Типовые технологии микроэлектроники строятся на последовательном чередовании структурных и топологических операций. Все операции проводятся одновременно над большим количеством элементов и заготовок микросхем: в одном чипе (микросхеме) может содержаться свыше миллиона элементов (транзисторов),.на одной кремниевой пластине - несколько десятков или сотен чипов, а в технологических установках могут обрабатываться одновременно до сотен пластин. При этом итоговая производительность одной технологической линии может достигать нескольких миллионов изделий в неделю, обеспечивая весьма низкую стоимость одиночного изделия, несмотря на огромные вложения в технологию и разработку. В этом суть групповых интегральных технологий.

Для изготовления сенсорных и активаторных устройств целесообразно использование модифицированных технологических приемов микроэлектроники с сохранением ее двух кардинальных особенностей: микроразмеры элементов устройств и, одновременно, макроколичества обрабатываемых изделий. Первая

особенность позволяет изготавливать прецизионные уникальные изделия, размеры и взаимное расположение элементов которых воспроизводятся с микронными и субмикронными точностями. Вторая - групповые методы обработки - делают эти устройства дешевыми и доступными для массовых применений. Таким образом микроэлектронику можно рассматривать как родоначальницу микросистемной техники.

По Винеру информационно-управляющая система состоит из объекта управления, сенсорной подсистемы, подсистемы анализа и принятия решений, ак-тиваторной (воздействующей, исполнительной) подсистем. Микроэлектронная революция второй половины двадцатого века затронула в основном только центральное звено - подсистему анализа информации и принятия решений. Остальные подсистемы развивались своим эволюционным путем, обусловленным спецификой разнообразных объектов управления. Коренным отличием подсистемы анализа информации является унификация аппаратурных решений, их инвариантность к техническим областям применения. Независимо от структуры объекта и особенностей задач управления современные системы строятся на базе ограниченного числа типов микропроцессоров. Построение измерительной и исполнительной подсистем сегодня еще решается огромным разнообразием способов в каждой технической отрасли, для каждого объекта и задачи управления. Это относительное отставание в подходах к созданию подсистем сбора информации (сенсоры) и воздействия на объект (активаторы) является сегодня слабейшим звеном систем управления.

Для качественного прогресса в этой области необходимо было изыскать единообразные способы изготовления разнообразных компонентов сенсорных и активаторных подсистем ограниченным набором технологических приемов.

Технология микросистем, выросшая на основе микроэлектронных технологий, решает эту задачу и может обеспечить массовый выпуск самых различных механических, электромеханических, оптических, химических и других компонентов для сенсорных и активаторных подсистем, органично сопрягающихся с микро-злектронной подсистемой в единую микросистему автоматического управления.

Задачей микротехнологий в этом плане является разработка таких кон-структорско-технологических подходов и наборов операций, которые позволили бы все многообразие технических решений сенсоров и активаторов в различных отраслях техники унифицировать по технологии, сохраняя такие важнейшие характеристики микрозлектронной технологии, как микроразмеры элементов и массовость промышленного выпуска изделий.

В 70-е годы начались исследования по использованию технологических приемов и методов микроэлектроники для создания интегрированных микроустройств, содержащих в одном чипе как электронные компоненты, так и компоненты, выполняющие механические функции. В таких устройствах входными или выходными величинами являются не только электрические сигналы (ток и напряжение), но и механические - давление, сила, перемещение, скорость, ускорение. Унификация по способу изготовления совершенно различных по назначению срнсоров и активаторов, качественное (на порядки величин) уменьшение массо-габаритных показателей и энергопотребления, создание механических систем небывалых по надежности, многофункциональность - вот далеко неполный перечень достигнутого на сегодня.

Датчики давления - первое микромеханическое изделие, выполненное методами микроэлектронной технологии (1968 г.). Основными потребителями датчиков давления (свыше бООмлн. шт. в год, из них в 1996г. до 80% - микромеханические) являются автомобильная и авиакосмическая промышленность, энергетика, химия, медицина. Микромеханические датчики давления имеют высокие метрологические характеристики, малые габариты и продолжают активно совершенствоваться.

микротехники будущего и одновременно открывает новые области применения знаний материаловедам, которыми всегда была сильна отечественная научная школа.

Директор Центра микротехнологии и диагностики, д.т.н. В.В.Лучинин

Микромеханические акселерометры - второе по успешности внедрения микромеханическое устройство. Они производятся целым рядом фирм, среди которых в первую очередь следует отметить Draper Laboratory, Analog Devices, Honeywell, Kearfott и др. Массовое применение - в автомобильных системах безопасности. Потребление в 2002 г. - 135 млн. шт.

