Μικροηλεκτρομηχανικά

Τα μικροηλεκτρομηχανικά συστήματα (MEMS), που γράφονται επίσης ως μικροηλεκτρομηχανικά συστήματα (ή μικροηλεκτρονικά και μικροηλεκτρομηχανικά συστήματα) και τα συναφή μικρομεγατρονικά και μικροσυστήματα αποτελούν την τεχνολογία των μικροσκοπικών συσκευών, ιδίως εκείνων με κινούμενα μέρη. Στη νανοκλίμακα συγχωνεύονται στα νανοηλεκτρομηχανικά συστήματα (NEMS) και στη νανοτεχνολογία. Τα MEMS αναφέρονται επίσης ως μικρομηχανές στην Ιαπωνία και ως τεχνολογία μικροσυστημάτων (MST) στην Ευρώπη.

Τα MEMS αποτελούνται από εξαρτήματα μεγέθους μεταξύ 1 και 100 μικρομέτρων (δηλαδή 0,001 έως 0,1 mm) και οι συσκευές MEMS κυμαίνονται γενικά από 20 μικρομέτρα έως ένα χιλιοστό (δηλαδή 0,02 έως 1,0 mm), αν και τα εξαρτήματα που είναι τοποθετημένα σε συστοιχίες (π.χ. ψηφιακές συσκευές μικροκατόπτρων) μπορεί να έχουν μέγεθος μεγαλύτερο από 1000 mm2. Συνήθως αποτελούνται από μια κεντρική μονάδα που επεξεργάζεται δεδομένα (ένα τσιπ ολοκληρωμένου κυκλώματος, όπως ο μικροεπεξεργαστής) και διάφορα εξαρτήματα που αλληλεπιδρούν με το περιβάλλον (όπως οι μικροαισθητήρες). Λόγω της μεγάλης αναλογίας επιφάνειας προς όγκο των MEMS, οι δυνάμεις που παράγονται από τον ηλεκτρομαγνητισμό του περιβάλλοντος (π.χ. ηλεκτροστατικά φορτία και μαγνητικές ροπές) και η δυναμική των ρευστών (π.χ. επιφανειακή τάση και ιξώδες) είναι πιο σημαντικά ζητήματα σχεδιασμού απ' ό,τι στις μηχανικές συσκευές μεγαλύτερης κλίμακας. Η τεχνολογία MEMS διακρίνεται από τη μοριακή νανοτεχνολογία ή τα μοριακά ηλεκτρονικά στο ότι η τελευταία πρέπει επίσης να λαμβάνει υπόψη τη χημεία της επιφάνειας.

Το δυναμικό των πολύ μικρών μηχανών εκτιμήθηκε πριν από την ύπαρξη της τεχνολογίας που θα μπορούσε να τις κατασκευάσει (βλέπε, για παράδειγμα, τη διάσημη διάλεξη του Richard Feynman το 1959 There's Plenty of Room at the Bottom). Τα ΜΕΜS έγιναν πρακτικά μόλις μπόρεσαν να κατασκευαστούν με τη χρήση τροποποιημένων τεχνολογιών κατασκευής ημιαγωγικών συσκευών, που συνήθως χρησιμοποιούνται για την κατασκευή ηλεκτρονικών συσκευών. Σε αυτές περιλαμβάνονται η χύτευση και η επιμετάλλωση, η υγρή χάραξη (KOH, TMAH) και η ξηρή χάραξη (RIE και DRIE), η κατεργασία με ηλεκτρική εκκένωση (EDM) και άλλες τεχνολογίες ικανές για την κατασκευή μικρών συσκευών.

Ιστορία 

Η τεχνολογία MEMS έχει τις ρίζες της στην επανάσταση του πυριτίου, η οποία μπορεί να αναχθεί σε δύο σημαντικές εφευρέσεις ημιαγωγών πυριτίου από το 1959: το μονολιθικό τσιπ ολοκληρωμένου κυκλώματος (IC) από τον Robert Noyce στην Fairchild Semiconductor και το MOSFET (τρανζίστορ πεδίου επίδρασης μεταλλικού οξειδίου-ημιαγωγού ή τρανζίστορ MOS) από τους Mohamed M. Atalla και Dawon Kahng στα Bell Labs. Το MOSFET scaling, η σμίκρυνση των MOSFET στα ολοκληρωμένα κυκλώματα, οδήγησε στη σμίκρυνση των ηλεκτρονικών (όπως προέβλεπε ο νόμος του Moore και το Dennard scaling). Αυτό έθεσε τις βάσεις για τη σμίκρυνση των μηχανικών συστημάτων, με την ανάπτυξη της τεχνολογίας μικροκατασκευής που βασίζεται στην τεχνολογία ημιαγωγών πυριτίου, καθώς οι μηχανικοί άρχισαν να συνειδητοποιούν ότι τα τσιπ πυριτίου και τα MOSFET μπορούν να αλληλεπιδρούν και να επικοινωνούν με το περιβάλλον και να επεξεργάζονται πράγματα όπως χημικές ουσίες, κινήσεις και φως. Ένας από τους πρώτους αισθητήρες πίεσης πυριτίου κατασκευάστηκε με ισοτροπική μικροεπεξεργασία από τη Honeywell το 1962.

