Микромеханика в макромире

Что такое MEMS? MEMS — это Microelectromechanical systems. Если перевести на язык Достоевского — микроэлектромеханические системы. Все равно непонятно? Тогда давайте так. Помните Левшу и подкованную им блоху? Вот это примерно то же самое. Добавьте к блохе электронику, наладьте промышленное производство и добейтесь того, чтобы готовая блоха стоила несколько долларов. Вот это и будет MEMS в современном виде. И что с такой блохи пользы? С блохи — особенно никакой. Однако есть и более практичные и популярные способы применения тончайшей электромеханики.

МИКРОЗЕРКАЛЬНЫЕ МАТРИЦЫ

Пожалуй, самый известный тип устройств, основанных на MEMS, — это проекторы, работающие на основе технологии DLP (Digital Light Processing, цифровая обработка света). Это один из двух наиболее распространенных типов проекторов. Второй тип — устройства с жидкокристаллическими матрицами. Самый главный элемент DLP-проекторов, который, собственно, и формирует изображение — небольшой чип, который компания-разработчик называет DMD (Digital Micromirror Device, цифровое микрозеркальное устройство). Вот это и есть та самая микроэлектромеханическая система, сиречь MEMS.

Микрозеркальная матрица под микроскопом

Как работает DMD? В рабочей области устройства расположен массив из микрозеркал, по числу точек разрешения. Зеркала умеют менять угол наклона: в одном положении они отражают весь попадающий на них свет в сторону линзы. А линза, в свою очередь, передает этот свет на экран — получается белая точка. Во втором положении свет отражается микрозеркалом в другую сторону, и на экран не попадает — соответственно, на экране получается черная точка.

Строение одной ячейки микрозеркальной матрицы

Разумеется, двух цветов для формирования качественного изображения недостаточно. Для начала нужны градации серого. В отличие от ЖК-матриц, которые обеспечивают градации полупрозрачностью, DMD-чипы так делать не умеют. Они либо светят, либо нет — вернее, либо отражают свет в сторону экрана, либо «в пустоту». Поэтому, чтобы получить серую, полузасвеченную точку, микрозеркалу приходится мигать — и оно способно делать это до нескольких тысяч раз в секунду. Такими вот подмигиваниями и отмеряется необходимое количество света, которое попадает на данную точку изображения.

Серый — уже неплохо. Но что насчет цвета? Данный аспект уже не имеет прямого отношения к MEMS. Но раз тема затронута, имеет смысл дойти до конца. Для того, чтобы окрасить изображение, используется быстро вращающееся прозрачное колесо, разделенное на четыре сектора: три основных цвета плюс белый для большей яркости. В любой момент времени пучок света проходит лишь через один из секторов — этакий бешеный дискотечный прожектор. Вот в этот краткий момент DMD-матрица и отрисовывает картинку для соответствующей цветовой составляющей.

Поэтому микрозеркалам и приходится мигать несколько тысяч раз в секунду: сотни «подмигиваний» для градаций серого, да умножить на четыре для каждого из цветов, да еще на несколько десятков кадров в секунду. И все это делают миллионы микроскопических кусочков алюминия размером в 16 тысячных миллиметра каждый.

Если абстрагироваться от чертовски маленьких размеров, устроено это довольно просто: между двумя столбиками шасси натянута тонюсенькая и более гибкая относительно других деталей полоска. На этой полоске — платформа, к которой крепится само зеркало. Наконец, под двумя углами микрозеркала и площадки расположены две пары электродов. В каждой паре один из электродов взаимодействует с зеркальцем, а другой — с площадкой, к которой зеркальце крепится.

Обычная швейная игла на фоне DMD-матрицы

За счет электростатического притяжения зеркальце качается либо в сторону одной пары электродов, либо в сторону другой пары: от «черного» положения к «белому». Не сложнее отбойного молотка — с той только разницей, что даже самый крупный элемент системы, само зеркальце, настолько мало, что на кончике иглы их помещается несколько десятков.

Остается добавить, что микрозеркальные матрицы — эксклюзивная технология компании Texas Instruments. Компания выпускает массу модификаций DMD-чипов под различные разрешения. В наиболее продвинутых проекторах используется система из трех микрозеркальных матриц. Такие проекторы способны отображать до 35 триллионов оттенков вместо стандартных для современных цифровых дисплеев 16 миллионов.

