Mikro elektro-mekanik sistemler

Mikroelektro-mekanik sistemler (MEMS) günümüzde var olan mekanik ve elektrik sistemlerin entegre ve minyatürize versiyonları olup mikron boyutlarında olan bu sistemleri nanoelektromekanik sistemler (NEMS) vasıtası ile nanoteknoloji uygulamaları için de kullanmak da mümkündür. MEMS kavramı ilk olarak 1987 yılında bir mikrodinamik çalıştayı esnasında telaffuz edilmiştir. Fakat MEMS kavramının ortaya çıkması esas olarak entegre devre çalışmalarında yaşanan gelişmeler ışığında olmuştur. Bu gelişmeler içinde kalıba alma, kaplama teknolojileri, ıslak oyma metotları, kuru oyma metotlarında yaşanan gelişmeler mikro aygıt yapımını mümkün kılmıştır. Küçük aygıtların yapılması konusunda ortaya çıkan ilk fikir ünlü fizikçi Richard Feynman tarafından 1959 yılında yapılan "There's plenty of room at the bottom" isimli konuşmada ortaya atılmıştır. Mikro-elektromekanik sistemlerin boyutları 1 ile 100 mikrometre arasında değişim gösterir. Bu küçük boyutlarda standard fizik kuralları genellikle geçersizdir. MEMS yapılarında yüzey alanının hacime oranı oldukça yüksektir bu sebep ile yüzey etkileri (elektrostatik kuvvetler,ıslatma) hacim etkilerine (eylemsizlik,termal kütle) baskın gelir. Mikro elektro-mekanik sistem yapıları üç bölümden oluşur. Bu bölümler mekanik bölüm, mekanik bölümü çalıştıran tahrik bölümü ve mekanik hareketin davranışını inceleyen algılama bölümü olarak özetlenebilir. MEMS tahrik mekanizmaları verilen tahrik tipine göre farklılık gösterir. MEMS yapıları termal, elektrostatik, manyetik, pnömatik ve optik olarak tahrik edilebilir. Algılama işlemi ise genellikle optik ve elektronik sinyaller vasıtası ile yapılır. MEMS, Makina-Malzeme-Elektronik başta olmak üzere, temelde tüm mühendislik dalları ve temel bilimlerle birlikte pek çok dalı kapsayan çalışmaların yapıldığı disiplinlerarası bir kavramdır.

Minimizasyon kavramı

MEMS aygıt tasarımı entegre devre üretiminde gerçekleşen yenilikler ışığında ortaya çıkmıştır. Entegre devre üretiminde ortaya çıkan gereksinimlerden doğan aygıtları küçültme fikri sayesinde küçük aygıt tasarımlarına olanak veren üretim metotları geliştirilmiş ve ilk olarak entegre devre endüstrisinde kullanılmıştır. Entegre devrelerde önemli bir yer teşkil eden transistorün küçültülmesi günümüz modern işlemcilerinin peformansına önemli bir katkı sağlamıştır. Günümüzde 45 nanometre boyutunda transistorler hemen hemen bütün işlemcilerde kullanılmaktadır. Entegre devrelerin geneli silikon materyalinden üretilir. Silikon mekanik ve elektronik özellikleri itibarı ile entegre devre yapımına en uygun malzeme olarak göze çarpmaktadır. Entegre devre üretim tekniklerinin büyük bir kısmı silikona yönelik tasarlandığı için silikon MEMS yapıları için de vazgeçilmez bir materyaldir. Silikon materyali ve entegre devre üretim metotları kullanılarak pek çok MEMS yapısı üretilebilir. Silikon işlenebilirliği sayesinde aygıt boyutlarının daha küçük değerlere indirilmesinde de önemli bir rol oynamıştır. Aygıtları küçültmek ise aygıt performansını arttırmış, birim aygıt fiyatını düşürmüş ve güç tüketiminin azalmasına neden olmuştur. Aygıt boyutları küçültülürken pek çok yeni üretim metodu da geliştirilmiştir (Molekül Demeti ile Kaplama,Metal Organik Kimyasal Buharlaştırma Metodu). Bu gelişmeler neticesinde ise mikron boyutlarında fonksiyonel mekanik aygıtlar yapılması ve bu aygıtların elektronik olarak kontrol edilmesi mümkün hale gelmiştir.

