Mikrosysteemit

Mikrosysteemit ovat komponentteja joissa yhdistyy useita eri toiminnallisuuksia, esimerkiksi mekaanisen taipuman muuttaminen sähköiseksi signaaliksi (kuten paineanturissa tai turvatyynyn laukaisuanturissa). Mikrosysteemit tunnetaan myös amerikkalaisperäisellä 1990-luvun alussa yleistyneellä lyhenteellä MEMS (Micro Electro Mechanical Systems). Japanissa käytetään nimitystä Micromachines.

Mikrosysteemien yksittäiset rakenneosat (palkit, sillat, membraanit, peilit, kytkimet, suuttimet) ovat kooltaan mikrometrin kokoluokkaa. Itse siru voi olla muutamista sadoista mikrometreistä aina senttimetreihin asti. Kun mikrosysteemit valmistetaan piikiekolle, jotka ovat 100 mm tai 150 mm halkaisijaltaan, valmistuu kerralla satoja tai jopa tuhansia komponentteja.

Kyse on uudenlaisten toimintojen tuottamisesta mikrokomponenteissa: kun mikropiireissä on elektronisia toimintoja, MEMS-komponenteissa on yhdistetty mekaanisia, fluidistisia, optisia, akustisia, termisiä ja biologisia toimintoja. Tiukan määritelmän mukaan MEMSiltä edellytetään nimenomaan ainakin kahden erilaisen funktion yhdistämistä samaan komponenttiin.

Historia 
Varhainen esimerkki MEMS-laitteesta on resonanssiporttitransistori, joka on Harvey C. Nathansonin vuonna 1965 kehittämän MOS-transistorin muunnos. Toinen varhainen esimerkki on resonistori, sähkömekaaninen monoliittinen resonaattori, jonka Raymond Wilfinger patentoi vuosina 1966-1971. 1970-luvulla ja 1980-luvun alussa kehitettiin useita mikrosensoreita MOSFET:llä fysikaalisten, kemiallisten, biologisten ja ympäristöparametrien mittaamiseen. Vuonna 1997 esiteltiin ensimmäinen MEMS-tekniikkaa käyttävä kaupallinen tuote: Hewlett-Packardin valmistama mustesuihkutulostimen kasetti.

Termi "MEMS" otettiin käyttöön vuonna 1986. S.K. Jacobsen (pääsuunnittelija) ja J.E. Wood (toinen pääsuunnittelija) esittivät termin "MEMS" DARPA-ehdotuksessa (15. heinäkuuta 1986), jonka otsikkona oli "microelectromechanical systems (MEMS)" ja joka toimitettiin Utahin yliopistolle. Termi "MEMS" esiteltiin S.K. Jacobsenin kutsussa "Microelectromechanical Systems (MEMS)" (mikroelektromekaaniset järjestelmät (MEMS)) IEEE Workshop on Microrobots and Teleoperators -tapahtumassa, Hyannis, Massachusetts, 9.-11. marraskuuta 1987.
Tyypit
MEMS-kytkentätekniikkaa on kahta päätyyppiä: kapasitiivinenja ohminen. Kapasitiivinen MEMS-kytkin on suunniteltu käyttämällä liikkuvaa levyä tai anturielementtiä, joka muuttaa kapasitanssia. Ohmisia kytkimiä käytetään sähköstaattisesti ohjatuilla kannakkeilla.Ohmiset MEMS-kytkimet voivat vikaantua MEMS-aktuaattorin metallin(kannakkeen) väsymisen ja kontaktien kulumisen vuoksi, koska kannakkeet voivat deformoitua ajan myötä.

Mikrosysteemien sovelluksia
Tavallisimpia mikrosysteemikomponentteja ovat erilaiset mikroanturit, kuten kapasitiivinen paineanturi, pietsoresistiivinen kiihtyvyysanturi ja mikrobolometri (infrapuna-anturi). Monissa mikrosysteemeissä on mukana aktuaattori, kuten mikropumpuissa, -venttiileissä ja -suuttimissa (mikrofluidistiikka), resonaattoreissa, mikrokytkimissä ja -releissä (RF-MEMS), mikropinseteissä ja elektroporaatiosiruissa (BioMEMS), energiakeräimissä jotka hyödyntävät ympäristön hukkalämpöä tai värähtelyjä (PowerMEMS), mikropeileissä ja valokytkimissä (MOEMS, ). Mikro-optiikassa valoa kuljetetaan kiekon pinnalle valmistetuissa kiinteissä rakenteissa, mutta MOEMS komponenteissa on mukana yleensä aina jokin mekaanisesti liikkuva osa, esimerkiksi interferometrissa paralleelisti liikkuva peili, videoprojektorisirussa digitaalinen kiikkuva peili, tai attenuaattorissa kiertyvä peili. 

Kaupallisesti suurimpia sovelluksia ovat kiintolevyjen lukupäiden mekaniikka, mustesuihkukirjoittimien suuttimet, mikropeiliprojektorit, mikrofonit, autojen rengaspaineanturit, sekä erilaiset muut autoteollisuuden anturit: turvatyyny- ja ajovakausanturit. Mikrosysteemien liikevaihto komponenttitasolla on luokkaa 5–10 miljardia, mutta niiden mahdollistamien tuotteiden liikevaihto on huomattavasti suurempi, muun muassa mustesuihkukirjoittimen tai videoprojektorin hinnasta mikrosysteemikomponentin osuus on usein vain luokkaa 10 %.

Valmistus
Mikrosysteemit on perinteisesti tehty puolijohdeteollisuuden menetelmiä käyttäen (optinen litografia, etsaus, epitaksia, oksidointi, diffuusio, ohutkalvon kasvatus, CVD, bondaus) mutta niitä valmistetaan myös lasista ja polymeereistä.
 
Kun valmistusalusta on piikiekko, on mahdollista valmistaa ohjaus- ja lukuelektroniikka samalla kertaa. Näin ei kuitenkaan yleensä tehdä, sillä modernien CMOS-piirien ja mikrosysteemien valmistuksen yksityiskohdat eroavat huomattavasti vaikka työvaiheet ovat periaatteessa samoja. Mm. mikroelektroniikassa pienimmät kuviot ovat 100 nm molemmin puolin, eli 10–100 kertaa pienempiä kuin mikrosysteemeissä, ja siksi olisi liian kallista käyttää CMOS-tehdasta tuottamaan mikrosysteemejä. Yksi tunnettu integroitu siru on turvatyynyn laukaisuun käytetty mikrosysteemi, jossa BiCMOS elektroniikka ja pintamikromekaaninen kiihtyvyysanturi on valmistettu samalle sirulle. Yleensä mikrosysteemi ja elektroniikka integroidaan pakkaustasolla kahden sirun hybridiratkaisuksi.

Tieteellinen tutkimus

Julkaisuja
Sensors and Actuators A: Physical, Elsevier
Sensors and Actuators B: Chemical, Elsevier
Journal of Micromechanics and Microengineering, IOP
Journal of MicroElectroMechanicalSystems, JMEMS, (IEEE & ASME)
Lab-on-a-Chip, Royal Society of Chemistry

Alan suuret konferenssit
Transducers
MEMS
Eurosensors
Hilton Head
MicroTAS

Kirjallisuutta

Aiheesta muualla

  Videoita MEMS-sovelluksia

Lähteet 

Elektroniikka