Elektromehaaniline mikrosüsteem

Elektromehaaniline mikrosüsteem ehk MEMS (lühend inglise k sõnadest MicroElectroMechanical Systems) on tehnoloogia, mis võimaldab valmistada väga väikesi seadiseid. See hõlmab suuremaid süsteeme kui nanotehnoloogia ja molekulaarelektroonika. MEMS on tavaliselt valmistatud komponentidest suurusega 1–100 mikromeetrit (0,001–0,1 mm) ning seadmed on suurusjärgus 20 mikromeetrit kuni millimeeter. Nad koosnevad tavaliselt kesksest andmeid töötlevast osast (mikrokontroller) ja mitmetest mikroanduritest või täituritena käituvatest osadest. Sellistel suurustel pole klassikalisest füüsikast tihti kasu. Suure pindala ja ruumala vahelise suhte tõttu valitsevad pinnaefektid nagu elektrostaatika ja märgumine inertsi ja soojusmahtuvuse üle. Väga väikeste masinate potentsiaali tunnustati juba enne, kui osati neid valmistada. Selle tehnoloogia algusajal (1990. aastail) valmistati MEMS-elemente nii nagu pooljuhtseadiseid ainult integraallülitusena räni- või galliumarseniidkiibil, seejärel ka muudel pooljuhtidel ja plastmaterjalidel. Varajase MEMS-seadme näidis on elektromehaaniline monoliitne resonaator. MEMS-seadmete tootmise tehnoloogia arenes välja pooljuhtseadmete tootmise tehnoloogiast. Põhitehnikad on materjalikihtide sadestamine, fotolitograafia abil mustrite pealekandmine ja soovitud kujude väljasöövitamine. Tänapäeval valmistatakse mikrokiipe ränist. Tänu mastaabisäästule on kõrge kvaliteediga materjale vabalt saada. Lisaks saab lihtsalt lisada elektroonilist funktsionaalsust, tänu millele on see MEMS-lahenduste jaoks väga ahvatlev. Ränil on ka palju muid, materjali omadustest tulenevaid kasulikke omadusi. Kristalses olekus on see peaaegu täielik Hooke'i materjal – painutades puudub peaaegu täielikult hüsterees ja seetõttu ei haju ka soojust. Tänu sellele on liigutused väga korratavad ja töökindlad. Räni kulub väga aeglaselt, võib kuluda miljardeid kuni triljoneid tsükleid ilma murdumata. Kuigi elektroonikatööstus on räni tootmise väga odavaks muutnud, on kristalliline räni tootmise seisukohalt ikkagi väga keeruline ja kallis materjal. Polümeerid on väga odavalt toodetavad suures koguses ning erinevate omadustega materjale on palju valida. MEMS-seadmeid saab polümeeridest toota näiteks survevormiga või stereolitograafiaga. Mõlemad sobivad hästi selliste mikrovedelikundusseadmete jaoks nagu ühekordselt kasutatavad veretestimis seadmed. Metalle saab kasutada MEMS-elementide valmistamiseks. Kuigi metallidel pole räni häid mehaanilisi omadusi, on nad oma mehaanilistes piirides kasutamisel üsna vastupidavad. Metalle saab mitut moodi sadestada. Tavaliselt kasutatavad metallid on kuld, nikkel, alumiinium, vask, kroom, titaan, volfram, plaatina ja hõbe. Räni, alumiiniumi, titaani nitriide ning ka ränikarbiide ja muid keraamikaid kasutatakse kasulike materjaliomaduste tõttu järjest rohkem MEMS-seadmete valmistamiseks. Kristalliseerunud alumiiniumnitriidil on püroelektrilisi ja piesoelektrilisi omadusi, mis võimaldavad teha jõuandureid. Titaannitriididel on suur eritakistus ja elastsusmoodul, mis võimaldab valmistada elektrostaatilisi MEMS-aktuaatoreid üliõhukeste kiledena. Lisaks lubab titaannitriidi suur vastupidavus biokorrosioonile seda kasutada biosensorites. Üks MEMS-seadmete tootmise alustehnoloogiad on õhukeste materjalikihtide sadestamine. Sadestatud kilekihid võivad olla paksusega mõnest nanomeetrist kuni 100 mikromeetrini. Pärast kihtide sadestamist kantakse pooljuhtplaadile soovitud elektromehaanilise mikrossüteemi muster. Enamasti kasutatakse selleks mitmesuguseid litograafiaprotsesse, näiteks fotolitograafiat. Söövitamine jaguneb kaheks võimalikuks protsessiks: märgsöövitamine ja kuivsöövitamine. Märgsöövitamisel lahustub materjal vedelasse lahustisse kastmise tagajärjel. Kuivsöövitamise puhul lahustatakse materjal reaktiivsete ioonide või auru kujul lahusti poolt. Keemiline märgsöövitamine sisaldab selektiivselt materjali eemaldamist: substraadi vastav materjal kastetakse lahustava vedela lahusti sisse. Kuna söövitusprotsess on keemiline, on sihiks oleva materjali sööbimise kiirus märgatavalt suurem kui fotomaskil. Kui söövitamisprotsess kulgeb kõigis suundades ühesuguse kiirusega, on tegemist isotroopilise söövitamisega. Pikad ja kitsad augud fotomaskis tekitavad materjali V-kujulisi süvendeid. Kui söövitusprotsess on õigesti läbi viidud, on süvendite pind aatomite tasemel sile ning suurused ja nurgad väga täpsed. Mõned