ДАТЧИКИ ДВИЖЕНИЯ

Еще один яркий пример MEMS — датчики движения. Такие сенсоры делятся на датчики ускорения, «акселерометры», и датчики поворота — «гироскопы». Кстати, о них мы уже упоминали в прошлом номере Mobi — поищите на диске статью «Взмахнув руками: современные гаджеты нужно трясти, наклонять и переворачивать».

В компьютерах, телефонах и прочей электронике датчики ускорения выполняют несколько задач, довольно сильно отличающихся по своей сути. Первая — разнообразные интерфейсные навороты. Яркими примерами реализации являются iPhone с его автоматическим поворотом изображения, а также игровая приставка Nintendo Wii, которая в основном и стала популярной за счет своего чудо-джойстика, реагирующего на движения.

Схема устройства емкостного датчика ускорения

Вторая популярная задача — отслеживание того или иного рода неблагоприятных механических воздействий. К примеру, в ноутбуках датчики ускорения используются для предотвращения повреждения жесткого диска. Главный враг винчестера — сильные удары и вибрации. Если датчик чувствует, что такая неприятность вот-вот произойдет, он паркует головку жесткого диска — в таком состоянии винчестер гораздо более живуч.

Датчики ускорения честно измеряют не только направление ускорения, но и конкретное его значение. Поэтому с их помощью можно, в том числе, и рассчитать длительное изменение положения тела в пространстве. Эта третья задача востребована в GPS-навигаторах — в том случае, если сигнал спутника потерян (например, в туннеле), примерное положение можно вычислить на основе данных от датчика ускорения.

Если в бытовой электронике датчики ускорения только-только начинают набирать популярность, то в автомобилях они стали уже фактически неотъемлемым компонентом. Именно от них получают жизненно важную информацию о том, что творится с машиной, подушки безопасности, антиблокировочная система тормозов, система курсовой устойчивости и другие узлы автомобиля. Фактически львиная доля современных автомобилей так или иначе датчиками ускорения оснащается. За исключением совсем уж простых и дешевых комплектаций.

Существует несколько типов датчиков ускорения. Например, многие старые разработки были основаны на пьезоэффекте — свойстве некоторых кристаллов вырабатывать электричество под воздействием механической деформации. Нынче у производителей в фаворе другой принцип работы, емкостной. Этот тип датчиков обладает оптимальным из существующих соотношением стоимости изготовления и точности измерения, что и обусловило его популярность.

Если говорить совсем уж грубо, такой датчик ускорения представляет собой старый добрый «грузик на пружинках». На грузике находится одна из пластин конденсатора, вторая крепится к неподвижному основанию датчика. При появлении ускорения грузик меняет свое положение относительно основания — пластины приближаются друг к другу или, наоборот, удаляются. При этом меняется емкость конденсатора, которую вполне можно измерить, и рассчитать соответствующее ускорение.

Один из вариантов конструкции датчика поворота, то есть «гироскопа»

Впрочем, на практике довольно сложно отделить грузик от пружинок и пластин конденсатора — реальные емкостные датчики ускорения представляют собой сплошное сплетение тончайших деталек, вкупе напоминающее скорее нечто ювелирное, нежели техническое.

Датчики поворота, «гироскопы», устроены примерно так же, как и датчики ускорения, «акселерометры». По сути разница между ними лишь в том, что на выходе — несколько иная физическая величина. Однако датчики ускорения более популярны в силу большей универсальности. Зная ускорение по нескольким осям, можно рассчитать и то, на какой угол повернулось тело. А вот сделать наоборот не получится. Впрочем, с недавних пор встречаются и комбинированные датчики, выдающие на выходе сразу и ускорение, и угол поворота — и то и другое сразу по трем осям.

Датчик движения в натуральную величину. Да, они действительно очень маленькие

Датчики движения — устройства весьма и весьма популярные. Объем их потребления в автопромышленности нарастает год от года, а теперь они вовсю внедряются еще и в компьютерах — и это в добавление к такой традиционной сфере, как аэрокосмические технологии. Кроме того, в отличие от микрозеркальных матриц, датчики ускорения сами по себе не являются чьей-то эксклюзивной технологией. Поэтому их производством занимается масса крупных и мелких компаний: Bosch, Texas Instruments, ST Microelectronics, Freescale («дочка» Motorola) и многие, многие другие производители.

