Мэмс и нэмс реферат

Обновлено: 05.07.2024

Любая форма жизни невозможна без переноса веществ. Такой перенос возможен либо путём диффузии, либо путём целенаправленного механического перемещения. Кибержизнь - это жизнь не на химической, броуновской основе, а на основе микророботов.

Первым максимально чётко эту проблему сформулировал американский физик Ричард Фейнман почти пятьдесят лет назад: необходимо создать такой робот, который может построить свою уменьшенную копию. Копия сделает ещё меньшую копию и так далее, до атомного уровня. Жаль, что тогда решение этой проблемы так и не было найдено.

Чтобы найти решение, надо максимально упростить и расширить входную проблему.

Для этого, в третьих, необходимо заострить строительную иглу робота. Существует несколько способов, как это сделать, один из которых был теоретически найден и экспериментально подтверждён в лаборатории персонально автором. Это очень важный момент, потому что именно он даёт ключ к решению проблемы, ведь при строительстве копий используется только кончик строительной иглы.

Наипростейший робот Фейнмана может иметь вид мягкой металлической спиральной пружинки со строительной иглой на конце, с трёх сторон которой (пружинки) размещены управляющие электроды. В зависимости от разницы потенциалов между пружиной и электродами, она растянется и изогнётся в необходимом нам направлении.

Уже сам по себе микроробот есть прототип электромеханического транзистора, точнее, несколько упрощенная его конструкция. Автоматически возникающие в этой схеме диффузионные проблемы вполне решаются. Теоретически существуют, так же, другие схемы МД - транзисторов без движущихся частей.

Предварительные расчёты показывают, что даже такая простая форма кибержизни может существовать в природе. При разогреве микророботами строительного материала постоянным током на катоде выделяется металлоиды, на аноде окислители и накопится диэлектрическая фаза.

От такой простой формы до полноценной кибержизни лежит такой же сложный путь, как от наипростейшего вируса до сине-зелёной водоросли. Если хорошо подумать, то полноценная киберклетка, используя солнечную энергию и атомы окружающей среды, окажется очень похожей на обычную биологическую, только она сможет успешно функционировать при очень низких температурах и в условиях высокого вакуума. Микророботы станут похожими на биологические микротрубочки, самое компактное хранение и обработка информации – на свёрнутых линиях-аналогах ДНК и т.д. На микророботах появятся специальные молекулярные насадки. Электрический ток или давление может инициировать необходимые химические реакции даже при очень низких температурах.

Между кибернетической и химической формами жизни есть непосредственная связь, хотя это две принципиально разные формы жизни. В условиях высоких температур и растворяющей жидкости становятся ненужными микро роботы, от них остаются только изменённые молекулярные насадки. Система делает качественный скачок и становится химической. Тем не менее, она все равно остаётся, по сути, электромеханической, так как любое химическое взаимодействие есть взаимодействие смещённых зарядов. Туннельный эффект не позволяет кибержизни достичь такого максимального уровня миниатюризации, каким характеризуется биожизнь.

Биологическая жизнь есть вершина совершенства и миниатюризации кибернетической жизни. Усовершенствовать её, а тем более миниатюризировать, практически невозможно.

Вполне возможно, что вероятность зарождения кибержизни во Вселенной намного больше, чем у химической. Ведь, даже на поверхности Луны есть вполне достаточно диэлектрических и металлических частичек (это фактические данные), которые достаточно активно движутся - неплохие условия для зарождения и развития кибержизни. Впрочем, это совсем не означает, что она кипит во Вселенной. Напротив, вероятность зарождения любой формы жизни настолько мала, что искать её за пределами планеты Земля - это только зря тратить время и деньги.

Вполне может быть, что по каким-то причинам кибержизнь не может самостоятельно существовать в природе. Но это не означает, что она не может существовать в искусственных условиях, созданных человеком. Именно такая, максимально упрощённая, форма кибержизни лежит в основе разработанной автором металл-диэлектрической технологии. Эта технология базируется исключительно на экспериментальных данных и есть, по сути, логичным развитием в третье измерение технологии Микро Электро Механических Систем (МЭМС).

Металл-диэлектрическая технология (МД - технология)

Во-первых: Надо избавится от микророботов. Они значительно усложняют и тормозят весь процесс. Выращивание копий будет за счёт колебательных движений основы по принципу строчной развёртки. Это значительно ускоряет процесс.

Во-вторых: Надо ускорить подачу строительного материала и отвода отходов. Наиболее просто это сделать для жидких и газообразных компонентов через систему каналов.

В-третьих: Ни одна электромеханическая система не может соперничать в быстродействии с чисто электронной схемой. Управляемый электрический ток между строительной иглой и основой позволяет максимально быстро и точно осуществить массоперенос или осаждение необходимых веществ. В этом случае автоматически возникает проблема диэлектрика, который не проводит ток. Эта проблема имеет решение.
В основе МД-технологии лежит очень простая идея. Предположим, что нам каким-то образом удалось вырастить систему алюминий-золото-вакуумные каналы. Мы получим необходимую нам МД-структуру всего после одной операции химического окисления, так как золото не окисляется, а оксид алюминия прекрасный диэлектрик. Эту идею возможно развить далее. Возможно применить только один металл и полимерный, а не ионный, диэлектрик. Микророботы исчезают, остаются только МД-транзисторы.

Парадоксально, но сначала даже они не понадобятся. Вполне работоспособным может быть даже неполноценный вариант МД-технологии - без МД-транзисторов. Предварительные расчёты показывают, что плотность и быстродействие полупроводниковых транзисторов уже достигли величин, достаточных для эффективного управления выращивания МД-структур даже при минимальной ширине линии, ведь этот процесс всё ещё остаётся плоским. Базовые элементы, выращенные на микросхеме, могут, в свою очередь, на других микросхемах вырастить намного более сложные объёмные МЭМС с гораздо более меньшей шириной лини, чем сейчас.