Kaplama (Deposition)

MEMS teknolojisinde yer alan ilk üretim aşaması ince film kaplamasıdır. Bu filmlerin ince tabakalar halinde oluşturulması için kullanılan standard metotlar Kimyasal Buhar ile Kaplama (CVD), Fiziksel Buhar ile Kaplama (PVD) olarak sınıflandırılabilir. Bu metotların tercihi elde edilecek aygıtın yapısı, kullanılacak malzeme ve diğer aşamalarda kullanıcak metotlar ile doğrudan ilişkilidir. Fiziksel buhar ile kaplama metotları : Isı ile Buharlaştırma, Saçınım ile kaplama, Elektron demeti ile kaplama, Kathodik Ark ile kaplama, Lazer ile kaplama, Molekül Demeti ile Kaplama, Oksidasyon. Kimyasal buhar ile kaplama metotları : Düşük sıcaklıkta Kimyasal Buhar ile Kaplama, Yüksek sıcaklıkta Kimyasal Buhar ile Kaplama, Düşük basınç altında Kimyasal Buhar ile Kaplama, Plazma destekli Kimyasal Buhar ile Kaplama, Lazer destekli Kimyasal Buhar ile Kaplama, Metal organik Kimyasal Buhar ile Kaplama.

Işınım ile şablon oluşturma

Işınım ile şablon oluşturma kavramı, belli bir desenin ışığa duyarlı malzeme üzerine, ışınım ile seçilimli olarak aktarılmasını kasteder. Işığa duyarlı malzemelerin fiziksel özellikleri, ışınım etkisi altında değişir. Eğer bir ışığa duyarlı malzeme, maskeleme gibi bir yöntemle seçilimli olarak ışınıma maruz kalırsa, ışınıma maruz kalan ve kalmayan bölgeler arasındaki fiziksel özellikler farklılık gösterir. Işınıma maruz kalan bölge daha sonra uzaklaştırılabilir veya üzerine çeşitli işlemler yapılabilir.

Diğer şablon oluşturma metotları

Elektron demeti ile taranarak çok daha dar ve küçük bölgelerin şablonu oluşturulabilir. İyon demetleri ile litografi yapılması ise daha derin yapıların şablonunun tanımlanmasına olanak sağlar. İyon demetlerinin taradığı alan elektron demetinden çok daha büyüktür. Yumuşak kalıplar kullanılarak yapılan şablon oluşturma metodu kolay uygulanabilirliği ve tekrarlanabilirliği açısından çok tercih edilen bir metottur. Fakat bu metot ile yapı çok kolay bozulabildiğinden uygulanırken dikkatli olunması gerekmektedir. X-ray ile şablon oluşturma metodu küçük ölçekli yapıların şablonları için kullanılan metotlardan birisidir. Bu metodun kullanımı optik metotların dalga boyu limitini aşması ile popülerliğini yitirmiştir. Tarama sondası litografisi yakın zaman içinde MEMS alanında pek çok uygulama bulmuştur. Tek elektron ile çalışan transistorlerin şablonları bu metot ile hazırlanmıştır.

Şablon uyarınca malzeme oyma metotları (Etching)

MEMS yapıların oluşumunda gerçekleşen son aşama materyale aktarılan şablon uyarınca yüzeyin şekillendirilmesidir. Bu işlemin gerçekleşebilmesi için malzemelerin bir kısmının bilinçli biçimde ortadan kaldırılması gereklidir. Malzemeleri ortadan kaldırmak için standard olarak uygulanan iki metot bulunmaktadır. Bu metotlardan ilki şablonu çıkarılmış yapıda bulunan şablon dışı malzemenin bir sıvı içerisinde çözülerek veya kimyasal reaksiyona sokularak ortadan kaldırılmasıdır (Wet Etching). Reaktif iyonlar ile malzeme kaldırılması ise başka bir yüzey işleme metodudur. Bu metot şablon üzerinde kalan veya şablonunun dışarısında kalan bölgeleri (Bu durum şablonu oluşturan maskenin negatif veya pozitif olması ile değişim gösterir) reaktif iyonlar ile tarayarak şablon uyarınca malzemeye şekil verir. Bu metodun dezavantajı ise yüksek enerjili iyonların yüzeye zarar vermesi veya yük birikimine neden olmasıdır. Reaktif iyon metodunun gelişmiş bir versiyonu ise derin reaktif iyon metodudur. Bu metot izotropik ve anizotropik iki iyon ile malzeme kaldırma metodunun bir kombinasyonudur. Bu metot ile malzeme çok daha derin ve düzgün bir profil ile işlenebilir.

