Посмотрите на смартфон в вашей руке. Он распознает наклоны, отслеживает ваши ежедневные шаги и записывает высококачественный звук, отфильтровывая фоновый шум. Мы воспринимаем эти функции как должное, но они основаны на механических движущихся частях, совершенно невидимых невооруженным глазом. Добро пожаловать в микроскопический мир миниатюризации и микроэлектромеханических систем (МЭМС). В то время как традиционная обработка металла заключается в вырезании заготовок для создания автомобильных двигателей или крыльев самолетов, обработка МЭМС — это искусство обработки кремния для создания микроскопических датчиков, шестерен и исполнительных механизмов. Это область, где правила классической физики начинают размываться, а точность измеряется в нанометрах.
Что же такое MEMS? Микроэлектромеханические системы (MEMS) — это миниатюрные устройства, которые объединяют механические элементы (например, рычаги, пружины и вибрирующие мембраны) и электрические элементы (например, микрочипы и датчики) на одной подложке, обычно кремниевой. В отличие от стандартных микрочипов, которые обрабатывают только электроны, устройства MEMS взаимодействуют с физическим миром. Они могут «чувствовать» ускорение, давление и звук, или же «действовать», перекачивая жидкости, направляя свет или перемещая крошечные микроскопические зеркала. Как мы обрабатываем невидимое? Нельзя использовать микроскопический фрезерный станок с ЧПУ для изготовления устройства MEMS. Инструменты были бы слишком большими, а силы разрушили бы хрупкие структуры. Вместо этого, технология обработки MEMS заимствует свои методы из полупроводниковой промышленности, полагаясь на химию и свет, а не на вращающиеся металлические лезвия. Вот три основных метода, используемых для «механической обработки» МЭМС: 1. Объемная микрообработка: создание основы Представьте себе объемную микрообработку как традиционное субтрактивное производство на микроскопическом уровне. Она включает в себя агрессивное травление основной части кремниевой пластины для создания глубоких трехмерных структур, таких как ямки, канавки и консоли. Влажное травление: использование жидких химикатов (например, гидроксида калия) для растворения кремния. Поскольку кремний имеет кристаллическую структуру, химикаты травят с разной скоростью и в разных направлениях, создавая точные геометрические углы. Сухое травление (DRIE): глубокое реактивное ионное травление использует высокоэнергетические плазменные газы для удаления материала прямо вниз, создавая глубокие вертикальные стенки без наклонных краев, возникающих при влажном травлении. 2. Поверхностная микрообработка: создание с нуля Вместо вырезания в блоке, поверхностная микрообработка создает устройство слой за слоем поверх кремниевой подложки. Последовательно наносятся слои конструкционных материалов (например, поликремния) и жертвенных материалов (например, диоксида кремния). После создания сложных слоев химическая промывка растворяет «жертвенный» материал, оставляя конструкционный материал свободно подвешенным. Так создаются микроскопические шестерни и подвижные пружины. 3. LIGA: Высокопроизводительный микропроцесс LIGA — это немецкая аббревиатура (Lithographie, Galvanoformung, Abformung), которая переводится как литография, гальваническое покрытие и формование. В ней используется мощное рентгеновское излучение для создания невероятно точных форм с высоким соотношением сторон. Затем эти формы заполняются металлом методом гальванического покрытия. LIGA используется, когда необходимы микроскопические детали из прочных металлов, а не из хрупкого кремния. Сравнение технологий
Характеристики: Объемная микрообработка, Поверхностная микрообработка, LIGA
Метод: Вычитающий (вырезание в пластине), Аддитивный (построение слоев сверху), Аддитивный (формование и гальваническое покрытие)
Материал: В основном монокристаллический кремний, Поликристаллический кремний, металлы, полимеры, Металлы (никель, медь, золото), пластмассы
Лучше всего подходит для: Датчиков давления, каналов для жидкостей, Микрошестерен, акселерометров, микрозеркал, Микромоторов, высокопрочных металлических деталей
Уникальные проблемы микромира Когда вы уменьшаете механические детали до размера эритроцита, гравитация практически перестает иметь значение. Вместо этого вступают в действие поверхностные силы, что создает уникальные проблемы в производстве: Залипание: Это главный враг MEMS. Поскольку детали очень малы и расположены близко друг к другу, капиллярное действие от влажности окружающей среды или статического электричества может привести к тому, что движущиеся части навсегда слипнутся. Упаковка: MEMS-устройство бесполезно, если в его микроскопические шестерни попадает пыль. Упаковка этих устройств в защитный вакуум или инертные газы, при сохранении возможности их подключения к внешнему миру, часто обходится дороже, чем производство самого чипа. Магия реального мира: Где используются MEMS? Технология MEMS незаметно проникла почти во все аспекты современной жизни: Автомобильная промышленность: При столкновении автомобиля крошечный MEMS-акселерометр обнаруживает резкое торможение и активирует подушку безопасности за миллисекунды. Медицина: Био-MEMS-технологии являются движущей силой революции «лаборатория на чипе», где микроскопические насосы и клапаны могут обрабатывать одну каплю крови для проведения комплексной диагностики за считанные минуты. Технологии отображения: Многие высококачественные проекторы используют цифровые микрозеркальные устройства (DMD). Эти чипы содержат миллионы микроскопических зеркал, которые наклоняются вперед и назад тысячи раз в секунду, отражая свет и создавая изображение на экране. Будущее за нанотехнологиями Мы уже переходим от MEMS к NEMS (наноэлектромеханическим системам), работая со структурами, размер которых измеряется атомами, а не микрометрами. По мере того, как мы продолжаем осваивать искусство миниатюрной обработки, мы открываем двери для адресной доставки лекарств с помощью нанороботов, сверхэффективного сбора энергии и датчиков, способных обнаруживать отдельные молекулы газа.