Туннельный эффект ограничивает толщину диэлектрика значением 5-10нм. Плотность элементов в таком компьютере достигнет значения 10 20 -10 21 м -3 . В зависимости от размеров, конструкции, рабочего напряжения электромеханических транзисторов их быстродействие составит10 -4 - 10 -9 с., для неподвижных модификаций до 10 -11 с. Потребление энергии на одно переключение составит 10 -8 -10 -18 Дж. Скорость выращивания полыми электродами достигнет 10 -6 -10 -5 м/с. и будет лимитироваться отводом тепла.

В наипростейшем варианте МД-технологии объёмный компьютер сначала будет всего-навсего куском тугоплавкого металла с многочисленными порами разного размера. Строго дозированная операция химического окисления и, возможно, травление, преобразует его в необходимую нам МД-структуру. Потом поры заполняют специальными веществами и компьютер готов к действию. Существует несколько конкретных кандидатов на эти процессы. (В действительности, всё так просто только на бумаге. Возможно, будет использовано больше компонентов и большее число операций обработки основы.)

Хочу подчеркнуть, что даже максимально упрощённая проблема кибержизни остаётся достаточно сложной научной проблемой, поэтому не удивительно, что другие пути пока ещё не дали желаемый результат. Двадцать лет нанотехнологии наглядно это продемонстрировали.
Разработка МД-технологии требует большого объёма экспериментов и решения многочисленных проблем. Но и прибыль ожидается соответствующая. Это рынок на десятки и даже сотни миллиардов долларов в год.

Применение МД-технологии

Вполне возможно создать электромеханические транзисторы с двумя или тремя устойчивыми состояниями. Это почти идеальные ячейки памяти, только довольно медленные. Гибридные микросхемы сделают запись и считывание многоканальной и ускорят её до 10 8 -10 9 Гц. Такие объёмные ОЗУ вытесняет сначала все аудио, а потом и видео носители информации, не говоря уже о компьютерах.

Вполне возможно создать электромеханические транзисторы с очень маленьким потреблением энергии до 10 -18 Дж и меньше. Хотя этот результат достигается за счёт значительного уменьшения быстродействия, но в большинстве практически значимых случаев важна параллельная, а не последовательная вычислительная мощность компьютера. Именно так работает мозг человека. При уменьшении ширины линии до минимальной, объёмный компьютер с такими транзисторами по всем параметрам превзойдет мозг человека. Даже такая простая форма искусственного интеллекта, как электронный водитель, может дать значительную прибыль.

МД-технология захватит значительную часть потенциального рынка МЭМС. Это плоские мониторы, медицинские микромашины, микросборка, сортировка и многое другое. Будут созданы мощные, компактные, экономные трансформаторы постоянного и переменного тока, выпрямители, преобразователи частоты. Также возможно создание структур с развитой контролированной поверхностью, аккумуляторы, топливные элементы, химические реакторы.

Но всё-таки самым мощным применением МД-технологии станет электростатический двигатель. Это мощный, экономный двигатель плёночного типа без трения и механических контактов. В принципе, его возможно создать и с помощью планарной технологии. Если работает плоский телевизор, то будет работать и электростатический двигатель. Его КПД составит 99-99,9%, рабочее напряжение 10000-1000 В и меньше, касательное давление – 10 5 Па и больше, скорость движения превысит 100 м/с. Гибкий ротор двигателя разбит на небольшие автономные кусочки, которые могут подстраиваться в процессе движения под неизбежные небольшие неровности статора. Только таким способом возможно сочетать субмикронную точность и метровые линейные размеры двигателя, игнорируя вибрации и перекосы. Разработка теории двигателя требовала значительных усилий и решения нескольких принципиальных проблем. Это наилучшее моё изобретение и я горжусь им даже больше, чем решением проблемы кибержизни.

Главное, что МД-технология создаст все необходимые условия, (микророботы и объёмные компьютеры) для перехода на следующий этап научно-технического развития - создания молекулярной машины.

Молекулярная Машина

Через двадцать, максимум тридцать лет после начала интенсивных исследований в нужном направлении на Земле настанет новая эра - эра Молекулярной Машины. За дверями с такой вывеской в строении солидных размеров, человека усыпят, охолодят или, даже, заморозят и поместят в специальную камеру. Как только двери камеры закроются, на тело надвинется одна из её стенок, разрывая его на микронные кусочки. Всем этим займутся роботы микронных размеров. Двигаясь с помощью электрических полей, они, как экскаваторам, вырвут и перешлют в глубь стенки эти кусочки, где те мгновенно замёрзнут и поступят в анализатор. Там другие микророботы со специальными молекулярными насадками или без них, приблизительно за десять минут разберут их на молекулы или атомы. Они промеряют, как в атомно-силовом микроскопе, размеры каждой молекулы, на этом основании определяя их химический состав, и параллельно их рассортируют.
Полученная таким образом информация о строении человеческого тела поступит в чрезвычайно мощный объёмный компьютер, где будет сильно сокращена и сжата. Хотя, в результате такого варварского вскрытия часть информации будет утрачена, благодаря тому, что полученные кусочки меньше размеров клеток, а все химические соединения в организме человека продублированы, достаточно легко можно будет определить биологический вид каждой клетки, её химический состав и её связи с другими клетками. В целом душу человека можно полностью описать 10 16 -10 20 бит информации, а при максимальном её сжатии - 10 11 -10 12 бит.

Процесс сборки пойдёт обратным путём. На основании полученной от компьютера информации, роботы-анализаторы соберут из молекул поликристаллические кусочки плоти с минимальным количеством радикалов (то есть разорванных молекул) на стенках. После сборки из этих кусочков замороженного человека, тело постепенно, на протяжении многих часов, разогреют до нормальной температуры. При выполнении определённых условий, человек даже может и не почувствовать, что прошёл молекулярный анализ.