Uygulamaları

Günümüzde MEMS birçok uygulama ile hayatımıza yerleşmiş durumdadır. Bu uygulamalardan bazıları aşağıda yer almaktadır.

Mürekkepli Yazıcılar

Bazı malzemelerin piezoelektrik özelliklerine dayaranak tasarlanan MEMS'ler mürekkepli yazıcıların mürekkep püskürtme işlemini kontrol etmek amacı ile kullanılmaktadır. Voltaj farkı uygulandığı zaman piezoelektrik malzemelerin boyutları değişmekte ve bu şekil değişimi ile mürekkebin akışı kontrol edilmektedir.

Hava yastıkları

Hava yastıkları arabanın yavaşlama hızına bağlı olarak çalışmaya başlarlar. Yavaşlama hızı, ivme ölçerler ile tayin edilir. Hava yastıklarında kullanılan sensörler MEMS ivme ölçerleridir. Bu MEMS ivme ölçerleri, ani hareket değişimleri sırasında kapasitansta gerçekleşen değişim ile algılarlar ve sinyal oluşturarak hava yastığının çalışmasını sağlarlar. MEMS öncesinde kullanılan, civa anahtarı olarak bilinen sistemler kullanılan hava yastıklarının çalışması sırasında sorunlar yaşanmaktaydı. Bu sebepten dolayı günümüzde kullanılan hava yastıklarının tamamında MEMS temelli sensörler kullanılmaktadır.

Işınım ölçer (Bolometer)

Bolometreler ışınımı (elektromagnetik radrasyonu) ölçmek için kullanılan cihazlardır. Yalıtkan kaplama yapılmış bir emici bağlantı ile sabit sıcaklıklı bir ısı deposuna bağlı algılayıcılardır. Işınım ölçerlerin emdikleri radrasyon sebebi ile sıcaklıkları değişir, bu sıcaklık değişimi ile ışınımdaki değişim algılanır. Mikrobolometreler termal kameralarda kullanılmaktadır. 160x120 den 1024x768 e kadar çeşitli çözünürlükleri üretilen bolometre gridleri sıcaklık dağılımına göre grafik oluşturmada kullanılmakta.

Jiroskop (Gyroscope)

Jiroskoplar açısal momentum prensiplerine bağlı olarak yön bulma için kullanılmaktadır. Geleneksel jiroskoplar yüksek sürtünmeden dolayı yüksek oranda hata vermektedir, büyük boyutları ve imalatta gerken düşük toleranslar yüzünden de maliyetleri yüksektir. Yeni geliştirilen MEMS temelli jiroskoplar ise titreşen bir objenin destek yüzeyi değiştirilirken bile aynı düzlemde kalma eğilimine dayanarak çalışmaktadır. Temeldeki fiziksel prensip farklılığından ve boyut ve üretim yöntemi farkından dolayı MEMS jiroskoplar çok daha ucuz ve yüksek hassasiyette çalışmaktadır.

Basınç ölçer

Basınç ölçerler, sıvı ve gazların basıncını ölçmek için kullanılmaktadır. Sıvının ilerlemek için uyguladığı kuvvetin alana bölümü basıncı vermektedir. Basınç ölçerler günlük birçok uygulamada basıncı ölçmek için kullanılmaktadır. Micro elektromekanik sistemlerin basınç ölçerlere adapte edilmesi, çok küçük yarı iletken çiplerden basınç ölçerler yapılmasını sağlamıştır. Küçülen boyut ve artan hassasiyet sayesinde basınç ölçerlerin kullanımı yaygınlaşmıştır.

Bio - Mikro elektromekanik sistemler (BioMems)

Bio-MEMS’ler, biyolojik maddelerin bilimsel amaçlarla analizi, ölçümü ve aktivitelerinin gözlenmesi için kullanılan mikroelektromekanik yapılardır. Micro teknolojinin en son gelişmekte olduğu alan bu alandır. Bio-MEMSin gelişmekte oluduğu alanlar, Lab-on-Chip uygulamaları, teşhis ve tedavi cihazları ve toplam analiz sistemleridir.

