Искаков Серик Туребекович

Казахский гуманитарно-юридический и технический колледж,

Казахстан, Кызылорда

Перспективные разработки микросистемной техники

Основные направления раздела “Микро- и наносистемная техника”

·    фундаментальные основы микро- и наносистемной техники;

·    специальные технологии микросистемной техники;

·    процессы нанотехнологии;

·    методы нанодиагностики;

·    компоненты микро- и наносистемной техники;

·    микро- и наномашины.

Разработка приборов нового поколения на базе микроэлектромеханических систем по следующим направлениям:

1.      Микромашины – источники энергии и движения, силовые приводы и механизмы.

2.      Микробиохимические системы – микродозаторы, микронасосы, микроклапаны, микрореакторы и микроферментаторы.

3.      Микротелекоммуникационные системы управляемые микроэлектромеханические радиокомпоненты, адаптивная микроэлектрооптомеханическая “скамья”.

4.      Аналитические микросистемы.

Разрабатываемые приборы предназначаются для использования в медицине и биохимии, телекоммуникациях, промышленной автоматике, аэрокосмической промышленности, автомобильном транспорте, мониторинге окружающей среды.

В “Микроэлектронные технологии” (в части микросистемной техники и наноэлектроники) можно ввести следующие проекты:

·    разработка технологии производства микромеханических элементов для микросистемной техники по кремниевой технологии;

·    разработка базовой технологии производства микромеханических элементов для микросистем ной техники по стекловолоконной технологии;

·    разработка приборно-технологического базиса производства интеллектуальных нанотехнологических комплексов для создания наноэлементов и терабитных микромеханических запоминающих устройств;

·    разработка приборно-технологического базиса зондовых и ионных нанотехнологии формирования элементов с размерами менее 10 нм.

·    разработка приборно-технологического базиса формирования нанотехнологических элементов на основе нанотрубных углеродных структур.

Таблица 1. Назначение микросистем для техники нового поколения

Класс изделий МСТ	Назначение
	Общегражданское		Специальное
Сенсорные микросистемы	Миниатюрные системы ориентации, навигации и управления
	Автомобильный и ж/д транспорт	Аэрокосмические и ракетно-артиллерийские системы
	Мультисенсоры, интеллектуальные сенсоры, сенсоры с обратной связью, акселерометры, миниатюрные автономные системы навигации (совмещенные с космическими GPS системами), модули контроля положения антенных фазированных решеток, системы катапультирования и индивидуального наведения
Микроэлектромеханические системы и машины, микросистемы энергообеспечения	Миниатюрная управляемая элементная база
	Микромеханизмы; миниатюрные управляемые конденсаторы, резисторы, зеркала, модуляторы; элементы микропривода, микрооптика, микродвигатели, микрогенераторы, автономные миниатюрные источники энергии, микротурбины, микросистемы рекуперации энергии
Аналитико-технологические микросистемы	Миниатюрные аналитико-диагностические чипы и микрохимические реакторы
	Биотехнология, медицина, нефтехимия, пищевая промышленность, микробиология, наноэлектроника	Химическая защита, обнаружение, исследование и утилизация особо опасных веществ, медицина
	Миниатюрные автономные системы для диагностики организма и замещения органов, миниатюрные аналитические приборы, микрореакторы, микро- и наноинструмент, микрорегуляторы, микронасосы
Миниатюрные робототехнические системы	Миниатюрные автономные управляемые самодвижущиеся системы
	Микророботы для диагностики: медицина, ядерная энергетика, химическая промышленность	Микророботы для разведки и боевых действий на земле, воде, воздухе и космосе

 По мнению экспертов, развитие микросистемной техники для научно-технического прогресса может иметь такие же последствия, какие оказало появление микроэлектроники на становление и современное состояние ведущих областей науки и техники.

Для оценки состояния и перспектив развития микроэлектромеханических систем можно ввести коэффициент качества, позволяющий оценить уровни интеграции МЭМС и представленный в виде произведения , в котором  - число транзисторов,  – число механических компонентов [2]. Проиллюстрируем возможности микросистемной техники. Например, для серийно выпускаемого акселерометра, изготавливаемого по технологии с топологическими нормами 2-10 мкм (содержащего 100-200 транзисторов и 1 механический элемент) получим , а для динамического управления поверхностью экрана дисплея (содержащего 1 млн механических элементов экрана и 1 млн управляющих транзисторов) получим . Большое число электронных и механических компонентов открывает новую эпоху в создании микросистемной техники при существующем уровне технологии в микроэлектронике (1-10 мкм).

Основой развития микроэлектромеханических систем является микроэлектронная технология, которая применяется практически во всех изделиях на основе кремния [4,7,19].

Можно предложить и реализовать новый метод создания трехмерных микроэлектромеханических систем [1]. Основой этого метода являются технологии получения и обработки стекловолокна и стекловолоконных систем. Продемонстрирована возможность получения недорогих микронных и субмикронных стеклянных структур с практически неограниченным аспектным отношением. Получены как чисто стеклянные, так и стеклянно-металлические субмикронные системы. Рассмотрены наиболее перспективные направления в использовании предложенной технологии, в частности, для микророботов и микроприводов.

Направления разработок микроэлектромеханических систем объединены, прежде всего, применяемыми материалами, среди которых основными являются:

·    кремний ;

·    карбид кремния ;

·    сегнетоэлектрические пленки .