Для некоторых холоднокровных организмов размораживание обычная вещь, с теплокровными сложнее. Учёные считают главным условием успеха достаточно маленькие кристаллики льда и неповреждённые биомолекулы. Очевидно, что эти и другие условия легко выполнить в процессе сборки. Даже если при заморозке биомолекулы будут частично повреждены, это никак не повлияет на успех молекулярного анализа. Те, кто при жизни или сразу после смерти был заморожен по специальной технологии, имеют все шансы совершить удачное путешествие в будущее.

Последствием создания молекулярной машины будут просто грандиозными. Самое главное - это абсолютное бессмертие. Действительно, предположим, вы прошли молекулярный анализ, и попали в авиакатастрофу - ничего страшного, вас восстановят по последней копии. Чем чаще проходить молекулярный анализ, тем меньшими будут провалы памяти в случае внезапной смерти, а если в мозге будет работать что-то, похожее на радиотелефон, то потери информации станут минимальными. Кроме этого, радиопередатчик позволит избежать дублирования. Усовершенствованная память даст возможность жить, ничего не забывая, миллиарды лет, то есть - практически вечно. Другой вопрос - зачем жить так долго? Но мы сейчас рассматриваем возможности научно-технического прогресса, а не его последствия.

Наверное, только после создания молекулярной машины появятся роботы, способные потеснить человека во всех сферах его деятельности. Проблема искусственного интеллекта чрезвычайно интересна, сложна, и на 90% связана с проблемой сжимания видеоинформации, поступающей в мозг робота, до уровня приблизительно сто бит на кадр и созданием базового дерева из приблизительно тысячи слов. Появятся роботы с интеллектом в миллион раз более мощным, чем средне человеческий, то есть их коэффициент интеллекта достигнет 300 единиц и более. В целом люди не выдержат такой конкуренции, если существенно не улучшат свои умственные способности. Только вряд ли конкуренция будет честной со стороны людей.

Наконец, молекулярная машина позволит осуществить далёкие путешествия, потому что вместо тела достаточно передать информацию о его строении и вас соберут на другом континенте, другой планете или на борту космического корабля. Освоение человеком солнечной системы станет реальным только после создания молекулярной машины.

Молекулярная машина - это ещё не последний, но самый важный этап развития НТП. Влияние её создания на ход земной цивилизации очень интересен и заслуживает на отдельное рассмотрение.

Несмотря на огромные затраты энергии (не менее 10000 кВт-часов электроэнергии на один молекулярный анализ) страна, первой создавшая молекулярную машину, сразу станет мировым лидером и будет беречь тайну её создания бдительней, чем ядерные секреты. Без политики здесь не обойтись. Ведь, наверное, все хотят быть бессмертными, здоровыми, молодыми и красивыми и много кто может выложить за это кругленькую сумму. Не говоря уже про все те гражданские и военные технологические штучки, которые обеспечивают мировое первенство.

Парадоксально, но все необходимые исследования не требуют больших денег и могли начаться много лет назад. Это вопрос потенции учёных, а не образования и финансирования.

Молекулярная машина. Анализ.

Возможно, 20 лет покажется кому-то слишком быстро и нереально, но это не так. Пять лет уйдёт на развитие МД-технологии, пять лет на создание первых образцов молекулярной машины и десять на то, чтобы пройти весь путь от клетки до человека. Если проводить интенсивные исследования и не возникнут серьёзные проблемы, то такой темп вполне реален. Молекулярная машина уникальный, очень дорогой объект, как космический корабль. Стоимость технологии её изготовления не имеет большого значения, что резко сокращает темпы.

Есть серьёзные подозрения, что в большинстве практически важных случаев атомная сборка невозможна. Но это никак не повлияет на молекулярный анализ человека. Фактически живая природа успешно проводит молекулярный анализ ежесекундно. Биологические молекулы достаточно большие, чтобы ними можно было манипулировать. Биотехнология позволяет заменить поврежденные во время анализа молекулы на целые. Всё это рождает оптимизм. Если бы нейронные клетки не имели такие долгие и перепутанные отростки, то можно было бы обойтись и без замораживания, а уровень манипуляции повысить до отдельных клеток. Но правила игры устанавливает природа, а не мы.

Атомно-молекулярный анализ и сборка будет сопровождаться огромным энергозатратами. Это неизбежная плата за возможность контролировать процесс. Если когда-нибудь энергетический КПД молекулярного анализа человека достигнет 1%, то это будет огромным достижением. Более вероятна цифра в десятки раз меньше. Постепенно энергозатраты уменьшатся. Температура увеличится от 4К до 200 - 250 К, возможно процесс анализа станет более биохимическим. Если повезёт, то анализ и сборка будут осуществляться более крупными блоками, чем молекулы, и эта проблема исчезнет. Тогда молекулярный анализ станет дешёвым и общедоступным. Будем надеяться на лучшее, но готовиться к худшему.

Фактически, речь идёт о дальнейшем развитие микрохирургии. К моменту создания молекулярной машины биотехнология уже сможет выращивать все клетки и биохимические соединения, характерные для каждого отдельного человека, и возникнет вопрос, как из этого биоматериала сложить живой орган или целого человека. Если это можно сделать на уровне клеток – прекрасно, если для этого необходимо перейти на уровень молекул – значит микрохирургия переростёт в нанохирургию.

Элементарные подсчёты показывают, что скорость сборки атом за атомом слишком мала, чтобы вырастить сразу всё изделие. Сначала параллельно будут выращены кубики размером 0,1-1 мкм, а затем из них микророботы составят изделие. Если стенки кубиков будут атомно-гладкими, то они намертво спаяются. Но такие кубики можно получить и другим путём.

Намного проще, быстрее, экономичней их просто вырезать микророботами из моно или поликристаллического сырья. При низких температурах все вещества, кроме гелия, стают твёрдыми. В такой схеме автоматически возникают проблемы загрязнений, неравномерности теплового расширения и другие механические напряжения, взаимодействие радикалов на стенках и другие проблемы. Все вышеперечисленные проблемы возникнут и в молекулярной машине. Эти проблемы сложные, но вполне разрешимые. Если какой-либо объект охладили жидким гелем и он не разрушился, значит, его возможно собрать по такой схеме.