Ένα πρώιμο παράδειγμα διάταξης MEMS είναι το τρανζίστορ πύλης συντονισμού, μια προσαρμογή του MOSFET, που αναπτύχθηκε από τον Harvey C. Nathanson το 1965. Ένα άλλο πρώιμο παράδειγμα είναι το αντηχείο, ένα ηλεκτρομηχανικό μονολιθικό αντηχείο που κατοχυρώθηκε με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας από τον Raymond J. Wilfinger μεταξύ 1966 και 1971. Κατά τη διάρκεια της δεκαετίας του 1970 έως τις αρχές της δεκαετίας του 1980, αναπτύχθηκε ένας αριθμός μικροαισθητήρων MOSFET για τη μέτρηση φυσικών, χημικών, βιολογικών και περιβαλλοντικών παραμέτρων.

Τύποι 

Υπάρχουν δύο βασικοί τύποι τεχνολογίας διακοπτών MEMS: ο χωρητικός και ο ωμικός. Ένας χωρητικός διακόπτης MEMS αναπτύσσεται χρησιμοποιώντας μια κινούμενη πλάκα ή ένα στοιχείο ανίχνευσης, το οποίο μεταβάλλει τη χωρητικότητα. Οι ωμικοί διακόπτες ελέγχονται από ηλεκτροστατικά ελεγχόμενους βραχίονες. Οι ωμικοί διακόπτες MEMS μπορούν να αποτύχουν από την κόπωση του μετάλλου του ενεργοποιητή MEMS (ακροδέκτης) και τη φθορά των επαφών, δεδομένου ότι οι ακροδέκτες μπορούν να παραμορφωθούν με την πάροδο του χρόνου.

Υλικά για την κατασκευή MEMS 

Η κατασκευή των MEMS εξελίχθηκε από την τεχνολογία διεργασιών στην κατασκευή συσκευών ημιαγωγών, δηλαδή οι βασικές τεχνικές είναι η εναπόθεση στρώσεων υλικών, η δημιουργία προτύπων με φωτολιθογραφία και η χάραξη για την παραγωγή των απαιτούμενων σχημάτων.

Πυρίτιο 

Το πυρίτιο είναι το υλικό που χρησιμοποιείται για τη δημιουργία των περισσότερων ολοκληρωμένων κυκλωμάτων που χρησιμοποιούνται στα ηλεκτρονικά είδη ευρείας κατανάλωσης στη σύγχρονη βιομηχανία. Οι οικονομίες κλίμακας, η εύκολη διαθεσιμότητα φθηνών υλικών υψηλής ποιότητας και η δυνατότητα ενσωμάτωσης ηλεκτρονικών λειτουργιών καθιστούν το πυρίτιο ελκυστικό για μια ευρεία ποικιλία εφαρμογών MEMS. Το πυρίτιο έχει επίσης σημαντικά πλεονεκτήματα που προκύπτουν από τις ιδιότητες του υλικού του. Σε μονοκρυσταλλική μορφή, το πυρίτιο είναι ένα σχεδόν τέλειο υλικό Hookean, πράγμα που σημαίνει ότι όταν κάμπτεται δεν υπάρχει σχεδόν καθόλου υστέρηση και συνεπώς σχεδόν καθόλου διάχυση ενέργειας. Εκτός από το γεγονός ότι καθιστά την κίνηση εξαιρετικά επαναλαμβανόμενη, αυτό καθιστά το πυρίτιο πολύ αξιόπιστο, καθώς υφίσταται πολύ μικρή κόπωση και μπορεί να έχει διάρκεια ζωής από δισεκατομμύρια έως τρισεκατομμύρια κύκλους χωρίς να σπάσει. Οι νανοδοµές ηµιαγωγών που βασίζονται στο πυρίτιο αποκτούν ολοένα και µεγαλύτερη σηµασία στον τοµέα της µικροηλεκτρονικής και των MEMS ειδικότερα. Τα νανοσύρματα πυριτίου, που κατασκευάζονται μέσω της θερμικής οξείδωσης του πυριτίου, παρουσιάζουν περαιτέρω ενδιαφέρον στην ηλεκτροχημική μετατροπή και αποθήκευση, συμπεριλαμβανομένων των μπαταριών νανοσυρμάτων και των φωτοβολταϊκών συστημάτων.

