ТехНовБум – Онлайн журнал о новых технологиях

Что таит в себе технология MEMS: микро-электро-механические системы?

Среднестатистический потребитель не всегда задается вопросом, почему и каким образом окружающие его электронные приборы умеют правильно анализировать окружающую среду и соответственно реагировать, обычно происходящее определяется «чудом техники». Пульт игровой приставки Wii, точно считывающий траектории движения, подушка безопасности машины, открывающаяся только в момент столкновения, дополнительные системы безопасности машины (ESC,ABS,ACC), стабилизация изображения во время съемки фотоаппаратом, печатающие головки струйных принтеров – за этими и многими другими вошедшими в нашу жизнь устройствами и системами стоит технология МЭМС (MEMS) – Микро-Электро-Механических Систем.

Технология МЭМС базируется на использовании как механических свойств полупроводниковых материалов ( для сбора информации об окружающей среде), так и электрических ( для последующей логической обработки сигнала и общего контроля). Многие утвердают, что только в технологии MEMS возможно создание полноценных законченных систем на кристалле (SoC), поскольку электрические микрокомпоненты можно сравнить с «мозгом», а механические элементы – «конечностями», посредством которых мозг понимает, что происходит вокруг.

Бесконечна глубокая человеческая фантазия и креативность породила первые зачатки этой технологии еще в 50-е годы прошлого века. Но долгие годы технология существовала лишь в рамках концепции, за неимением промышленной технологии изготовления прототипов. Лишь в 90-е годы технология MEMS возродилась заново, в момент, когда сотрудник IBM обнаружил что кремний, известный полупроводниковый материал, обладает также выгодными механическими свойствами. Это событие повлекло за собой массовый интерес и разработку первых систем,  где интегрированы электрические и механические микроэлементы. В то же время сформировалась аббревиатура MEMS, применяемая в практике многих стран мира. Отличные термины для описания МЭМС технологии практикуются в Японии (мехатроника или микромашины) и в Европе (MST — Microsystem Technology).

механические микро компоненты МЭМС

Благодаря уникальным свойствам Микро-Электро-Механических Систем, они нашли применение в самых различных областях науки и техники: оптика, гидравлика, механика, теплотехника, вычислительные машины, и, со временем, стали неотъемлемой частью многих пользовательских устройств, систем безопасности машин,  медицинского оборудования и имплантатов.

Самые первыми решениями на базе МЭМС стали простейшие датчики ускорения, так называемые акселометры. Механический сенсор, способный распознавать сильные перепады скоростей, широко применяется сегодня для открытия подушек безопасности, или, скажем, для запуска защитного режима в жестких дисках или других устройствах при падении. Впоследствии стали широко распространены гироскопы MEMS, измеряющие угловые скорости движения относительно трех осей, тем самым распознавая точное положение в трехмерном пространстве.

Устройства GPS оснащены гироскопами МЭМС для продолжения навигации в случае потери сигнала спутника или для экономии заряда аккумулятора, игровой пульт Wii, а  в ближайшем будущем возможно появление встроенных в мобильные телефоны гироскопов, реагирующие на человеческие жесты, принимающие звонок при подношении к уху, к примеру.

Среди прочих Микро-Электро-Механических Систем можно отметить сверхчувствительные микрофоны, применяемые в телефонах и ноутбуках, осциляционные системы, где MEMS  – генераторы формируют стабильные колебания, оптическеские переключатели с микрозеркалами и многое другое.

Технология Микро-Электро-Механических Систем несет в себе огромный потенциал. Многие области техники нуждаются в интегрированных электромеханических решениях уже существующих или же планируемых технологий. Этому способствуют положительные качества, которыми обладают МЭМС системы.

Во-первых, следует отметить ,что изготовление электромеханических систем осуществляется технологическими приемами, аналогичными тем, которыми изготавливают традиционные интегральные схемы. Факт комбинации механических и электронных компонентов на единой кремниевой основе, выполненной в хорошо управляемом технологическом процессе, обеспечивает высокую надежность, фунционирование (слаженая единая система) и  более низкую стоимость, чем у подобных дискретных механических схем.  Кроме всего прочего, механические компоненты MEMS, как правило, мало восприимчивы к внешним агрессивным воздействиям.

величина обычных MEMS

Немало качеств, характерных Микро-Электро-Механическим системам обусловлено именно мелкими размерами компонентов  MEMS. Хочется подчеркнуть, что размеры компонентов MEMS, как правило, от 20 микрометров до одного миллиметра. При таком размере электрический сигнал не подвергается сильным шумовым помехам и имеет более слажные рабочие частоты. Электро-Механическая система, выполненая на микроуровне, демонстрирует уникальные свойства, не свойственные телам классических размеров в силу на порядок высокого отношения площади поверхности к объему, таковой являтся повышенная чувствительность к статическому электричеству. Стоит заметить и самую логичную практическую сторону минимализации – готовые MEMS сенсоры или же исполнительные механизмы можно с легкостью встроить в любой нацеленный продукт.

Учитывая уникальные свойства Микро-Электро-Механических систем, аналитики сулят технологии МЭМС счастливое безоблачное небо на технологическом небосклоне. С тех пор, как технология МЭМС удачно показала себя на опыте с подушками безопасности,прошло немало времени, и уже можно заметить, что  широкий спектр областей промышленности нашел в МЭМС либо долгожданное решение существовавших проблем, либо средство реализации инновационных идей. Широкие возможности применения MEMS делают ее незаменимой технологией современной электротехнической индустрии. Но потенциал данной технологии далеко не исчерпан, постепенно осваивается новый этап развития электромеханики – нано–электро-механические системы.

Многие видят большую важность в реализации потенциалов этой перспективной технологии. Это подкрепляет тот факт, что уже в 2005 году общий объем капиталовложений в развитие Микро-Электро-Механических систем составил 1 млрд. долларов, а в 2010 году такова будет сумма вложения только для реализации MEMS в мобильных аппаратах (примерно десятая часть рынка сбыта МЭМС).

Метки: MEMS, гироскоп