Разработки микр о механических гироскопов производят ряд ведущих зарубежных фирм, таких как Draper Laboratory, Honeywell, Litton, Analog Devices, Mitsubishi, Murata, Gyrostar и др. Фирмы, используя различную технологическую и конструктивную базу для создания микр о гироскопов, разрабатывают свою концепцию их производства. Отказ от классических схем гироскопов с вращающимся ротором не только устраняет наименее надежные узлы прибора, но и существенно упрощает его конструкцию, делая ее совместимой с технологической базой микроэлектроники.

В России работы по созданию микромеханических датчики угловых скоростей ведут ряд научных центров. Так в ЦНИИ машиностроения разработан комбинированный микромеханический гироскоп-акселерометр, чувствительный элемент которого представляет собой инерционную массу, подвешенную в двухосном упругом подвесе. Аналогичные работы с использованием классической кремниевой технологии проводят АООТ Гирооптика и СПбГПУ. Области применения микр о гироскопов - аэрокосмические, судовые и автомобильные системы управления и навигации, высокоточное оружие, медицина, спорт, устройства ввода в ЭВМ, интеллектуальные игрушки.

Примером наиболее совершенных инструментов, позволяющих исследовать и модифицировать поверхности различных материалов с разрешением до единиц Ангстрем, являются атомно-сило вые и тоннельные микроскопы.

Проект, разрабатываемый MIT, предусматривает создание газотурбинного двигателя мощностью до 30 - 50 Вт, размером 10 х 3 мм и диаметром рабочего колеса - 2мм. При этом частота вращения ротора составляет 2.5млн. об/мин, а расход топлива - до Юг/час. Отношение тяги к весу более чем в 10 раз выше, чем у наиболее совершенных крупногабаритных собратьев . Разрабатываемый газотурбинный двигатель может найти применения в системах автономного энергоснабжения для транспортных средств и индивидуальной электронной амуниции солдата. В 1999 г. демонстрационный вариант микродвигателя был установлен на летающем микроаппарате.

Следует отметить, что для любой тепловой машины отношение тяги к весу подчиняется действию так называемого закона куб-квадрат : вес уменьшается пропорционально кубу линейного размера (объема), а расход и, следовательно, мощность, уменьшается пропорционально квадрату линейного размера (площади омываемой поверхности), что делает микродвигатели энергетически более выгодными, чем двигатели больших размеров. Кроме того, микрогабариты обеспечивают малые постоянные времени регулирования, что в сочетании со встроенной электронной системой управления существенно повышает гибкость управления. Описываемые ЖРД разрабатывается для средств ориентации перспективных малогабаритных спутников.. Они позволяют создать многодвигательные распределенные системы управляемой тяги для летательных и космических аппаратов новых поколений.

Для химических исследованиях микротехнологии позволили создавать микролаборатории для анализа и синтеза, содержащие на одной пластине газовые и жидкостные анализаторы, микродозаторы, насосы, клапаны, смесители; электронные носы , электронные языки и др.

Особо могут быть выделены микросистемы для биологии и медицины. Это: а) аналитические приборы для анализа биоматериалов в микрообъемах, определения ДНК и РНК, химического анализа и разделения биопрепаратов, капиллярного электрофореза, измерения физических величин в органах живых орга-

низмов, б) биохимические микрореакторы, в) микроинструменты для манипуляции и препарирования микрообъектов, нейрофизиологии, жидкостных микропотоков, г) робототехнические системы для микрохирургии и дистанционной хирургии, д) имплантируемые устройства, в том числе для коррекции органов чувств (слух, зрение, пространственная ориентация), мониторинга и непрерывной диагностики, дозирования и доставки до места назначения лекарственных препаратов.

