УДК 621.3.049.77.002.5

А.В. Корляков, канд физ.-мат. наук доц., В.В. Лучинин, д-р техн. наук доц.,
Центр микротехнологии и диагностики Санкт-Петербургского гос. электротехнического университета

ПЕРСПЕКТИВНАЯ ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА МИКРОСИСТЕМНОЙ ТЕХНИКИ

Проведен краткий анализ основных компонентов микросистемной техники: сенсоров и трансдьюсеров, аналитико-технологических микросистем, микроинструмента, микромашин.

Сенсоры и трансдьюсеры

Аналитико-технологические микросистемы

Микроинструмент

Микромашины и мини-роботы

 

Приступая к теме, отметим, что именно потребность в сенсорных элементах и ясная концепция их возможного развития послужили основным стимулирующим фактором для расширения исследований и развития производства объектов микросистемной техники.

Сенсоры и трансдьюсеры

Кратко основные этапы данной концепции "от сенсора к трансдьюсеру" могут быть сформулированы в виде следующих направлений деятельности:

·   разработка и создание мультисенсоров, объединяющих совокупность чувствительных элементов – первичных преобразователей;

·   разработка и создание интегрированных сенсоров, объединяющих чувствительный элемент и вторичный преобразователь, при условии их исполнения в рамках единой технологической системы;

·   разработка и создание интегрированных сенсоров [1] с активной исполнительной обратной связью [см. рисунок а] на чувствительный элемент (например, электростатический подвес или возбуждение маятника, ротора в микроакселерометре или микрогироскопе);

·   разработка и создание интегрированных сенсоров с аналитическими возможностями, т.е. с повышенной чувствительностью и (или) селективностью за счет использования нетрадиционных сенсорных сред, способов разделения и удержания пробы, методов регистрации и обработки информации.

Формулировка последнего направления фактически определила возникновение такого "куста" микросистемной техники, как микроаналитические системы, первым наиболее ярким представителем которого следует считать газовый микрохроматограф, созданный в конце семидесятых годов с использованием элементов кремниевой техники (планарная конструкция с капиллярной колонкой, выполненной в виде спиральной канавки, вытравленной в пластине кремния).

Аналитико-технологические микросистемы

Одним из перспективных направлений создания и использования микросистем является разработка аналитико-технологических микросистем [2,3], оперирующих со сверхмалыми объемами и количествами вещества, что позволяет повысить эффективность реализации процессов по энергетическим и временным параметрам, обеспечивает возможность работы с вредными и токсичными веществами, упрощает утилизацию отходов. Все это создает предпосылки к высокой экономической эффективности таких систем.

Для аналитико-технологических микросистем нового поколения характерны:

·   блочно-модульная унификация технологических и контрольно-диагностических подсистем;

·   полифункциональность и гибкость, определяющие многономенклатурность продукции и многообразие решаемых классов задач в условиях различных потребителей (химия, биотехнология, медицина, приборостроение, машиностроение);

·   интегрированность аналитических и технологических модулей в пределах одного рабочего места, определяющая возможность как разделения, так и концентрации различных видов воздействий в рабочей зоне;

·   интеллектуальность микрооборудования, определяемая развитой системой контрольно-диагностических модулей и гибкой связью между аналитическими и технологическими модулями и подсистемами информационного и энергетического обеспечения;

·   локальность и прецизионность воздействия, что позволяет работать со сверхмалыми объемами и количеством веществ, уменьшить энергетические затраты, повысить эффективность и скорость протекания процесса;

·   экологичность, определяемая возможностью работы со сверхмалыми количествами вредных и токсичных веществ и простотой утилизации отходов;

·   экономичность, определяемая групповыми принципами производства, используемыми при создании технологических микросистем, их низкой материало- и энергоемкостью, а также высокой эффективностью применения микротехнологических систем при работе со сверхмалыми количествами веществ.

