Физика, технология и элементная база современной электроники

1. Физика, технология и элементная база современной электроники Плюснин Николай Иннокентьевич, д.ф.-м.н., проф. кафедр: ИСКТ ВГУЭС, и КПРЭА ДВГТУ, зав. лаб. ИАПУ ДВО РАН

2. Микро-электронные механические системы • МЭМС - это множество микроустройств самой разнообразной конструкции и назначения. С точки зрения инженеров, это новая волна полупроводниковой революции. МЭМС обеспечивают полупроводникам, кроме возможности «думать», возможность «ощущать», а также взаимодействовать с внешним миром. Способ производства МЭМС сходен с созданием современных чипов. Процесс литографии дает возможность штамповать тысячи готовых микросхем в очень короткие сроки и с низкими затратами, точно таким же образом можно создавать и дешевые механические сенсоры и приводы.

3. Микро-электронные механические системы • Такие устройства применяются практически повсюду. В медицине их используют в качестве датчиков давления крови, лимфы, спинномозговой жидкости etc. Химические лаборатории - в микродозаторах. Офтальмологии и отоларингологи - в микроинструментах, без которых были бы невозможны уникальные операции. Гигиенисты и дозиметристы используют микроанализаторы или всевозможные «электронные носы», позволяющие уловить вещества, присутствующие в ничтожных концентрациях.

4. Микро-электронные механические системы • сенсоры физических величин, химических элементов, биологических материалов • биочипы • микромеханизмы, микроинструменты • микродвигатели, микр-турбины • микро-электромеханические, микро-опто-механические и биотехнические микросистемы • микросистемы энергообеспечения • технологические микросистемы

5. Микро-электронные механические системы • Биочип или “лаборатория-на-кристалле” - это многоканальное устройство на Si подложке, в которой протравлены каналы. По ним поток тестируемого вещества, вводимого насосом через трубки, перемещается от входа к миниатюрным электродам, соединенным с органическими идентификаторами. Когда молекула-ключ соединяется с идентификатором-замком, импеданс под электродами изменяется. Компьютер, подключенный к биочипу, считывает состояние идентификатора. Предполагается разместить биочип в миниатюрный картридж, который пользователь должен поместить внутрь тестируемого вещества

6. Микро-электронные механические системы • Основа микро-электро-механических систем - необычайно миниатюрные механические элементы, интегрированные в электронную схему. • На фотографии (рис. 1) вы видите элементы кремниевого двигателя. Чтобы можно было оценить его размеры, стоит заметить, что огромная труба над ним - человеческий волос, диаметр которого - 100 микрон (10-5 м).

7. Микро-электронные механические системы • Исследователи университета г. Беркли планируют создать микромеханическое насекомое с размахом крыла в 10-25 мм, способное на автономный полет. Разработчики делают ставку на пьезоэлектрические приводы и корпус из гибких материалов, чтобы обеспечить требуемое распределение мощности и необходимую подъемную силу крыла, используя в качестве источника энергии солнечные батареи (рис. 2).

8. Микро-электронные механические системы • Электронная перчатка была создана в Калифорнийском университете. Она через МЭМС-акселерометры расшифровывает и переводит жесты рук в интерпретируемые компьютером символы. Пять двухосных МЭМС-акселерометров размещены на кончиках пальцев каждой перчатки, шестой - на тыльной стороне ладони.

9. Микро-электронные механические системы • Клавиатура-перчатка представляет собой крупномасштабную модель МЭМС, разрабатываемых в проекте Smart Dust («умная» пыль), цель которого - создание автономных миниатюрных (объемом в один кубический миллиметр) устройств, интегрирующих на одном чипе источник питания, различные датчики (например, микроакселерометры, оптические сенсоры и т. п.) и и беспроводные средства связи. С помощью подобных устройств можно построитькомплекс слежения за положением вещей в пространстве Созданные образцы пока еще в несколько раз больше нужного, но уже несут в себе почти все необходимые компоненты (рис. 4).

10. Микро-электронные механические системы

11. Микро-электронные механические системы • При поддержке НАСА инженеры МТИ создают микроракету, имеющую размеры мелкой монеты и представляющую собой микро-электромеханическую систему, изготовленную из кремния. С помощью нескольких таких устройств ученые смогут запускать на орбиту наноспутники размером с банку пива, сеть из которых могла бы вести наблюдение за Землей или заниматься обслуживанием своих более крупных собратьев. По показателю отношения количества генерируемой тяги к собственному весу МЭМС-двигатели опережают даже двигатели Шаттла (85 против 70).

12. Микро-электронные механические системы • Ученые из Национальной лаборатории Сандиа объявили о создании миниатюрных автономных машин-роботов. Их размеры: 6 мм в высоту, ширину и длину. Вес - семь граммов. Робот состоит из полимерного каркаса, трех батареек, шести колес, двух гусениц, двух моторов, процессора с 8 Кб памяти и датчика температуры (рис. 5) и может нести на себе микрофон, видеокамеру, химический датчик и беспроводную радио- или инфракрасную систему связи. Основной областью применения этих роботов станет поиск и обезвреживание мин, опасных биологических и химических материалов.

13. Микро-электронные механические системы

14. Микро-электронные механические системы • Еще одна разработка Sandia Labs - МЭМС-конвейер для работы с отдельными клетками. Механизм, помещенный в трубку толщиной всего 20 микрон, способен отлавливать и, удерживая короткое время, деформировать красные кровяные тельца - эритроциты, которые затем освобождаются, восстанавливают свою форму и продолжают движение (рис. 6). Каждый такой захват работает со скоростью 10 клеток в секунду.

15. Микро-электронные механические системы • Конечная цель разработчиков - создать устройство, объединяющее тысячи таких ловушек, способных прокалывать клетку тонкой силиконовой трубкой и вводить в нее ДНК, белки, медикаменты - для противодействия биологической или химической атаке, вторжению вирусов, лечения генетических нарушений; это представляет большой интерес для медицины, генетической инженерии, сельского хозяйства. В настоящее время учеными создан модуль, содержащий восемь «ловушек» и микромоторчик приводящий в движение механический захват. Плата с модулем может свободно перемещаться в объеме тонкой соломки для коктейля (рис. 7).

16. Микро-электронные механические системы