Итак, мы вкратце рассмотрели процесс развития полупроводниковой электроники от элементарного селенового фоторезистора до изготовления сложных интегральных микросхем. Появление и развитие MEMS-технологий явилось следующим шагом на пути эволюции полупроводниковой техники.

Английская аббревиатура “MEMS” (или по-русски “МЭМС”) расшифровывается как микроэлектромеханические системы. Соответственно, NEMS-технология использует наноэлектромеханические системы. Понятно, что приставки “микро” и “нано” характеризуют уже привычные для нас чрезвычайно малые масштабы. Поэтому сначала нужно понять — а что же такое электромеханическая система.

Без особого преувеличения можно сказать, что начало современной электротехники положил гениальный английский ученый Макс Фарадей, открывший в 1873 году явление элект- *

ромагнитной индукции. Суть его чрезвычайно проста: если рамку из металлической проволоки вращать в магнитном поле, то по ней потечет электрический ток. Другими словами, механическая энергия перейдет в электрическую.

И наоборот, если по рамке, находящейся в магнитном поле, пропустить ток, то рамка начнет вращаться. Это иллюстрирует работу простейшего электродвигателя, где вращающаяся рамка выполняет функцию ротора.

Вращающаяся металлическая рамка в магнитном поле - это прообраз генератора электрического тока.

Мы видим, что рассмотренные выше процессы взаимообратимы, то есть одну и ту же электромеханическую систему можно использовать и как двигатель, и как генератор. При нынешнем уровне развития науки и техники изготовление электромеханических устройств в масштабе, скажем, миллиметров или даже сотен микрон не составляет принципиальных трудностей.

МЭМС представляют собой трехмерные микрообъекты и микромашины: моторы, насосы, турбины, микророботы, микродатчики или целые аналитические микролаборатории, выполненные на кремниевой подложке.

Их размеры могут быть меньше спичечной головки, и поэтому использование МЭМС позволит резко уменьшить массу и объем традиционной электронной техники, а также значительно снизить ее стоимость.

Впервые о возможностях таких устройств заговорили еще в 1959 году. Но для превращения МЭМС из любопытных лабораторных “игрушек” в реальные изделия, пользующиеся спросом на рынке, потребовалось целых 40 лет. Только в конце 90-х началось освоение промышленного производства МЭМС, а сейчас МЭМС широко используются в самых различных сферах человеческой деятельности: в телекоммуникациях, медицине, транспорте и т.д. MEMS-системы на сегодняшний день являются ключевым фактором в развитии нанотехнологий. Именно на базе таких систем планируется создание наноманипуляторов и нанороботов.

Традиционный микропроцессор способен лишь на то, чтобы решать определенный алгоритм и выдавать тот или иной результат вычислений. Микроэлектромеханические же устройства способны не только обрабатывать определенные данные, но и выполнять некоторые движения, то есть выступать в роли микророботов.

Здесь также используется кремний — самый популярный в микроэлектронике материал, а технология создания МЭМС-устройств очень напоминает процедуру создания ИС. И в той, и в другой имеется замечательная возможность создавать необходимые структуры в едином технологическом процессе. И планарной, и МЭМС-технологии присущи осаждение материала, перенос изображений и удаление промежуточных слоев (в МЭМС - для отделения механических частей).

Как правило, создание микромеханических изделий требует создания более толстых пленок, более глубокого травления, а сам технологический процесс имеет значительно больше этапов. * **

Перепечатано с wwwcmp.caltech.edu

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

современных компьютеров и машин с программным управлением. Как ни странно, но она была полностью механической. И это не мешало ей выполнять простейшие арифметические и логические операции, а также хранить полученные результаты.

Эрик Дрекслер предложил проект механокомпьютера — компьютера, в котором все логические операции, хранение и обработка информации производятся с помощью последовательных движений системы стержней.

Используя нанотехнологически измененные материалы (например, алмаз или сапфир), можно добиться высокой скорости распространения информации. Дрекслер составил детальное описание подобного компьютера на основе механотранзисторов, причем размеры подобного устройства составят всего 400х400х400 нм.

При этом его вычислительная мощность - 1016 операций в секунду, что можно приравнять к производительности современного персонального компьютера Penthium IV с тактовой частотой 1 ГГц. Если представить себе такой механокомпьютер в сравнении с красной кровяной клеткой (эритроцитом), то эритроцит будет больше в 10-15 раз!

Если использовать эти наноустройства для хранения информации, то полученная механическая память будет выгоднее [12]

по плотности данных, чем современные электромагнитные системы. Вероятно, что механопамять обгонит по емкости даже те магнитные устройства, которые по нынешним технологиям изготовления приближаются к физическому пределу плотности информации для магнитных устройств.

Механопамять может работать, выполняя миллионы и миллиарды циклов в секунду. Моханти сказал, что механические ключи новой памяти потребляют в миллион раз меньше энергии, чем их электронные аналоги.

Электронно-лучевая литография уже давно используется МЭМС- и нанотехнологами в качестве основного производственного инструмента. Она также является основным инструментом для производства микроэлектронных схем и ею пользуются при массовом производстве микросхем и процессоров. Так что для массового производства механопамяти не нужно будет использовать дополнительные устройства, вы-

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ пуск готового продукта можно производить на уже имеющемся оборудовании.

Одиночная ячейка памяти состоит из струны нанометровых размеров, которая при воздействии на ее концы высокочастотного напряжения (с частотой в несколько мегагерц) изгибается. При определенной амплитуде напряжения струна принимает одно из конечных состояний (“1” или “0” соотв.), что как раз нужно для хранения информации.

Маленькие размеры устройства позволяют ему достичь высокочастотных вибраций (в опытах — до 23,57 МГц). Эта частота отражает скорость чтения записанной информации. Для сравнения, винчестеры в современных ноутбуках характеризуются скоростью считывания информации в несколько сот килогерц.