На сегодняшний день в мире реализовано в виде экспериментальных и промышленных образцов огромное количество устройств микросистемной техники, предназначенных для работы в различных отраслях науки и техники: в аэрокосмических и автомобильных системах, микробиологии, системах микрохимического анализа, в инструментах для нанотехнологии, приборах для энергетики, теплофизики, механики жидкоспги и газа, экологии, спорта и быта. Можно считать, что сейчас начинается вторая фаза развития микротехнологий - фаза сосредоточенных устройств микросистемной техники. Однако, также как и в случае первой (микроэлектронной) фазы в середине ее развития (70-80 гг.), наличие действующих образцов пока еще не привело к адекватно широкому и повсеместному практическому использованию изделий микросистемной техники. Тем не менее, не вызывает сомнений широчайшие возможности применения сосредоточенных микросенсорных и микроактиваторных устройств в системах автоматического управления второго поколения. Более того, уже сегодня своевременно подумать о следующей, третьей фазе развития микротехнологий. Хотя этот вопрос оживленно обсуждается в научных кругах, для изделий этой третьей фазы еще не установилось общепринятого термина - используются различные определения: умные материалы и структуры , и распределенные информационные системы и др. Для этих структур характерным является их построение из однотипных элементов - триад, объединяющих в себе сенсорную, активаторную и управляющую компоненты. Такие триады являются аналогами биологических клеток в строении живых организмов и растений. Как и в организмах, клетки-триады умной структуры не обязательно должны быть идентичными, но могут иметь специфические особенности, связанные со специализацией их функций (различные наборы сенсоров и активаторов, различные по вычислительной мощности и алгоритмам процессоры). Общими чертами таких клеток , вытекающими из их триадного построения являются: а) наличие определенных заданных целей существования и деятельности, б) способности к анализу ситуации, самостоятельному принятию решения и к обучению (запоминанию результата анализа-действия).

Объединение клеток -триад в общую систему, при котором результат больше, чем сумма компонентов , может происходить только при согласованной, связанной деятельности элементов системы. Эти связи могут осуществляться как за счет центрального управляющего звена, так и за счет непосредственных связей между элементами.

1. Умная пыль - структура с полным отсутствием механических связей междр элементами, обладающая возможностью активного (собственный привод, движитель) или пассивного (движение в потоке газа, жидкости) пространственного перераспределения элементов. В этих структурах возможны эпизодические непосредственные информационные связи, однако, наиболее вероятна реализация общения и управления через центральное управляющее звено. При этом в основе деятельности системы лежит асинхронная деятельность элементов. Некоторые вероятные области применения таких систем: а) наблюдение за погодой и радиационной обстановкой (пыль разбрасывается с самолета), б) аэро- и гидродинамические измерения в потоках, в) диагностические и ремонтные работы внутри трубопроводов, работающих двигателей, горячих зон, в) тараканы для уборки и сортировки мусора, г) поиск потерянных предметов и т.п.

2 - 10482

Предисловия

2. Умная поверхность - структура, обладающая жестким, фиксированным расположением элементов в узлах сетки (не обязательно на одной поверхности), исключающая пространственное перераспределение элементов в системе координат поверхности. При этом движение элементов или деформация сетки возможны не по инициативе элементов. Активные информационные связи между элементами и центральным звеном для обеспечения синхронной и согласованной деятельности позволяют решать локальные и глобальные задачи управления. Некоторые области применения умных поверхностей: а) создание структур, в которых согласованные движения элементов гасят турбулентность и уменьшают аэро- или гидродинамическое сопротивление, б) создание активных акустических подавителей шума, в) создание активных адаптивных оптических систем и радиотехнических антенн, г) создание систем диагностики состояния и очистки корпуса корабля от обрастания.

3. Умная структура - структура, в которой силовые / ехокические связи между элементами; их пространственное перераспределение и перемещение элементов возможно не только по собственной инициативе, но и под действием связанных с ними других элементов. В умной структуре реализуются еще более активные локальные и центральные связи, что вызвано необходимостью определения не только локальных, но и глобальных координат элементов. Области применения умных структур : а) движущиеся устройства робототехни-ческих систем (руки, ноги, схваты, инструменты), б) распределенная система реактивной тлги и управления летательных аппаратов, в) системы изменения конфигурации крыльев, винтов, рулевых поверхностей.

Переход от сосредоточенных к распределенным информационным системам ставит ряд совершенно новых проблем, касающихся вопросов разработки алгоритмов управления, как отдельными элементами, так и всей системой в целом. Необходимо решить какую степень интеллектуальности и самостоятельности следует обеспечить в элементах, нужна ли им информация о глобальных целях всей системы, и насколько элементам для выполнения их частных задач важны сведения о состоянии соседей. Однако очевидной является невозможность сосредоточения всех функций управления в центральном звене для сложной адаптивной системы, состоящей из нескольких тысяч активных элементов. Для решения такого рода вопросов были бы полезны знания об алгоритмах поведения сообществ коллективных насекомых: пчел, муравьев, термитов. Каждый член сообщества выполняет свою локальную задачу, при этом все вместе они достигают другой, глобальной (системной) цели.