Limitleri

MEMS yapılarını sınırlayan en önemli faktörlerden ilki bu yapıların fiziksel davranışının newton fiziği tarafından ifade edilmesinin güç olmasıdır. Bu yapılarda meydana gelen kuantum etkilerinin de fiziksel modele dahil edilmesi ise bu yapıların fiziksel olarak modellenmesini daha da zorlaştırmaktadır. Kuantum etkilerinin bir kısmının halen ifade edilememiş olması ise bazı MEMS yapılarının fiziksel olarak modellenmesini engellemektedir. MEMS yapılarını sınırlayan bir diğer faktör ise çevre koşullarından çabuk etkilenmeleridir. Bu durumun engellenebilmesi için bu aygıtların çevreden izole edilmesi gerekmektedir. MEMS izolasyonu oldukça hassas ve fabrikasyon bilgisi gerektiren bir iştir. İzolasyon alternatifleri çok sınırlı olduğu için MEMS boyutları izolasyon opsiyonları ile sınırlandırılmıştır. MEMS yapıları ayrıca günümüzde var olan malzeme ve fabrikasyon metodu sayısı ile de sınırlandırılmıştır. MEMS yapıları farklı sistemlerden meydana gelebildiği için farklı MEMS yapılarının da içinde bulunan sistemler uyarınca farklı limitleri vardır. Optik tahrik ile çalışan veya üretilen MEMS yapılarının çoğunluğu kullanılan dalga boyu ile sınırlıdır. Sıvı akışını ölçen veya kullanan MEMS yapıları ise akışkanlar mekaniği içinde geçerli olan türbülanslı akışın kanalın boyutunun küçülmesi ile doğru orantılı olarak küçülmesi prensibi uyarınca sürekli laminer akış rejimine bağlı kalmalıdır. Bu durumda herhangi bir sıvı karışımı mümkün olmamaktadır. Biyolojik algılama aygıtları için kullanılan MEMS yapılarını sınırlayan en önemli faktör ise yapının küçülmesi ile doğru orantılı olarak incelenen örneğin de küçülmesidir. Bu durum algılanabilecek partikül sayısını azalmasına neden olmakta ve MEMS tasarım çeşidini sınırlamaktadır . Ayrıca kuvvet ölçümü içi kullanılan MEMS yapıları ise algımalama aygıtlarının çözünürlükleri ile sınırlanmıştır. Düşük ölçekli kuvvetlerin ölçümü esnasında kullanılan MEMS tasarımları algılama elemanlarının yetersizliği ve küçük boyutlarda sistemi domine eden ısıl düzensizlikler nedeni ile sınırlanmıştır.

Geleceği

Mikro elektromekanik sistemler gelecek olarak kendilerini nano elektro mekanik sistemler olarak gösterdiler. Michael Roukes’e göre NEMS’ler 10 nm çapında ve birkaç attogram ağırlığında üretilebilmektedir. Her ne kadar NEMS üretecek teknolojiler var olsa da, NEMS in tüm potansiyelini ortaya çıkarabilmek için aşılması gereken üç temel sorun var.
• Nano seviyedeki sinyallerin makroskopik ortama aktarılması.
• Nano düzeydeki ısıl iletimin quantize (parçalı) olması.
• Nano teknolojinin kitle üretimine adapte olması için henüz uygun yöntem geliştirilmemiş olması.

Sonuçlar

• Entegre devre sanayiinde yaşanan minimizasyon devrimini gelişen MEMS teknolojisi daha ileri taşıdı. Her ne kadar temelleri entegre devre üretiminin gelişimine bağlı olsa da MEMS ikinci bir devrim yaşanmasını sağladı.
• Mikro talaşlı imalat ve MEMS deki gelişim sayesinde sensör ve aktuatörlerin daha da küçültülmesi sağlandı.
• Sensör hassasiyet ve güvenilirliğinin yükselmesi, sensör uygulamalarını arttırdı ve üretilen ürünlerin daha güvenli olmasını sağladı.
• Sensör ve sistem maliyetlerindeki düşüş MEMS’in uygulama alanını genişletti.