Появление и развитие MEMS и NEMS-технологии

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- *

Перепечатано с www.universaldisplay.com

www.nanonewsnet.ru

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.

Если ИС обеспечила проводникам возможность “думать”, то МЭМС позволяет им “ощущать”, общаться и взаимодействовать с внешним миром. Поэтому без преувеличения можно сказать, что МЭМС — это новая волна полупроводниковой революции. По мнению экспертов, развитие МЭМС-аппаратуры может иметь такие же последствия для научно-технического прогресса, какие оказало появление микроэлектроники на становление и современное состояние ведущих областей науки и техники.

Изготовление МЭМС очень похоже на создание микросхем.

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

Пперепечатано с www.memx.com

Перепечатано с wwwcmp.caltech.edu

www.nanonewsnet.ru

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

Как ни удивительно, но МЭМС-системы могут выступать не только в роли сенсоров и «мускулов» микро- и нанороботов. Они также могут быть основой нанокомпьютеров.

История создания компьютеров начинается в девятнадцатом веке с универсальной механической машины Чарльза Бэббиджа. В 1833 г. английский ученый, профессор Кембриджского университета Чарльз Бэббидж разработал гигантский арифмометр с программным управлением, арифметическим и запоминающим устройствами. Аналитическая машина Бэббиджа стала предшественницей и прообразом

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.

Подобие машины Бэббиджа ученые собираются создать в наномасштабе, используя «НЭМС-арифмометры».

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

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.

Расскажем о создании одного из прототипов логических ячеек механопамяти. С помощью электронно-лучевой литографии исследователи сделали «шаблон» для матрицы механических ключей и вытравили их из монокристаллического слоя кремния, покрытого слоем оксида кремния.

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-

www.nanonewsnet.ru

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.

Исследователи заверяют, что наномеханические ключи могут достичь скорости до миллиарда циклов в секунду. При этом их размеры могут быть меньше тех, которые изготовлены экспериментально

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.

Приведем один пример. В 2001 году профессор Роберт Блайк из Висконсина, США, представил рабочий электромеханический маятник, который вибрировал в диапазоне радиочастот и мог переносить отдельные электроны от одного электрода к другому при активации “механической руки” устройства Перепечатано с www.cmp.caltech.edu

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

В центре устройства — вибрирующий маятник, который был назван Блайком “механической рукой”.

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.

Перепечатано с www.cmp.caltech.edu

www.nanonewsnet.ru

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

С помощью НЭМС также можно будет создать наноманипуляторы — устройства, способные выполнять управляемый механосинтез или просто перемещать отдельные молекулы. Над созданием подобного устройства сейчас работает ряд крупнейших компаний и лабораторий.

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.

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.