ПЕЧАТАЮЩИЕ ГОЛОВКИ

В современных струйных принтерах используются капли чернил объемом порядка нескольких пиколитров — одной триллионной литра или, если так нагляднее, одной миллионной кубического миллиметра. Чтобы стало совсем понятно: капельки чернил можно представить как шарик диаметром около 10-15 микрометров. Понятно, чтобы оперировать объемами такого масштаба, требуются чрезвычайно тонкие приспособления. На помощь, как обычно, приходит MEMS.

Печатающая головка представляет собой массив из множества микроотверстий, под которыми расположены миниатюрные полости — в них чернила подаются из основного резервуара картриджа. Сами по себе чернила через отверстия не выливаются: при таких размерах определяющую роль играет сила поверхностного натяжения жидкости. Поэтому их надо каким-то образом выдавить. Сделать это можно, в принципе, множеством различных способов, из которых наиболее популярны на сегодняшний день три.

Первый способ — термический. В микрорезервуар помещается нагревательный элемент. Жидкость вскипает, объем увеличивается, и под воздействием этого расширения капелька чернил выдавливается из отверстия на бумагу.

Второй способ — пьезоэлектрический. Помимо того, что пьезокристаллы вырабатывают электричество при деформации, есть и обратный эффект: под воздействием тока они меняют размеры. Соответственно, в микроскопическую полость с чернилами помещают пьезоэлемент, который расширяется при подаче на него напряжения и выдавливает чернила из «сопла».

Наконец, третий способ — электростатический. Одна из стенок резервуара с чернилами делается тонкой, более гибкой, чем остальные элементы конструкции. Под нею размещается электрод. При подаче напряжения он отталкивает эту тонкую стенку. Стенка выгибается и становится своего рода поршнем: объем резервуара уменьшается, за счет чего чернила выталкиваются наружу.

Печатающие головки для струйных принтеров — один из крупнейших рынков MEMS-индустрии. Ими занимаются в основном ведущие игроки рынка принтеров: Canon, Epson, HP и Lexmark. Хотя кое-кто из менее крупных игроков рынка тоже подвизается в этом секторе.

Тем более что печатающие головки могут использоваться не только в струйных принтерах. С их помощью можно изготавливать и микроструктуры. Просто для этого вместо обычных чернил надо использовать иные вещества. Например, по этой технологии изготавливаются LED-дисплеи. Диоды из полимеров попросту «рисуются» на подложке — точно таким же образом, как принтер формирует изображение чернилами на бумаге.

И МНОГОЕ ДРУГОЕ

Помимо перечисленных выше устройств, представляющих непосредственный интерес для пользователей компьютеров и прочей потребительской техники, существует еще масса всевозможных микроэлектромеханических систем. Датчики давления, оптические переключатели для оптоволоконных сетей, MEMS-микрофоны, куча всевозможных медицинских сенсоров и, наконец, множество загадочных приспособлений для аэрокосмической и военной промышленности.

Кудесники из Массачусетского технологического института создали даже MEMS-турбину. Обычная турбина, только размером около двух миллиметров

По сути, на основе концепции MEMS можно изготовить вообще все что угодно. Найдите только покупателя. Некоторым счастливчикам, а именно ученым, даже покупателя порой искать не приходится — у них цели другие. Поэтому они могут себе позволить разработку совсем уж безумных вещей.

К примеру, в Массачусетском технологическом институте была разработана MEMS-турбина. Совершенно типичная турбина, вырабатывающая энергию. Только очень, очень маленькая — ее размер составляет около двух миллиметров. В чем смысл? В достижении лучшего соотношения запаса энергии к массе, нежели это доступно современным технологиям.

Микроскопический паровой двигатель, созданный just for lulz американской Sandia National Laboratories. Основная сфера деятельности этой организации — ядерное оружие и прочая национальная безопасность

По заверениям разработчика, нынешние литий-ионные батареи, основной источник питания для мобильной электроники, обеспечивают порядка 120-150 ватт-час на килограмм массы. По результатам исследования Mobi, порядка 150-200 Вт*ч/кг, если говорить об аккумуляторах для ноутбуков в сборе. Видимо, приводимые разработчиками данные относятся к более старым батареям.