Другое преимущество наномеханики перед наноэлектроникой заключается в том, что диапазон вибрации наноструны составляет несколько ангстрем. Для вибрации в таком диапазоне устройство потребляет всего несколько фемтоватт электроэнергии, в то время как современные ключи потребляют милливатты. Механическая память также свободна от ограничений суперпарамагнитного эффекта, который определяет граничые размеры магнитной памяти.

Объединение принципов механических и электронных вычислений позволит создать гибридные механоэлектрические НЭМС-транзисторы, которые работают по принципу переноса носителей заряда механическим путем.

(т.е. работать как транзистор). Установка Блайка изображена на рисунке 116.

Если между точками G1 и G2 приложить переменное напряжение, то маятник будет колебаться с частотой, пропорциональной частоте переменного напряжения. В рабочем устройстве маятник ко лебался с частотой в 100 МГц. Маятник C электрически изолирован от электродов G1, G2, S и D и заземлен.

Электроды S и D представляют собой исток и сток транзистора соответственно. Как только маятник касается электрода S, на его поверхность благодаря туннельному эффекту переносится один электрон, который затем передается с помощью колебаний маятника на электрод D. На схеме показан источник напряжения транзистора Vsd и прибор, с помощью которого

исследователи могли наблюдать за переносом электронов Isd.

Осциллятор исследователи изготовили из кремния по технологии SOI (silicon-on-insulator: слой кремния на слое изолятора) в несколько этапов. Сначала с помощью электронно-лучевой литографии нанесли на кремниевую поверхность золотую маску, которая повторяла геометрию устройства, а также алюминиевую маску травления (для тех участков, которые надо удалить). Далее был вытравлен механический маятник и его туннельные контакты (с точностью до 10 нм).

В обычных микроэлектронных транзисторах переносится около 100.000 электронов, чтобы обеспечить состояние 1 или 0. В новом электромеханическом транзисторе эту роль выполняет один электрон. Преимущества нового устройства — в отсутствии тепловых шумов, так как сток и исток физически разделены. Также уменьшится энергопотребление устройства, собранного на этих транзисторах.

Применение маятника в качестве переносчика электронов позволит транзистору работать в условиях повышенной радиоактивности, говорит Блайк. Поэтому одним из применений механотранзистора станет спутниковая электроника.

Уже созданы проекты манипуляторов, нопока еще ни один из них не воплотился в реальность.

Многообразие вариантов и областей применения МЭМС и НЭМС ограничено только нашим воображением. Одним из эффективных приложений МЭМС-техно- логии сегодня являются датчики, или сенсоры.

Развиваясь, человечество все больше стремится понять и освоить природные механизмы, тысячелетиями функционирующие в биологических организмах, в том числе и человеческом. Иногда результатом таких попыток становится создание электронной техники, имитирующей работу органов чувств человека или животных.

В основе работы таких устройств лежат сенсоры, или датчики - технические элементы, чувствительные к внешним воздействиям (от англ. “sense”— “чувствовать”).

Собственно говоря, сегодня подобные устройства вряд ли могут кого-нибудь поразить: уже давно сенсоры встраиваются в автомобили, музыкальные центры, холодильники и другие бытовые приборы. Датчики широко используются в охранных системах, системах контроля над глобальными катаклизмами (например, сейсмодатчики, способные заблаговременно предупредить людей о надвигающемся землетрясении по малейшим колебаниям), системах противопожарной безопасности, медицине.

Большой популярностью сегодня пользуются ультразвуковые сенсоры. По принципу работы они напоминают маленький

локатор. Волны, исходящие от них, проникают в любой затаенный уголок помещения, и малейшее изменение геометрии комнаты (например, появление нежданных гостей с мешком для денег) приводит к срабатыванию сигнализации.

Похожий принцип действия и у инфракрасных датчиков, срабатывающих в момент попадания движущегося объекта, излучающего тепло (например, человека или собаки), в зону чувствительности датчика.

Пьезоэлектрический сенсор предназначен для обнаружения механических воздействий на отдельные предметы и используется при охране сейфов, музейных экспонатов и т.д. Такой сенсор представляет собой МЭМС-устройство, способное обнаружить смещение вплоть до 1 микрона. В основе работы сенсора лежит пьезоэлектрический эффект, суть которого подробно излагалась в первой главе при описании пьезомеханического манипулятора, обеспечивающего перемещение зонда сканирующего микроскопа.

Весьма популярны также газовые сенсоры, суть работы которых заключается в анализе воздуха, попадающего в сенсор через полупроницаемую мембрану. Молекулы газа вступают в реакцию с электролитом у измерительного электрода. В результате реакции генерируется электрический ток, по измерению которого можно судить о наличии тех или иных веществ в атмосфере. Такие устройства позволяют определять утечку газов и проверять состояние атмосферы на предмет наличия токсичных веществ, взрывоопасного водорода и т.п.

Наносенсоры — это чувствительные элементы, действие которых основано на наномасштабных эффектах. Сегодня наносенсоры находят широкое применение в контроле над состоянием сложных систем, бытовой технике и в биомедицине.

Рассмотрим, как с помощью НЭМС-систем построить нанорецептор, который смог бы отделять молекулы только одного типа. И как сделать перепрограммируемый рецептор, который отбирал бы только те молекулы, описание которых в данный момент передает центральный компьютер.

Можно ли гарантировать чистоту отбора? На все эти вопросы можно ответить с помощью математического моделирования нанорецепторов и наноструктур. Классический нанорецептор, названный Молекулярным Сортирующим Ротором (далее МСР), предложен Эриком Дрекслером.

Каждый ротор имеет “гнезда” по окружности, конфигурированные под определенные молекулы. Находясь в окружении молекул, “гнезда” селективно захватывают только заданные молекулы и удерживают их до тех пор, пока молекула не окажется внутри устройства. От “гнезда” ее отсоединяет стержень, расположенный внутри ротора. Такие роторы могут быть спроектированы из 105 атомов и иметь размеры порядка (7х14х14 нм) при массе 2х10-21 кг. Они смогут сортировать молекулы, состоящие из 20 и менее атомов, со скоростью 106 молекул/сек при энергозатратах в 10-22 Дж на 1 молекулу. МСР позволяет создавать давление в 30 000 атмосфер, потребляя 10-19 Дж.

