Понимание MEMS: микроэлектромеханические системы, типы и применения

Понимание MEMS: микроэлектромеханические системы, типы и применения

Микроэлектромеханическая система (MEMS) — это миниатюрное устройство или машина, состоящая из механических и электрических компонентов, изготавливаемая методами микрофабрикации.

Термин «MEMS» часто используют для обозначения как категории микромехатронных систем, так и процесса технологий их производства. Некоторые MEMS не имеют механических компонентов, но поскольку они преобразуют механические сигналы в электрические или оптические, их классифицируют как MEMS.

В Европе MEMS чаще называют технологией микросистем, а в Японии — микромашинами.

Размеры MEMS

Физические размеры MEMS-устройств варьируют от 20 микрометров до одного миллиметра. Они состоят из компонентов размером от 1 до 100 микрометров.

Хотя отдельные компоненты могут быть уже волоска, множественные модули, собранные в массивы, могут занимать площадь более 10 см².

MEMS-устройства обычно содержат центральные блоки обработки данных (например, микропроцессоры) и крошечные приборы, взаимодействующие с окружением (например, микродатчики).

Типы MEMS

Существует два типа технологий MEMS-переключателей: омические и ёмкостные.

1. Омические MEMS-переключатели разрабатывают с использованием электростатических консолей. Поскольку консоли деформируются со временем, эти переключатели могут выйти из строя из-за контактного износа или металлической усталости.

2. Ёмкостные переключатели управляются движущейся пластиной или чувствительным элементом, меняющим ёмкость. Используя их резонансные характеристики, их можно настроить на превосходство над омическими устройствами в определённых частотных диапазонах.

Как они изготавливаются?

Хотя интерес к производству MEMS вырос в 1980-х, потребовалось почти два десятилетия для создания проектно-производственной инфраструктуры, необходимой для коммерческого развития. Первыми такими устройствами были печатающие головки струйных принтеров и контроллеры подушек безопасности.

С помощью этой технологии исследователи смогли построить проектор с микрозеркалами (использующим MEMS) в конце 1990-х. Со временем микродатчики стали популярнее: их постепенно интегрировали в разные типы датчиков — радиации, магнитных полей, температуры и давления.

Сегодня MEMS используются почти во всех умных устройствах и стали гораздо эффективнее (по производительности и энергопотреблению) своих крупных аналогов. Они состоят из частей: микропроцессоры, микроактуаторы, микродатчики, блоки обработки данных.

Фабрикация MEMS использует те же техники, что и создание интегральных схем и полупроводниковых приборов. Основные методы:

• Осаждение (Deposition): Тонкие слои (1–100 микрометров) материала осаждаются на специальную поверхность.
• Структурирование (Patterning): Узор переносится в материал через процесс литографии.
• Травление (Etching): Материал растворяется в химическом растворе или реактивными ионами для получения нужных форм.
• Подготовка кристаллов (Die preparation): После изготовления MEMS на кремниевой подложке отдельные кристаллы разделяют, затем выполняют дайсинг через охлаждающую жидкость или сухой лазерный процесс.

Кремний — самый распространённый материал для MEMS. Он доступен, недорог и имеет существенные преимущества, особенно в микроэлектронике. Например, кремний почти не устаёт и практически не диссипирует энергию.

Некоторые MEMS делают из металлов через гальваническое осаждение, испарение и спуттеринг. Надёжные металлы: золото, платина, серебро, вольфрам, медь, титан, алюминий.

Полимеры также можно использовать для производства MEMS, так как их можно выпускать большими объёмами с разными характеристиками.

Чем MEMS отличаются от NEMS?

NEMS (наноэлектромеханические системы) — класс устройств с электрическими и механическими характеристиками в наномасштабе. NEMS — логический следующий шаг миниатюризации после MEMS.

Простыми словами, NEMS похожи на MEMS, но меньше: критические структурные элементы на уровне 100 нм и ниже (атомные или молекулярные масштабы).

Хотя NEMS и MEMS считаются отдельными технологиями, они взаимозависимы. Например, сканирующий туннельный микроскоп, обнаруживающий атомы, — это MEMS-устройство.

В MEMS важную роль играют силы гидродинамики и окружающего электромагнетизма. В NEMS также критичны поверхностные сенсорные механизмы и крупные квантово-механические эффекты.

В отличие от MEMS, NEMS используют углеродные материалы: алмаз, углеродные нанотрубки, графен. Благодаря прогрессу в росте, манипулировании и знании электрических и механических свойств графена, исследователи всё больше интересуются графеном для NEMS: датчики давления, резонаторы, акселерометры и др.

Примеры и применения

По мере роста эффективности и снижения стоимости MEMS ожидается, что они сыграют ключевую роль в IoT (интернете вещей) и домашней автоматизации. Распространённые коммерческие применения MEMS:

Акселерометр в смартфоне | YouTube

• Акселерометры в автомобилях: электронная стабилизация, срабатывание подушек безопасности
• Сенсорно-управляемые системы охлаждения и нагрева для управления зданиями
• Оптические коммутаторы для коммутации и выравнивания в передаче данных
• Одноразовые датчики артериального давления и автомобильные датчики давления из кремния
• Электростатические, электромагнитные и пьезоэлектрические микрогенераторы (сбор энергии)
• Маленькие микрофоны, барометры и гироскопы для приложений смартфонов
• Микросопла в струйных принтерах для управления потоком чернил

Читайте: 5 разных типов микроскопов и их применение

Глобальный рынок

Многие компании работают над MEMS-проектами. Меньшие фирмы предлагают инновационные решения и покрывают затраты на кастомную фабрикацию за счёт высоких марж. Крупные фирмы в основном производят дешёвые детали большого объёма или упакованные решения для конечных рынков: электроника, биомедицина, автомобили. Обычно и малые, и крупные компании инвестируют в НИОКР для создания новых MEMS-технологий.

По данным Grand View Research Inc, глобальный рынок MEMS к 2024 году достигнет $28,84 млрд. В 2015 году он составлял почти $12 млрд. Учитывая растущую популярность подключённого образа жизни, потребительская электроника останется доминирующим сегментом (свыше 40% глобальной выручки).

Читайте: 10 разных типов батарей

Проблемы калибровки и точности могут замедлить рост рынка. Но интенсивная конкуренция заставит игроков держать цены низкими в ближайшие годы.