Аналитико-технологические микросистемы [см. рисунок б] являются новым видом оборудования для работы со сверхмалыми количествами веществ неорганической и органической природы с высокой степенью локализации воздействий, дифференциацией и интеграцией физико-химических процессов в условиях микрообъемов и магистралей, создаваемых методами микротехнологии твердого тела. В состав интегрированной кластерной технологической микросистемы ("роботизированного" технологического чипа) входят:

·  технологические модули;

·  контрольно-диагностические модули;

·  модули хранения и утилизации;

·  транспортные магистрали;

·  подсистемы энергообеспечения;

·  информационно-управляющие подсистемы.

Основными признаками кластерной микросистемы являются:

·  номенклатура и характеристики технологических модулей;

·  номенклатура и характеристики контрольно-диагностических модулей; номенклатура и характеристики транспортных магистралей;

·  количество рабочих позиций и возможность их наращивания (открытость);

·  структурно-компоновочные схемы и способ агрегатирования;

·  взаимно-пространственное расположение модулей (линейное, радиальное, смешанная компоновка) и способ обеспечения межмодульных связей;

·  принцип функционирования (последовательный, параллельный, параллельно-последовательный).

Магистрально-модульная система построения кластерного комплекса, унификация конструкции технологических, контрольно-диагностических модулей и транспортных магистралей, а также их дублирование и возможность внесения изменений в топологические связи между модулями на этапе проектирования (за счет замены ограниченного числа шаблонов при проведении литографических операций) без радикального изменения технологии предопределяют внутреннюю гибкость кластерной аналитико-технологической микросистемы, что обеспечивает ее полифункциональность.

Микроинструмент

Микроинструмент представляет собой комплекс сменных технологических микромодулей для выполнения различного рода операций с высокой локальностью воздействий. Комплекс состоит из микроустройств [см. рисунок в], обеспечивающих на микроуровнях захват, подачу и отсос, нагрев, препарирование, стимуляцию и сверхлокальную (вплоть до наноуровня) диагностику. Это позволяет осуществлять операции дозирования, присоединения, удаления, модифицирования, измерения.

Фактически минимальная достаточность комплекта сменного микротехнологического инструмента, устанавливаемого в прецизионный микроманипулятор, определяется исходя из возможности локального проведения трех основных видов микроопераций: нанесения, удаления и модификации вещества. Для отдельных операций и специфических процессов возможно изменение базовых технологических микромодулей, оснащение их встроенными средствами контроля.

Базовый комплект микротехнологического инструмента способствует развитию индивидуальных микроопераций и микроманипулирования с объектами органической и неорганической природы, а также обеспечивает требуемую гибкость в работе технологических кластерных микросистем.

Обобщая представленную информацию о микросистемах, предназначенных для реализации технологических и аналитических операций на микроуровне в микрообъемах с использованием сверхмалых количеств рабочих веществ, отметим, что микросистемы технологического назначения являются одним из наиболее перспективных и "масштабных" направлений технологий, машин и производств будущего, ориентированных на "тонкие" и "точные" наукоемкие процессы, определяющие научно-технический потенциал и обороноспособность государства.

Создание нового поколения аналитико-технологических микросистем и микроинструмента, предназначенных для работы на микроуровне с объектами неорганической и органической природы предусматривает:

·   разработку новых принципов организации и функционирования аналитико-технологических микросистем с учетом возможности модификации конструкции и технологии их создания с целью обеспечения гибкости в отношении номенклатуры решаемых задач, т.е. гармонизации конструкторско-технологического единообразия и многофункциональности системы;

·   освоение новых принципов конструирования технологических микросистем и микроинструмента с учетом эффектов масштабирования, определяемых миниатюризацией технологических и диагностических модулей, необходимостью прецизионного манипулирования микрообъектами, а также реализацией процессов в сверхмалых объемах с использованием ограниченных количеств веществ;