Так или иначе, в MIT должны были довести этот показатель для микротурбины до 500-700 уже в 2007 году, а в долгосрочной перспективе рассчитывают на 1200-1500 Вт*ч/кг. Литий-ионной технологии такой уровень точно не по зубам.

Самка паутинного клеща (длина тела меньше миллиметра) знакомится с устройством микромеханизма

В американской государственной лаборатории Sandia, основной профиль которой — работа над ядерным оружием и прочими технологическими проектами, касающимися национальной безопасности США, трудятся ученые с совсем уж специфическим чувством юмора. Одной из их разработок в области MEMS стал... микроскопический паровой двигатель. Реальная польза от этого сооружения вряд ли известна даже участникам проекта, но штука, согласитесь, действительно забавная. Ведь это самый маленький в мире работающий паровой двигатель.

Еще сотрудники Sandia National Laboratories отметились актом катания на шестеренке одного из микромеханизмов маленького пылевого клещика. Как они утверждают, самое сложное было — загнать клещика на «карусель»...

КАК ДЕЛАЮТ MEMS

По методу изготовления и используемым материалам MEMS крайне сходны с полупроводниковыми устройствами. Наиболее популярен здесь кремний: дешевый полупроводник с хорошо изученными свойствами. В качестве изоляторов используются различные полимеры и оксиды (наиболее популярный — оксид кремния, то есть стекло). Для проводящих участков микросистем применяются металлы: золото, никель, алюминий, хром, титан, свинец, платина и серебро.

Основные технологии производства MEMS те же самые, что и в микроэлектронике. Литография — то есть изменение структуры и химического состава «полуфабрикатов» под воздействием того или иного типа излучения. Травление — выжигание «лишних» участков материала под влиянием различных веществ. И, наконец, напыление нового материала. Производство осуществляется в несколько стадий — как правило, количество стадий измеряется десятками, — с попеременным использованием трех вышеупомянутых основных процессов.

Происходит это примерно таким образом. На кремниевую пластину наращивается новый слой металла или полупроводника. Этот слой покрывается фоторезистом — чувствительным к свету, но стойким к травлению веществом. Из слоя фоторезиста с помощью литографии (фото- или рентгеновской) через заранее приготовленную матрицу из заранее приготовленной маски вырезаются лишние куски — получается маска уже из фоторезиста.

После этого используется травление — обработка поверхности химикатами, ионами тех или иных соединений или даже плазмой. При этом «лишние» куски удаляются уже из целевого слоя, который, собственно, и подвергается обработке. После этого фоторезист удаляется, наносится новый слой полупроводника, металла или изолятора, и процесс начинается по новой. Вот таким образом, слой за слоем, и изготавливается микроэлектромеханическая система — примерно так же появляются на свет процессоры и прочие электронные компоненты.

Кремниевая пластина с MEMS

Есть, однако, немаловажное психологическое отличие: если крутизну «обычного» чипа способен оценить лишь специалист, то микромеханика действительно завораживает даже далекого от техники человека. Пружинки и шестеренки толщиной всего в несколько микрон способны пробудить детский восторг в любом человеке.MEMS не могут позволить себе такую роскошь: излишнее усложнение конструкции ведет к дороговизне изготовления. Поэтому микроэлектромеханические системы получаются чрезвычайно элегантными в своей простоте. По крайней мере те из них, которые рассчитаны на массовое производство.

Микроэлектромеханика набирает обороты. Причины три: простота использования, компактность, дешевизна. Конечно, ту же функциональность зачастую может обеспечить и макромеханика. Но это и дороже, и не во всякое устройство она влезет. А можно вообще отказаться от дополнительной функциональности, которую обеспечивают MEMS. Но, поскольку цена вопроса — считанные доллары, а размеры чипов — с ноготь детского мизинца, то смысла в такой экономии зачастую нет.

Что дальше? Дальше — NEMS, то есть наноэлектромеханические системы. Разница лишь в размерах. И хотя сами MEMS-устройства еще довольно-таки велики, многие элементы современных систем уже измеряются в нанометрах. Так что нано обязательно будет — и, скорее всего, уже совсем скоро.






Рекомендуемый контент




Copyright © 2010-2019 housea.ru. Контакты: info@housea.ru При использовании материалов веб-сайта Домашнее Радио, гиперссылка на источник обязательна.