Рис 118 Молекулярный сортирующий ротор

Роторы полностью обратимы и поэтому могут быть использованы как для нагнетания, так и для выгрузки молекул газов, воды и глюкозы. Каждый ротор имеет 12 “гнезд” для присоединения молекул, расположенных по длине окружности ротора. МСР позволят нагнетать в резервуары химически чистые вещества, в которых не будет ни одной чужеродной молекулы.

Присоединительные “гнезда” роторов имеют специфическую структуру и будут производиться путем конструирования их атом-за-атомом по примеру строения активных центров некоторых ферментов. Так, фермент гексокиназа имеет присоединительные “гнезда” для глюкозы.

Ральф Меркле, исследователь из компании Xerox и коллега Эрика Дрекслера, предполагает, что для большинства “присоединительных гнезд” для молекул, вытянутых в длину и имеющих линейную структуру, можно использовать нанотрубки. Ральф рассчитал, какого диаметра должны быть нанотрубки для различных молекул. Выглядеть такой рецептор может так, как показано на рисунке 119.

А Роберт Фрайтас предлагает ряд “механических” рецепторов для сортировки молекул. Они имеют разное исполнение, но смысл один и тот же: рецептор, по сигналу с компьютера, автоматически принимает форму искомой молекулы.

Интеграция в одном устройстве МЭМС, электроники и чувствительных наноэлементов породило огромное многообразие интереснейших научных проектов, многие из которых уже воплощаются в жизнь, а часть пока что находится в стадии разработки. Рассмотрим некоторые из них.

Микроэлектромеханические системы (МЭМС) представляют собой класс миниатюрных устройств и систем, изготовленных с помощью микрообработки процессов. Главный критерий при создании МЭМС – их размер. Обычно он не превышает 1 мм. Технологии МЭМС являются предшественником относительно более популярной области технологий, где размер устройств начинается от 100 нанометров.

Изначально термин МЭМС был придуман для обозначения миниатюрных датчиков и исполнительных механизмов, действующих между электрическими и механическими областями устройства. Постепенно термин эволюционировал вместе с самими МЭМС и охватил широкий спектр различных микроустройств, изготовленных при помощи микромеханической обработки.

Изобретение точечного транзистора Уильямом Шокли, Джоном Бардином и Уолтером Браттейном в 1947 году послужило толчком к созданию МЭМС. Первый транзистор был размером с 1,3 сантиметра, что намного больше нынешних. Современные технологии позволяют создавать транзисторы диаметром около 1 нанометра.

В 1954 году К.С. Смит обнаружил и описал пьезорезистивный эффект – изменение электрического сопротивления полупроводника или металла под воздействием механической нагрузки. В отличие от пьезоэлектрического эффекта, пьезорезистивный эффект вызывает изменения только в электрическом сопротивлении, а не в электрическом потенциале.

В результате экспериментов стало понятно, что кремний и германий более чувствительны к давлению воздуха или воды, чем металлы. Во многих устройствах МЭМС, таких как тензодатчики, датчики давления и акселерометры, используется пьезорезистивный эффект в кремнии.

Результатом открытия этого эффекта в полупроводниках стало начало промышленного производства датчиков давления на основе кремния. В 1959 году компания Kulite первой поставила их производство на поток.

При создании транзисторов инженеры сталкивались с ограничением размера. Каждый транзистор нужно было подсоединять проводами ко всей остальной электронике. Тогда возникла необходимость в чем-то таком, что могло бы вмещать в себя транзисторы, резисторы, емкости и соединительные провода. Одна такая подложка позволила бы создавать миниатюрные устройства.

Схема Килби

В 1964 году компания Westinghouse Electric собрала первую серийную МЭМС. В устройстве, которое назвали резонансным затворным транзистором, были собраны механические и электронные компоненты. Транзистор работал как своеобразный частотный фильтр – пропускал электрические сигналы определенного диапазона.

Первое коммерческое применение МЭМС не заставило себя долго ждать: в 70-х годах Курт Петерсон из лаборатории IBM собрал микромеханический датчик давления, который нашел применение в датчиках кровяного давления.

В 1993 году компания Analog Devices стала первой серийно выпускать акселерометры МЭМС. В большинстве своем они использовались в автомобильной промышленности, но с годами область их применения расширилась до автономных систем навигации, игровых контроллеров, а также мобильных и компьютерных систем.

Области применения технологии МЭМС

В первые годы своего существования технология МЭМС оказалась революционной для многих областей науки, в том числе механики, акустики, оптики и других. Со временем появились уникальные решения и продукты в химической, биологической и медицинской области. МЭМС проникли в бытовую технику и электронику, автомобильную, биомедицинскую и аэрокосмическую промышленность.

Датчики давления

Первые микроэлектромеханические устройства, которые использовались 1980-х годах в биомедицинской промышленности – многоразовые датчики кровяного давления. Современные датчики давления МЭМС измеряют внутриглазное, внутричерепное, внутриутробное давление, а также используются во время ангиопластики.

По данным ВОЗ, глаукома – вторая самая частая причина слепоты после катаракты. Имплантируемые датчики давления позволяют непрерывно мониторить внутриглазное давление у пациентов с глаукомой. В здоровом глазу поддерживается давление в диапазоне 10-22 мм ртутного столба. Аномально высокое давление (>22 мм) и его колебания рассматриваются в качестве основных факторов риска развития глаукомы.

Это заболевание часто возникает без каких-либо заметных симптомов и боли, но может привести к необратимому и неизлечимому повреждению зрительного нерва. Без своевременного лечения страдает периферическое зрение и иногда наступает полная слепота.