Πολυμερή 

Παρόλο που η βιομηχανία ηλεκτρονικών ειδών παρέχει οικονομία κλίμακας για τη βιομηχανία πυριτίου, το κρυσταλλικό πυρίτιο εξακολουθεί να είναι ένα πολύπλοκο και σχετικά ακριβό υλικό για την παραγωγή του. Από την άλλη πλευρά, τα πολυμερή μπορούν να παραχθούν σε τεράστιες ποσότητες, με μεγάλη ποικιλία χαρακτηριστικών υλικών. Οι συσκευές MEMS μπορούν να κατασκευαστούν από πολυμερή με διαδικασίες όπως η χύτευση με έγχυση, η ανάγλυφη μορφοποίηση ή η στερεολιθογραφία και είναι ιδιαίτερα κατάλληλες για μικρορευστολογικές εφαρμογές, όπως τα φυσίγγια μιας χρήσης για εξετάσεις αίματος.

Μέταλλα 

Τα μέταλλα μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για τη δημιουργία στοιχείων MEMS. Αν και τα μέταλλα δεν έχουν ορισμένα από τα πλεονεκτήματα που εμφανίζει το πυρίτιο όσον αφορά τις μηχανικές ιδιότητες, όταν χρησιμοποιούνται εντός των ορίων τους, τα μέταλλα μπορούν να παρουσιάσουν πολύ υψηλούς βαθμούς αξιοπιστίας. Τα μέταλλα μπορούν να εναποτεθούν με διαδικασίες ηλεκτρολυτικής επιμετάλλωσης, εξάτμισης και σπατουλαρίσματος. Τα μέταλλα που χρησιμοποιούνται συνήθως περιλαμβάνουν χρυσό, νικέλιο, αλουμίνιο, χαλκό, χρώμιο, τιτάνιο, βολφράμιο, πλατίνα και ασήμι.

Κεραμικά 

Τα νιτρίδια του πυριτίου, του αλουμινίου και του τιτανίου, καθώς και το καρβίδιο του πυριτίου και άλλα κεραμικά εφαρμόζονται όλο και περισσότερο στην κατασκευή MEMS λόγω των πλεονεκτικών συνδυασμών ιδιοτήτων των υλικών. Το AlN κρυσταλλώνεται στη δομή wurtzite και έτσι εμφανίζει πυροηλεκτρικές και πιεζοηλεκτρικές ιδιότητες που επιτρέπουν αισθητήρες, για παράδειγμα, με ευαισθησία σε κανονικές και διατμητικές δυνάμεις. Το TiN, από την άλλη πλευρά, παρουσιάζει υψηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα και μεγάλο μέτρο ελαστικότητας, καθιστώντας δυνατή την εφαρμογή ηλεκτροστατικών συστημάτων ενεργοποίησης MEMS με υπέρλεπτες δοκούς. Επιπλέον, η υψηλή αντοχή του TiN έναντι της βιοδιάβρωσης καθιστά το υλικό κατάλληλο για εφαρμογές σε βιογενή περιβάλλοντα. Το σχήμα δείχνει μια ηλεκτρονική-μικροσκοπική εικόνα ενός βιοαισθητήρα MEMS με μια λεπτή εύκαμπτη δέσμη TiN πάχους 50 nm πάνω από μια πλάκα γείωσης TiN. Και οι δύο μπορούν να οδηγηθούν ως αντίθετα ηλεκτρόδια ενός πυκνωτή, δεδομένου ότι η δέσμη είναι στερεωμένη σε ηλεκτρικά απομονωτικά πλευρικά τοιχώματα. Όταν ένα ρευστό αιωρείται στην κοιλότητα, το ιξώδες του μπορεί να προκύψει από την κάμψη της δέσμης με ηλεκτρική έλξη προς την πλάκα γείωσης και τη μέτρηση της ταχύτητας κάμψης.

Παραπομπές

  Plenty of Room at the Bottom Ričarda Fainmena lekcija 1959. gadā. Šajā lekcijā pirmo reizi tiek izmantots termins "nanotehnoloģija"
 Palmgrēns, Gorms (2007. gada, septembrī). "Jaunie materiāli atvieglo dzīvi". Ilustrētā Zinātne (22): 24.—31. lpp

Εξωτερικοί σύνδεσμοι

Νανοτεχνολογία
Αναδυόμενες τεχνολογίες