monokristallmaterjalid (näiteks räni) omavad substraadi kristallilisest suunast sõltuvat söövituskiirust. Seda tuntakse kui anisotroopilist söövitamist. Ühe tavalise näitena on räni söövitamine kaaliumhüdroksiidiga, kus räni <111> tasapinnad sööbivad umbes 100 korda aeglasemalt kui ülejäänud kristallilised suunad. Seetõttu söövitades räni <100> pooljuhtplaati kandilist auku, saadakse tulemuseks isotroopilise söövitamise kumerate seinadega süvendi asemel püramiidikujuline süvend 54,7° nurga all seintega. Ksenoondifluoriidi (XeF2) kasutatakse isotroopseks kuiva auruga söövitamiseks. Esimesena kasutas seda MEMS-i otstarbel räni söövitamiseks California Ülikool Los Angeleses 1995. aastal. Seda kasutatakse põhiliselt metalli ja dielektriku struktuuridest vabanemiseks. XeF2 eeliseks märgsöövitamise ees on seisuhõõrdumise vaba söövitamine. Selle selektiivsus räni suhtes on väga suur, mis võimaldab maskina kasutada fotolakki, SiO2, räninitriidi ja paljusid metalle. Selle reaktsioon räniga on plasmavaba, täielikult keemiline ja hetkeline. Pärast suure koguse elektromehaaniliste mikrosüsteemide ettevalmistamist pooljuhtplaadil tuleb üksikud skeemid eraldada. Teatud rakenduste jaoks lihvitakse pooljuhtplaati enne seda õhemaks. Pooljuhtplaati lõigatakse jahutusvedelikuga saagides või laserlõikusega. MEMS-seadmed jagunevad sensoriteks, aktuaatoriteks ja struktuurideks. Neid leidub paljudes kommertsseadmetes: tindiprinterid, mis kasutavad piesoelektrit tindi paberile kandmiseks; kiirendusandurid, mida kasutatakse modernsetes autodes turvapadja töölerakendamiseks; inertsiaalandurites (kiirendus- ja pöördenurgasensoritega), näiteks nutitelefoni, tahvelarvuti või e-lugeri ekraanipildi pööramiseks vastavalt asendi muutmisele, mängukonsoooli kontrolleri juhtimiseks, sammuloenduris jm; MEMS-güroskoopandureid kasutatakse autodes kalduvajumise mõõtmiseks Cenk Acar, Andrei M. Shkel (2008). MEMS Vibratory Gyroscopes: Structural Approaches to Improve Robustness. Lk 111 ff. ISBN 0-387-09535-7.; mikromembraan koos võimendiga ränikiibil, mis moodustab miniatuurse kondensaatormikrofoni (kuuldeaparaadi, mikrofoni-kuulari-peakomplekti, nutitelefoni vms jaoks); ränist rõhuandurid: rehvi- või vererõhumõõturil; optiline täitur mikropeeglite pööramiseks digitaalses valgusetöötluses ja LED-videoprojektoris; optilise lülitamise tehnoloogia, mida kasutatakse valguskaablitega andmeedastuses; bio-MEMS-rakendustes, meditsiini ja tervisega seotud seadmete biosensorites; mikroskaalal energia kogumiseks, sh piesoelektri, elektrostaatika- ja elektromagnetenergia kogumise seadmetes. Pooljuhtplaat Waldner, Jean-Baptiste (2008). Nanocomputers and Swarm Intelligence. London: ISTE John Wiley & Sons. Lk 205. ISBN 1-84821-009-4. Electromechanical monolithic resonator, US patent 3614677, Filed April 29, 1966; Issued October 1971 Wilfinger, R.J.; Bardell, P.H.; Chhabra, D.S. (1968). "The resonistor a frequency selective device utilizing the mechanical resonance of a substrate" (PDF). IBM J. 12: 113–8. R. Ghodssi, P. Lin (2011). MEMS Materials and Processes Handbook. Berlin: Springer. ISBN 978-0-387-47316-1. T. Polster, M. Hoffmann (2009). "Aluminium nitride based 3D, piezoelectric, tactile sensors". Proc. Chem. 1: 144–7. DOI:10.1016/j.proche.2009.07.036. M. Birkholz, K.-E. Ehwald, P. Kulse, J. Drews, M. Fröhlich, U. Haak, M. Kaynak, E. Matthus, K. Schulz, D. Wolansky (2011). "Ultrathin TiN Membranes as a Technology Platform for CMOS-Integrated MEMS and BioMEMS Devices". Adv. Func. Mat. 21: 1652–6. DOI:10.1002/adfm.201002062.{{cite journal}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) Williams, K.R.; Muller, R.S. (1996). "Etch rates for micromachining processing". Journal of Microelectromechanical Systems. 5 (4): 256. DOI:10.1109/84.546406. Kovacs, G.T.A.; Maluf, N.I.; Petersen, K.E. (1998). "Bulk micromachining of silicon". Proceedings of the IEEE. 86 (8): 1536. DOI:10.1109/5.704259. Chang, Floy I. (1995). "Gas-phase silicon micromachining with xenon difluoride". 2641: 117. DOI:10.1117/12.220933. {{cite journal}}: viitemall journal nõuab parameetrit |journal= (juhend) Mall:Cite thesis Brazzle, J.D.; Dokmeci, M.R.; Mastrangelo, C.H. (2004). "Modeling and characterization of sacrificial polysilicon etching using vapor-phase xenon difluoride": 737. DOI:10.1109/MEMS.2004.1290690. {{cite journal}}: viitemall journal nõuab parameetrit |journal= (juhend) MEMS-sensorid What is MEMS Technology?