Один из датчиков, измеряющих ВГД, показан ниже. Он представляет собой одноразовую контактную линзу с элементом датчика давления МЭМС. Датчик включает в себя петлю антенны (золотое кольцо), микропроцессор специального назначения – чип 2х2 мм и тензорезисторы для измерения кривизны роговицы в ответ на изменения внутриглазного давления. Петля антенны получает питание от внешней системы мониторинга и передает информацию обратно в систему.

Инерциальные датчики

Акселерометры МЭМС используются в дефибрилляторах и кардиостимуляторах. Пациенты, страдающие от учащенного или хаотичного сердцебиения, зачастую подвержены наиболее высокому риску остановки сердца или сердечного приступа.

Кардиостимулятор поддерживает нормальное сердцебиение путем передачи электрических импульсов к сердцу. В современных устройствах используются МЭМС-акселерометры, которые регулируют частоту сердечных сокращений в соответствии с физической активностью пациента.

Кроме того, инерциальные датчики МЭМС – акселерометры и гироскопы – использовались для разработки одной из самых необычных инвалидных колясок iBOT Mobility System. Сочетание нескольких датчиков позволяет пользователю управлять инвалидным креслом и регулировать высоту кресла, заставляя коляску балансировать на двух колесах. Таким образом человек в коляске может взаимодействовать с другими людьми лицом к лицу.

Измерительные преобразователи

Измерительные преобразователи нашли свое применение в слуховых аппаратах. Эти электроакустические приспособления используются для приема, усиления и направления звука в ухо. Таким образом слуховые аппараты компенсируют потерю слуха и делают аудиосигналы более различимой для пользователя.

Согласно статистике, 80% людей с частичной или полной потерей слуха не устанавливают слуховые аппараты. Причинами зачастую является нежелание признавать потерю слуха и социальные стереотипы, связанные с заблуждениями о ношении слуховых аппаратов. Следуя этим данным, многие производители вкладывают силы и деньги в миниатюризацию аппаратов, которая при этом не шла в ущерб производительности.

Технологии МЭМС позволяют уменьшить форм-фактор, стоимость и энергопотребление по сравнению с традиционными решениями. Так, например, Analog Devices, объем которого составляет всего 7,3 мм3, включает в себя микрофон МЭМС, подходящий в качестве слухового аппарата.

Микрогидродинамические системы

Микрогидродинамика представляет собой область научного знания, в которой рассматривается поведение малых объемов и потоков жидкостей. Типичная микрогидродинамическая система состоит из: игл, каналов, клапанов, насосов, смесителей, фильтров, датчиков и резервуаров.

Такие системы часто используются для проведения медицинских тестов у постели больного. Особую роль такие тесты и анализы играют в развивающихся странах, где доступ к больницам ограничен, а лечение обходится дорого. Диагностические микрогидродинамические системы используют телесные жидкости (слюну, кровь или образцы мочи) для предварительной подготовки образца для анализа, обнаружения искомого компонента в пробе вещества, а также для анализа данных и отображения результатов. Одной из самых широко известных и распространенных микрогидродинамических систем является тест на беременность.

Кроме того, эти системы используются для доставки лекарственных средств в конкретный орган человека. Так, при помощи микроигл осуществляется чрескожная доставка лекарственных средств. Существуют еще имплантируемые системы доставки (инсулиновая помпа, стенты с лекарственными препаратами) и непосредственно средства доставки лекарства (микро- и наночастицы).

Для больных сахарным диабетом в 2012 году была разработана специальная система доставки инсулина – JewelPUMP. Первая версия была установлена на одноразовый кожный пластырь и обеспечивала непрерывную подачу инсулина в организм человека. Вся система весила всего 25 граммов и вмещала до 5000 единиц инсулина, которого хватало на 7 дней без дополнительного пополнения или замены.

Микромеханические иглы

Современные технологии микрообработки позволяют изготавливать иглы размером менее 300 мкм, что является пределом традиционных методов обработки. Как правило, длина микроиглы МЭМС составляет менее 1мм. Их используют для доставки лекарственных средств, записи биомедицинских сигналов, взятия проб жидкостей, раковой терапии и микродиализа.

Часто такие микроиглы интегрируются в какое-либо устройство и используются в сочетании с системами микроканалов. Твердые и полые микроиглы изготавливаются при помощи микрообработки из кремния, стекла, металлов и полимеров. Они бывают разных форм – от цилиндрических до восьмиугольных.

Твердые микроиглы, изготавливаемые методом реактивного ионного травления кремния.

Микрохирургические инструменты

Малоинвазивная хирургическая процедура призвана обеспечить диагностику, мониторинг или лечение заболеваний путем проведения операций с очень маленькими разрезами или даже через естественные отверстия на теле человека. Преимущества такой хирургии перед традиционной открытой – меньше боли, минимальное повреждение тканей и количество рубцов, быстрое восстановление после операции, а зачастую и более низкая стоимость для пациента.

К общим процедурам малоинвазивной хирургии относят ангиопластику, катетеризацию, эндоскопию, лапароскопию и нейрохирургию. Микрохирургические инструменты на основе МЭМС являются наиболее приемлемыми технологиями в малоинвазивной хирургии.

Так для проведения процедуры ангиопластики, предназначенной для восстановления нормального кровотока через закупоренные артерии, используются сердечные стенты. Их вводят в кровеносный сосуд через катетер, чтобы расширить сосуд. Существует два основных типа стентов: металлические и полимерные стенты Полимерные, в свою очередь, подразделяются на рассасываемые и нерассасываемые. Очевидно, что первые являются более привлекательными, поскольку могут раствориться внутри тела после того, как выполнят свое предназначение.

С момента первого серийного выпуска МЭМС прошло уже более 50 лет. За это время технология биомедицинских МЭМС прочно вошла в нашу жизнь: с ее помощью стало возможным помогать людям с ограниченными возможностями, лечить серьезные заболевания и проводить безопасные хирургические операции. Технология продолжает активно развиваться благодаря созданию и открытию новых материалов, что позволяет уменьшать размеры МЭМС и тем самым расширять сферу их применения.