Необходимы разработки по созданию высокоэнергоемких микродвигателей на основе тонких сегнетоэлектрических пленок. Рассмотрен принцип работы шаговых лепестковых микродвигателей, основанный на эффекте электростатического наката металлических пленок на поверхность сегнетоэлектрика [5]. Такие микродвигатели, изготавливаемые с помощью микроэлектронной технологии, отличаются исключительно высокой энергоемкостью (свыше 0,3 Дж/м² при напряжениях 10-50 В) и прецизионностью перемещения (шаг от 1 нм до 100 мкм).

На основе карбидокремниевых сенсоров, имеющие мировую известность, можно рассмотривать приборы на основе карбида кремния, которые благодаря термической устойчивости последнего и его термомеханической совместимости с рядом материалов, обладающих диэлектрическими и пьезоэлектрическими свойствами, способны работать в экстремальных условиях, а по своим параметрам относятся к микросистемной технике. Это инфракрасные излучатели, термоанемометрические датчики, термомикрореакторы, различные термонагревательные элементы [12].

Традиционная микроэлектронная технология используется для создания различных сенсоров и разрабатываются технологии поверхностной микромеханики, многокристальных модулей, специализированных аналого-цифровых интегральных схем преобразования сигналов сенсоров [22]. Кроме того разработан интегральный микрогироскоп колебательного типа на основе многослойных структур кремния и стекла. Предложена конструкция, реализуемая на основе многослойных структур, позволяющая методами интегральной технологии создать устройство, обладающее высокими точностными характеристиками [19]. Составлена и проанализирована эквивалентная схема паразитных элементов микрогироскопа. Представлены методики определения модуля упругости и параметров напряженно-деформированного состояния многослойных структур, предложен способ определения рационального соотношения между параметрами слоев.

Разрабатываются навигационные приборы, изготовленные на базе монокристаллического кремния (в частности, конструкции маятниковых узлов семи акселерометров), измерительные узлы датчиков угловой скорости, а также технологические процессы изготовления измерительных узлов навигационных приборов из монокристаллического кремния. Исследована возможность использования компенсационного акселерометра с кремниевым маятником в качестве геофонического сенсора [11]. Конструируется микромеханический вибрационный гироскоп-акселерометр, выполненный в виде маятника с емкостным датчиком угла и электростатическим датчиком момента. Показывается, что выходной сигнал прибора будет содержать составляющие, пропорциональные входной угловой скорости и линейному ускорению.

Обобщая современное состояние в области стимулов и факторов, способствующих развитию микросистемной техники выделим важнейшие:

·    наличие научной и технологической культуры, сформировавшейся в период становления и развития микро- и оптоэлектроники [8,18,20,22];

·    наличие базового оборудования, производственных мощностей и организационной инфраструктуры микроэлектронного производства, пригодных для реализации на них объектов микросистемной техники;

·    повышение активности рынка сенсорных систем различного функционального назначения и конструктивного исполнения;

·    расширение рынка оптических коммутаторов для оптоволоконных линий связи;

·    создание микромеханических фильтров радиочастот с более высокой добротностью по сравнению с электрическими схемами;

·    тенденции к интеграции процессов микро- и биотехнологии [6];

·    тенденции к активизации рынка в области миниатюрных недорогих диагностических систем обеспечения жизнедеятельности человека на основе концепции экономической целесообразности массовой профилактики заболеваний;

·    формирование рынка оборудования для технологий на микроуровне (аналогичных микроэлектронным) за счет широкого развития биотехнологии и ужесточения требований к работе с радиоактивными, токсичными, взрывоопасными веществами, что определяет переход на использование сверхмалых количеств веществ в ограниченных объемах.

Литература:

1.      Белоглазов В.И., Суховеев С.П., Суетин Н.В. Создание микронных и субмикронных трехмерных структур с использованием стекловолоконных технологий // Микросистемная техника. 2000. № 1. С. 4-9.

2.      Бочаров Л.Ю., Мальцев П.П. Состояние и перспективы развития микроэлектромеханических систем за рубежом // Микросистемная техника. 1999. № 1. С. 41-46.

3.      Быков В.А. Микромеханика для сканирующей зондовой микроскопии и нанотехнологии // Микросистемная техника. 2000. № 1. С. 21-33.

4.      Джашитов В.Э., Панкратов В.М., Лестев А.М., Попова И.В. Расчет температурных и технологических погрешностей микромеханических гироскопов // Микросистемная техника. 2001. № 3. С. 2-10.

5.      Дятлов В.Л., Косцов Э.Г. Высокоэнергоемкие микродвигатели на основе тонких сегнетоэлектрических пленок // Микросистемная техника. 1999. № 1. С. 22-31.

6.      Зимина Т.М., Лучинин В.В., Крапивина Е.В., Ресин А.С. Микросистемная техника и проблемы биомедицинского анализа // Микросистемная техника. 2000. № 3. С. 18-30.

7.      Иващенко Е.И., Цветков Ю.Б. Метод размерного стоп-травления кремния в производстве изделий микромеханики // Микросистемная техника. 2000. № 1. С. 16-20.

8.      Каляев И.А., Котов В.П., Клиндухов В.Г., Кухаренко А.П. Микроэлектронные сенсорные системы: опыт создания и применения // Микросистемная техника. 1999. № 1. С. 32-35.

9.      Климов Д.М., Васильев А.А., Лучинин В.В., Мальцев П.П. Перспективы развития микросистемной техники в XXI веке // Микросистемная техника. 1999. № 1. С. 3-6.