Что такое МЭМС (микроэлектромеханическая система)? Типы и применение

Микроэлектромеханическая система, или МЭМС, представляет собой миниатюрное устройство или машину, которая изготовлена как из механических, так и из электрических компонентов, используя методы микрообработки.

Термин «МЭМС» часто используется для описания как категории микромехатронных систем, так и технологического процесса, используемого для их изготовления. Некоторые МЭМС не имеют механических компонентов, но поскольку они преобразуют определенные механические сигналы в электрические или оптические, они классифицируются как МЭМС.

Размер МЭМС

Физические размеры МЭМС-устройств могут варьироваться от 20 микрометров до одного миллиметра. Они изготовлены из компонентов размером от 1 до 100 микрометров.

Хотя отдельные компоненты могут быть меньше ширины человеческого волоса, несколько модулей, расположенных в массивах, могут занимать площадь более 10 сантиметров.

МЭМС-устройства обычно содержат центральные устройства обработки данных (такие, как микропроцессоры) и крошечные инструменты, которые взаимодействуют с окружающей средой (такие, как микросенсоры).

Типы МЭМС

Существует две формы технологии коммутации МЭМС: омическая и емкостная.

1. Омические МЭМС-переключатели разработаны с использованием электростатических кантилеверов. Поскольку кантилеверы деформируются с течением времени, эти переключатели могут выйти из строя из-за износа контактов или усталости металла.

2. Емкостные переключатели управляются подвижной пластиной или чувствительным элементом, который изменяет емкость. Используя свои резонансные характеристики, они могут быть настроены так, чтобы превзойти омические устройства в определенных частотных диапазонах.

Как они построены?

Хотя интерес к производству МЭМС вырос в 1980-х годах, потребовалось почти два десятилетия, чтобы создать инфраструктуру проектирования и производства, необходимую для их коммерческого развития. Одним из первых таких устройств были струйные печатающие головки и контроллеры подушек безопасности.

Используя эту технологию, исследователи смогли создать проектор с микрозеркалами (который использует МЭМС) в конце 1990-х. Со временем микросенсоры стали более популярными: они постепенно интегрировались в различные типы датчиков, включая датчики излучения, магнитных полей, температуры и давления.

Сегодня МЭМС используются практически во всех интеллектуальных устройствах, и они стали гораздо более эффективными (с точки зрения производительности и энергопотребления), чем их более крупные аналоги. Они состоят из таких частей, как микропроцессоры, микроактюаторы, микросенсоры, несколько блоков обработки данных.

Изготовление МЭМС включает в себя те же методы, которые используются для создания интегральных схем и полупроводниковых приборов. Основными методами являются:

• Напыление: на специальную поверхность наносят тонкие слои (от 1 до 100 мкм) материала.
• Паттернирование: рисунок передается в материал с помощью процесса, называемого литографией.
• Травление : материал растворяется либо в химическом растворе, либо с использованием реактивных ионов для получения требуемой формы.
• Подготовка матрицы: После того, как МЭМС-устройства подготовлены на кремниевой пластине, отдельные матрицы разделяются, а затем нарезка пластин осуществляется с помощью охлаждающей жидкости или сухого лазерного процесса.

Кремний является наиболее распространенным материалом, используемым для создания МЭМС. Он легко доступен, недорог и имеет существенные преимущества, особенно в области микроэлектроники. Например, кремний очень мало страдает от усталости и почти не рассеивает энергию.

Некоторые МЭМС изготавливаются из металла с помощью процессов гальванизации, испарения и распыления. Металлы с высокой степенью надежности включают золото, платину, серебро, вольфрам, медь, титан и алюминий.

Полимеры также могут быть использованы для изготовления МЭМС-устройств, так как их можно производить в больших объемах, с различными характеристиками материала.

Чем МЭМС отличаются от NEMS?

NEMS (сокращение от наноэлектромеханических систем) — это класс устройств, имеющих электрические и механические характеристики на наноуровне. NEMS формируют следующий логический этап миниатюризации от MEMS.

Проще говоря, NEMS похожи на МЭМС, но имеют меньший размер: они содержат критические структурные элементы на уровне не более 100 нанометров (в атомном или молекулярном масштабе).

Хотя NEMS и МЭМС называются отдельными технологиями, они зависят друг от друга. Например, сканирующий туннельный микроскоп, который обнаруживает атомы, является устройством МЭМС.

В отличие от МЭМС, в технологии NEMS используются материалы на основе углерода, в частности алмаз, углеродные нанотрубки и графен. Благодаря значительным достижениям в области роста, манипуляций, знаний электрических и механических свойств графена, исследователи проявляют все больший интерес к графену для таких устройств NEMS, как датчики давления, резонаторы, акселерометры и т.д.

Примеры и применения

По мере того как МЭМС становятся более эффективными и дешевыми в производстве, они, как ожидается, будут играть решающую роль в IoT (интернет вещей) и домашней автоматизации. Распространенными коммерческими приложениями МЭМС являются:

• Акселерометры в транспортных средствах для различных целей, таких как электронный контроль устойчивости и срабатывание подушки безопасности
• Сенсорные системы охлаждения и отопления для систем управления зданием
• Оптический переключатель, используемый для переключения технологий и выравнивания для передачи данных
• Одноразовые датчики кровяного давления и датчики давления автомобиля из силикона
• Электростатические, электромагнитные и пьезоэлектрические микроуборочные комбайны (используются для сбора энергии)
• Маленькие микрофоны, барометры и гироскопы для поддержки приложений для смартфонов

Мировой рынок

Многие компании работают над проектами МЭМС. Небольшие фирмы предлагают инновационные решения и справляются с расходами на изготовление по индивидуальному заказу с высокой прибылью от продаж. Более крупные фирмы в основном производят в больших объемах недорогие детали или упакованные решения для конечных рынков, таких как электроника, биомедицина и автомобилестроение. Как правило, как малые, так и крупные компании инвестируют в исследования и разработки для создания новых технологий МЭМС.