Одной из важнейших проблем, требующей решения при создании распределенных микросистем является проблема энергетического запаса и его пополнения. При этом наиболее оптимальными представляются решения, при реализации которых элементы получали бы энергию, необходимую для их функционирования, непосредственно из окружающей среды. Такими источниками энергии могут быть: световая энергия, потенциальная энергия падающих пылинок , кинетическая энергия турбулентных потоков газа или жидкости, обтекающих частицу; кинетическая энергия вибрации устройства, тепловая энергия, получаемая за счет временной и пространственной разности температур и внешних тепловых потоков, химическая энергия, извлекаемая из улавливаемых частиц вещества окружающей среды (аналог пищи для живых организмов). Таковы лишь некоторые из реальных перспектив развития микросистемной техники.

Уже первые опыты использования микротехнологий для изготовления микромеханических изделий показали, что микроэлектроника и микромеханика имеют существенные различия. Основная причина этого заключается в необходимости непосредственного взаимодействия устройств с физическим материальным миром во всем его многообразии и необходимости реализации не только информационного, но и физического интерфейса.

imiilUlii

От микроэлектроники к микросистемной технике

Б связи с этим оказывается недостаточным даже то богатое технологическое наследство, которое микроэлектроника готова передать этому новому направлению. Изделия МСТ требуют ряда совершенно новых подходов ко всем составляющим цикла проектирование - производство: проектирование, технология и материалы.

Новые задачи в проектировании связаны с необходимостью расчета и моделирования не только задач схемотехники и логики, но и совокупности проблем механики твердого тела, термоупругости, электростатики и магнетизма, газо- и гидродинамики, которые порознь или одновременно проявляются в изделии.

Новые задачи технологии связаны с наиболее характерными отличиями изделий микроэлектроники от изделий микромеханики, которые заключаются в том, что первые по существу двумерны и механически статичны, а микромеханические устройства представляют собой реальные трехмерные структуры, элементы которых должны иметь возможность относительного механического перемещения. Эти новые свойства требуют развития трехмерного ЗВ-формообразования и реализации новых технологических операций, которые могут быть как аддитивными - методы соединения деталей для создания многоэтажных конструкций, гальванопластика в объемных формах (LIGA-технология), так и субстрактивными -~ методы глубокого (многомикронного) анизотропного травления, селективного травления, создания и удаления жертвенных слоев.

Наконец, необходимо освоение и использование новых материалов. Выбор материалов и технологии изготовления элементов является ключевым моментом при проектировании микромеханических устройств. Курт Петерсон в статье Кремний как механический материал , опубликованной в 1982 г., впервые обратил внимание на уже состоявшееся появление нового научного и прикладного направления - использование приемов полупроводниковой микротехнологии (и кремния, как материала) не в микроэлектронных целях.

Несмотря на то, что традиционный материал микроэлектроники - монокристаллический кремний, имеет ряд уникальных свойств, делающих его весьма привлекательным для микромеханики (высокие механическая прочность, добротность, теплопроводность, отсутствие усталостных эффектов), очевидно, что для многих применений одного кремния недостаточно. Необходимо научиться использовать и другие материалы с другими совокупностями Электр о-фиэико-механических свойств (жаропрочные диэлектрические и проводящие материалы, полимеры, в том числе для медицинских и биологических применений и т. д.). Очень перспективным в этой связи выглядит использование фоточувствительных материалов из различных групп соединений, физико-механические свойства которых можно широко и целенаправленно варьировать при синтезе, а формообразование элементов конструкции создавать фотолитографическими методами. В свою очередь, использование новых материалов потребуешь как разработки новых технологических приемов для их обработки, .так и решения измерительных материаловедческих задач по определению свойств и параметров этих материалов в микроразмерах, без чего невозможно адекватное математическое моделирование и проектирование устройств, создаваемых с их применением.

Особые проблемы возникают при решении вопросов метрологического обеспечения разработок, поскольку микроразмеры, создаваемых устройств, требуют применения соответствующих инструментов измерения и контроля. Кроме того, существенное уменьшение массы и габаритов устройств приводит к проявлению новых свойств объектов. На первый план выходят: а) тепловые факторы, влияющие на плотность, размер и коэффициенты упругости, температурные деформации и напряжения, б) особые механические свойства мате-