·   широкое использование принципов и элементной базы микроэлектромеханики и микрооптики при создании аналитико-технологических микросистем и микроинструмента с учетом особенности интеграции в ограниченных объемах исполнительных и чувствительных элементов с электрическими, оптическими, механическими и магнитными связями;

·   широкое использование классических конструктивных решений, применяемых при создании традиционных микрорадиоэлектронных компонентов, в конструкциях технологических, контрольно-диагностических модулей и особенно при конструировании подсистем информационного и энергетического обеспечения;

·   освоение новой номенклатуры материалов с повышенной устойчивостью к внешним воздействиям при создании технологических микросистем и микроинструмента, работающих в условиях высокой пространственной и временной концентрации энергии при непосредственном контакте с рабочей средой, в том числе химически активной;

·   модернизацию и адаптацию оборудования и основных процессов (преимущественно корпускулярных) классической технологии изделий микроэлектроники к решению задач создания аналитико-технологических микросистем и микроинструмента.

Микромашины и мини-роботы

Целенаправленные работы в области создания микродвигателей ведутся уже более десяти лет. Преимущественно это относится к электростатическим двигателям, что связано с особенностями конструкции, обусловленными техническими ограничениями в использовании третьего измерения. Создание эффективных электромагнитных двигателей стало возможным в связи с развитием "объемной" волоконной технологии, когда базовые элементы конструкции формируются за счет сборки стекловолоконного пакета, его последующего утоньшения путем вытягивания и, наконец, избирательного травления стекла с образованием полостей, которые при формировании обмоток двигателей заполняются металлом или выполняют функцию полости для микроротора. Обращает на себя внимание и тот факт, что в качестве источников движения в микросистемах используются не только электрические, но и пневматические элементы.

В последние годы выполнены уникальные работы в области микросистемной техники по проблемам автономных миниатюрных систем энергообеспечения и нетрадиционных движителей. Наибольший интерес в этой области представляют микротурбины – миниатюрные аналоги классических турбин, вращение которых обеспечивается за счет сжигания газов при высоких температурах, например водорода, что обеспечивает возможность генерации мощности до десятков ватт при размерах микромашины в несколько миллиметров. На рисунке г представлена техническая реализация ротора микротурбины методом сухого глубинного травления [4]. Наряду с этим для обеспечения "динамичного" и энергетически эффективного передвижения в пространстве ведутся активные работы по миниатюрным "плазменным" двигателям.

Особый интерес подобные разработки представляют для робототехнического направления. Мини-роботы, как правило, предназначены для эксплуатации в условиях, непосредственно не доступных человеку (живой организм, зоны с повышенными уровнями радиации и загрязнения ядовитыми веществами, взрывоопасные объекты). Следует, однако, особо отметить, что основным стимулирующим фактором развития миниатюрных робототехнических систем является возможность их применения для обеспечения безопасности и обороноспособности государства.

Объекты микросистемной техники, представленные на рисунке 1, разработаны с использованием конкурентоспособной отечественной технологии [5] в Центре микротехнологии и диагностики Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета.

Рис. 1. Практическая реализация объектов микросистемной техники

Список литературы

1.   Luchinin V.V., Korlyakov A.V. // Transaction of Indo-Russian Workshop on Micromechanical Systems. India, New Delhi. 1999. P. l-16.

2.   Sprangers D., Prak A., Leeuwis H. //MST News. 1997. № 22. P. 15-16.

3.   Daniel J.H., Igbal S., Milington R.B. // Sensors and Actuators. A Physical. 1998. V.71. P. 81-88.

4.   Luchinin V.V., Korlyakov A.V., Vasilev A.A. // Proc/SPIE. 1999. V3680. P. 783-791.

5.   Корляков А.В., Лучинин В.В., Мальцев П.П. Микроэлектромеханические структуры на основе композиции "карбид кремния – нитрид алюминия" // Микроэлектроника – 1999, № 3. С. 201-212.