложку, фотолитография (создание нужного рисунка на поверхности) и последующее травление в жидком растворе или с помощью плазмы. В результате травления, участки слоев материала, покрытые рисунком, сохраняются, а незащищенные участки и жертвенные слои исчезают. Так появляется готовая микромеханическая система, которую затем уже интегрируют в готовое МЭМС-устройство. Обычно для производства МЭМС использую кремний, но в последнее время проводятся опыты и с другими материалами, включая керамику.

С каждым днем МЭМС-устройства становятся все сложнее. Если первые такие системы не имели практического применения и были призваны лишь показать технологии миниатюризации, то сегодня существуют уже сложные МЭМС-устройства, способные выполнять несколько задач. Так, в Сандийских лабораториях разработали оптический МЭМС-затвор, в котором сочетаются два микродвигателя, направляющая шестеренка и непосредственно затвор, выполненный в виде большой шестерни. Возвратно-поступательные движения с микродвигателей через направляющие с шестеренкой передаются на затвор, благодаря чему тот может может поворачиваться с очень большой скоростью.

По мере развития технологий МЭМС, такие системы становятся все надежнее и защищеннее. Если изначально тот же акселерометр при равном ускорении одинаковой направленности мог выдавать довольно сильно отклоняющиеся друг от друга значения (поэтому для повышения точности использовалось усредненное значение нескольких сотен измерений), то теперь такие отклонения стали достаточно малы. Настолько малы, что в марте прошлого года военные заказали американской компании Northrop Grumman разработку МЭМС-акселерометров и гироскопов для компактной системы инерциальной навигации. По мнению военных, они могут работать точнее современных лазерных систем инерциальной навигации.

МЭМС-насос. Он представляет собой канал для тока жидкости, проходящий через лопатки турбины. Та, в свою очередь, соединена с микродвигателем. При подаче питания на такое устройство микродвигатель начинает вращаться, приводя в движение микротурбину, которая начинает перекачивать жидкость. Для МЭМС-насосов исследователи видят несколько областей применения, включая постоянную адресную подачу микроскопических доз лекарств и перекачку электролита в емких аккумуляторах. MEMS Laboratory

Трехосевой МЭМС-акселерометр. Это устройство способно измерять ускорение одновременно по трем осям. На снимке прямоугольники сверху, снизу, слева и справа — грузики для измерения ускорения в горизонтальной плоскости. Прямоугольник по центру снимка — грузик для измерения ускорения в вертикальной плоскости. Грузики расположены на подвесах-пружинках с фиксированным сопротивлением растяжению. Maharashtra Institute of Technology

Оптический МЭМС-затвор. В левом углу слева и справа расположены микродвигатели, каждый из которых может обеспечивать движение только либо влево-вправо (горизонтальный), либо вверх-вниз (вертикальный). При совместной работе они способны перемещать небольшую шестеренку, которая двигает уже большую шестерню. Та, в свою очередь, одновременно является затвором, при повороте открывая и закрывая отверстие для света. Sandia National Laboratories

Микроэлектромеханическая паровая машина с тремя цилиндрами и поршнями. В цилиндры по микроканалам подается вода, которая затем с помощью электричества нагревается, переходит в пар и выталкивает поршень. Возврат поршней на место происходит после отключения напряжения благодаря капиллярному эффекту. Sandia National Laboratories

МЭМС-шахматы. Размеры шахматной доски составляют 435 на 435 микрометров, а шахматных фигурок — чуть меньше 50 микрометров. Подробности работы этого устройства не уточняются, но известно, что каждая шахматная фигурка имеет свой линейный микродвигатель, с помощью которого может перемещаться влево и вправо по доске. Фигурки также имеют микроскопические зацепы для микроманипулятора, чтобы перемещать их вверх и вниз и убирать с игрового поля. Texas Tech University

Автор: Василий Сычёв