Микроэлектромеханическая система, или МЭМС, представляет собой миниатюрное устройство или машину, которая изготовлена как из механических, так и из электрических компонентов, используя методы микрообработки.

Термин "МЭМС" часто используется для описания как категории микромехатронных систем, так и технологического процесса, используемого для их изготовления. Некоторые МЭМС не имеют механических компонентов, но поскольку они преобразуют определенные механические сигналы в электрические или оптические, они классифицируются как МЭМС.

Размер МЭМС

Физические размеры МЭМС-устройств могут варьироваться от 20 микрометров до одного миллиметра. Они изготовлены из компонентов размером от 1 до 100 микрометров.

Хотя отдельные компоненты могут быть меньше ширины человеческого волоса, несколько модулей, расположенных в массивах, могут занимать площадь более 10 сантиметров.

МЭМС-устройства обычно содержат центральные устройства обработки данных (такие, как микропроцессоры) и крошечные инструменты, которые взаимодействуют с окружающей средой (такие, как микросенсоры).

Типы МЭМС

Существует две формы технологии коммутации МЭМС: омическая и емкостная.

1. Омические МЭМС-переключатели разработаны с использованием электростатических кантилеверов. Поскольку кантилеверы деформируются с течением времени, эти переключатели могут выйти из строя из-за износа контактов или усталости металла.

2. Емкостные переключатели управляются подвижной пластиной или чувствительным элементом, который изменяет емкость. Используя свои резонансные характеристики, они могут быть настроены так, чтобы превзойти омические устройства в определенных частотных диапазонах.

Как они построены?

Хотя интерес к производству МЭМС вырос в 1980-х годах, потребовалось почти два десятилетия, чтобы создать инфраструктуру проектирования и производства, необходимую для их коммерческого развития. Одним из первых таких устройств были струйные печатающие головки и контроллеры подушек безопасности.

Используя эту технологию, исследователи смогли создать проектор с микрозеркалами (который использует МЭМС) в конце 1990-х. Со временем микросенсоры стали более популярными: они постепенно интегрировались в различные типы датчиков, включая датчики излучения, магнитных полей, температуры и давления.

Сегодня МЭМС используются практически во всех интеллектуальных устройствах, и они стали гораздо более эффективными (с точки зрения производительности и энергопотребления), чем их более крупные аналоги. Они состоят из таких частей, как микропроцессоры, микроактюаторы, микросенсоры, несколько блоков обработки данных.

Изготовление МЭМС включает в себя те же методы, которые используются для создания интегральных схем и полупроводниковых приборов. Основными методами являются:

Напыление: на специальную поверхность наносят тонкие слои (от 1 до 100 мкм) материала.
Паттернирование: рисунок передается в материал с помощью процесса, называемого литографией.
Травление : материал растворяется либо в химическом растворе, либо с использованием реактивных ионов для получения требуемой формы.
Подготовка матрицы: После того, как МЭМС-устройства подготовлены на кремниевой пластине, отдельные матрицы разделяются, а затем нарезка пластин осуществляется с помощью охлаждающей жидкости или сухого лазерного процесса.

Кремний является наиболее распространенным материалом, используемым для создания МЭМС. Он легко доступен, недорог и имеет существенные преимущества, особенно в области микроэлектроники. Например, кремний очень мало страдает от усталости и почти не рассеивает энергию.

Некоторые МЭМС изготавливаются из металла с помощью процессов гальванизации, испарения и распыления. Металлы с высокой степенью надежности включают золото, платину, серебро, вольфрам, медь, титан и алюминий.

Полимеры также могут быть использованы для изготовления МЭМС-устройств, так как их можно производить в больших объемах, с различными характеристиками материала.

Чем МЭМС отличаются от NEMS?

NEMS (сокращение от наноэлектромеханических систем) - это класс устройств, имеющих электрические и механические характеристики на наноуровне. NEMS формируют следующий логический этап миниатюризации от MEMS.

Проще говоря, NEMS похожи на МЭМС, но имеют меньший размер: они содержат критические структурные элементы на уровне не более 100 нанометров (в атомном или молекулярном масштабе).

Хотя NEMS и МЭМС называются отдельными технологиями, они зависят друг от друга. Например, сканирующий туннельный микроскоп, который обнаруживает атомы, является устройством МЭМС.

В отличие от МЭМС, в технологии NEMS используются материалы на основе углерода, в частности алмаз, углеродные нанотрубки и графен. Благодаря значительным достижениям в области роста, манипуляций, знаний электрических и механических свойств графена, исследователи проявляют все больший интерес к графену для таких устройств NEMS, как датчики давления, резонаторы, акселерометры и т.д.

Примеры и применения

По мере того как МЭМС становятся более эффективными и дешевыми в производстве, они, как ожидается, будут играть решающую роль в IoT (интернет вещей) и домашней автоматизации. Распространенными коммерческими приложениями МЭМС являются:

Акселерометры в транспортных средствах для различных целей, таких как электронный контроль устойчивости и срабатывание подушки безопасности
Сенсорные системы охлаждения и отопления для систем управления зданием
Оптический переключатель, используемый для переключения технологий и выравнивания для передачи данных
Одноразовые датчики кровяного давления и датчики давления автомобиля из силикона
Электростатические, электромагнитные и пьезоэлектрические микроуборочные комбайны (используются для сбора энергии)
Маленькие микрофоны, барометры и гироскопы для поддержки приложений для смартфонов

Мировой рынок

Многие компании работают над проектами МЭМС. Небольшие фирмы предлагают инновационные решения и справляются с расходами на изготовление по индивидуальному заказу с высокой прибылью от продаж. Более крупные фирмы в основном производят в больших объемах недорогие детали или упакованные решения для конечных рынков, таких как электроника, биомедицина и автомобилестроение. Как правило, как малые, так и крупные компании инвестируют в исследования и разработки для создания новых технологий МЭМС.

Читайте также: