Ионные насосы в технологии MEMS
Ионные насосы
в технологии MEMS
Оглавление
Общая
характеристика вакуумных насосов
Ионные насосы
Ионные насосы
с горячим катодом
Ионно-сублимационный
насос с подачей титана
Ионно-сублимационные
триодные насосы
Электростатический
ионно-сублимационный насос
Ионные насосы
с холодным катодом
Насосы,
основанные на принципе ионно-сорбционной откачки
Технология
MEMS
Общая характеристика вакуумных насосов
Все вакуумные насосы можно разделить на высоковакуумные и низковакуумные,
а по физическому принципу действия - на механические, сорбционные, ионные.
Среди механических насосов выделяют объёмные и молекулярные, основанные на
передаче количества движения молекулам газа от движущихся поверхностей.
Насосы объёмного типа осуществляют откачку за счёт периодического
изменения объёма рабочей камеры. Этот тип вакуумных насосов появился раньше
остальных и получил широкое применение в различных конструкциях: поршневая,
жидкостно-кольцевая и ротационная.
Среди насосов с передачей количества движения молекулам газа различают:
водоструйные, эжекторные, диффузионные и молекулярные. Их характеристики можно
рассчитать на основании закономерностей внутреннего трения в газах.
Сорбционные явления в вакууме широко используются для откачки газов из
вакуумных систем. На принципе хемосорбции основана работа испарительных
насосов. Физическая адсорбция и конденсация используются для откачки газов
криосорбционными насосами: адсорбционными и конденсационными.
Направленное движение предварительно заряженных молекул газа под действием
электрического поля является основой работы ионных насосов. Принцип ионной
откачки совместно с сорбционным используется в конструкциях ионно-сорбционных
насосов.
Основными параметрами любого вакуумного насоса являются: быстрота
действия, предельное давление, наименьшее рабочее давление, наибольшее давление
запуска и наибольшее выпускное давление.
Рассмотрим схему простейшей вакуумной системы (рис. 1), состоящую из
откачиваемого объекта 1, насоса 2, и соединяющего их трубопровода. Течение газа
из откачиваемого объекта в насос происходит из-за разности давлений (p1
- p2), причём p1 > p2.
Быстроту откачки насоса Si в произвольном сечении
соединительного трубопровода можно определить как объём газа, проходящий через это
сечение в единицу времени:
i
= dVi/dt.
Быстротой откачки объекта или эффективной быстротой откачки насоса
называется объём газа, поступающий в единицу времени из откачиваемого объекта в
трубопровод через сечение I при давлении p1
SEff = dV1/dt. (1)
Быстрота действия насоса - это объём газа, удаляемый насосом в единицу
времени через входной патрубок (сечение ближе к насосу) при давлении p2:
SH = dV2/dt. (2)
Отношение эффективной быстроты откачки насоса к быстроте действия
называется коэффициентом использования насоса:
Ku = SEff/SH. (3)
Производительностью насоса называется поток газа, проходящий через его
входное сечение. Для стационарного потока выполняется условия сплошности:
Q = p2SH = p1SEff
= piSi. (4)
Установим связь между тремя основными характеристиками вакуумной системы:
быстротой действия насоса SH, эффективной быстротой откачки объекта
SEff и проводимостью вакуумной системы между насосом и откачиваемым
объектом U. Запишем следующие равенства:
|
SH = Q/p2 =
U(p1 - p2)/p2, SEff = Q/p1
= U(p1 - p2)/p1.
|
(5)
|
После несложных преобразований имеем искомую связь:
Это уравнение называется основным уравнением вакуумной техники. Для
анализа этого уравнения запишем его немного в другом виде:
Сразу же бросаются в глаза следующие факты:
1. Если SH = U, то получаем что SEff = 0.5SH;
2. Если U
, то SEff SH;
. При U0, имеем SEff0.
Предельное давление насоса pпр - это минимальное давление,
которое может обеспечить насос, работая без откачиваемого объекта. Логично
заметить, что быстрота действия насоса при приближении к предельному давлению
стремиться к нулю. Предельное давление большинства вакуумных насосов
определяется газовыделением материалов, из которых изготовлен насос,
перетеканием газов через зазоры и другими явлениями, возникающими в процессе
откачки.
Наименьшее рабочее давление вакуумного насоса pм - это
минимальное давление, при котором давление длительное время сохраняет
номинальную быстроту действия. Наименьшее рабочее давление примерно не порядок
выше предельного давления. Использование насоса для работы при давлениях между
предельным и наименьшим рабочим экономически не выгодно из-за ухудшения его
удельных характеристик.
Наибольшее рабочее давление вакуумного насоса pб - это
максимальное давление, при котором насос длительное время сохраняет номинальную
быстроту действия. В рабочем диапазоне от наименьшего о наибольшего рабочего
давления обеспечивается эффективное применение насоса для откачивания вакуумных
установок. Рабочие диапазоны давлений вакуумных насосов в основном определяются
их принципом действия.
Давление запуска вакуумного насоса pз - максимальное давление
во входном сечении насоса, при котором он может начать работу. Давление запуска
обычно заметно превышает наибольшее рабочее давление. Для некоторых типов
насосов, к примеру, магниторазрядных, это различие может достигать 2-3
порядков.
Наибольшее выпускное давление pВ - максимальное давление в
выходном сечении насосы, при котором он может осуществлять откачку. Этот
параметр не используется для некоторых типов сорбционных насосов, поглощающих
газ в объёменасоса.
Ионные насосы
Ионный насос представляет собой камеру, присоединяемую непосредственно к
откачиваемому объему. Электроны, испускаемые катодом прямого накала или
возникающие в статическом разряде, ионизуют молекулы газа в столкновениях с
ними. Ионы переносятся электрическим полем к коллектору и связываются на его
поверхности. Существуют два механизма связывания: одни ионы адсорбируются на
поверхности коллектора, а другие вступают в химическую реакцию с материалом
коллектора, образуя устойчивые соединения. Для химически активных газов
эффективны оба механизма, а для инертных - только первый. Коллекторные
поверхности большинства ионных насосов покрыты титаном. Под действием ионов,
бомбардирующих коллектор, его поверхность распыляется, так что непрерывно
открываются свежие слои титана, способные связывать ионы химически активных
газов.
Действие ионных насосов основано на ионизации газа сильным электрическим
разрядом и удалении ионизованных молекул электрическим полем. Этот способ мало
распространен из-за сложности устройства и большой потребляемой мощности,
затрачиваемой главным образом на создание магнитного поля. При комнатной
температуре инертные газы и углеводороды практически не поглощаются напыленными
пленками металлов. Для их удаления служат комбинированные ионно-сорбционные или
ионно-геттерные насосы, в которых сорбционный способ поглощения химически
активных газов сочетается с ионным способом откачки инертных газов и
углеводородов. Поглощающая поверхность обновляется осаждением на стенках
термически испаряемого титана, а также катодным распылением титана в
электрическом разряде или в магнитном поле в электроразрядных или
магниторазрядных ионно-сорбционных насосах. Ионно-сорбционные вакуумные насосы
при предварительной откачке до 10-2 н/м2 (до 10-4 мм.рт.ст.) создают вакуум до
10-5 н/м2 (10-7 мм.рт.ст.). Быстрота откачки зависит от рода газа. Поскольку в
таких насосах нет рабочей жидкости, они вносят гораздо меньше загрязнений, чем
самые лучшие диффузионные. К недостаткам же их можно отнести то, что химически
активные газы они откачивают гораздо быстрее инертных и отдают обратно
небольшую часть откачанного газа.
Прототипом ионных насосов является вакуумный манометр Пеннинга, в котором
при измерениях давления происходит заметное откачивание газов. Это явление
вызвано, с одной стороны, эффективной ионизацией газа благодаря присутствию
магнитного поля (увеличивающего путь ионизации электронов), а с другой,
распылением металла катода под влиянием бомбардировки его ионами.
Для откачки химически неактивных газов, особенно инертных, их частицам
сообщают большие скорости; такие частицы при столкновении с поверхностью
металла внедряются в него, а затем «замуровываются» слоями напыленного или
осажденного из паров металла. Ускорение частиц газа осуществляется с помощью
электрического поля после предварительной их ионизации. Ионы же химически
активных газов вступают в реакцию с металлом катода.
Ионные насосы подразделяют на насосы с горячим катодом (термокатодные) и
насосы с холодным катодом (электроразрядные).
Ионные насосы с горячим катодом
Простейшим ионным насосом с горячим катодом является триодный вакуумный
манометр, в котором ионизация происходит под влиянием бомбардировки молекул
газа электронами, движущимися между катодом и анодом. Образовавшиеся ионы
сорбируются на коллекторе и стенках баллона, чему благоприятствует слой
напыленного на стенки катодного или анодного металла.
Триодный вакуумный манометр применялся в прошлом (а иногда применяется и
в настоящее время) для получения очень высокого вакуума в небольших объемах
(Альперт). Оказывается, однако, что эффективность действия насоса по отношению
к активным газам определяется испарением металла. Поэтому ионный насос с
горячим катодом не имеет самостоятельного практического значения; его следует
рассматривать скорее как ионно-сублимационный насос, в котором обеспечивается
ионизация, необходимая для откачки химически неактивных газов Насос этого типа
при рабочем давлении порядка 10-4 Тор быстро насыщается вследствие изменения
знака заряда стенки по мере поглощения ею газа Поэтому такой насос
целесообразно использовать при давлении ~10-7 Тор и ниже.
Ионно-сублимационный насос с подачей титана
Рис. 3 Ионно-сублимационный насос. (1-катушка с титановой проволокой;
2-направляющая трубка; 3-тигель, являющийся анодом; К-катод; S-сетка; А-анод)
Принципиальная схема ионно-сублимационного насоса с подачей титана приведена
на рис.3. Такой насос представляет собой своего рода цилиндрический триод, в
котором анод А имеет потенциал около +1000 В, катод К в форме кольца -
потенциал около +100 В, а заземленный наружный цилиндр (корпус) играет роль
приемного электрода для ионов, т. е. является электродом, который откачивает
газы. Вдоль оси системы электродов установлена направляющая 2 для подачи
титановой проволоки, которая, разматываясь с ролика, поступает в тигель 3.
Тигель (имеющий потенциал сетки) подогревается бомбардирующими его электронами
до температуры, необходимой для испарения титана. Титан оседает на стенках
корпуса насоса, имеющего водяную рубашку или охлаждаемого змеевиком. Скорость
вращения ролика с проволокой регулируется снаружи. Ионизация газа в насосе происходит
под действием электронов, эмиттируемых катодом. Ионизированные, возбужденные и
диссоциированные при этом газы связываются химически и физически на поверхности
и в глубине материала, а также «замуровываются» непрерывно оседающими парами
титана.
Например, при испарении титана со скоростью 5 мг·с-1 скорости откачки
различных газов будут следующими:
н2 = 3000 л•с-1, SN2= 2000 л•с-1, SO2= 1000 л•с-1, возд=600 л•с-1, SAr =
5л•с-1.
Диаметр корпуса такого насоса составляет ~40 см.
Ионно-сублимационные триодные насосы
На рис. 4 представлен небольшой стеклянный насос, состоящий из горячего
катода, сетчатого анода и коллектора, образованного слоем титана на стенках
баллона. Электроны из катода, проскакивая через отверстия сетчатого анода,
ионизируют газ. Образовавшиеся положительные ионы под действием электрического
поля движутся к коллектору, имеющему отрицательный потенциал, и внедряются в
его поверхность. При достаточно интенсивной бомбардировке анода электронами,
эмиттируемыми из катода, температура анода повышается, титан с его поверхности
сублимируется и, оседая на стенках (на коллекторе), «замуровывает» внедряющиеся
в нее газы. Стенки баллона охлаждаются водой.
Рис. 4 Ионно-сублимационный насос. (а-схема; б-зависимость скорости
откачки от давления для некоторых газов). С-коллектор; А-анод, покрытый
титаном; К-катод.
Ионно-сублимационный насос с испарителем титана
На рис. 5 представлена схема небольшого стеклянного ионно-сублимационного
насоса, состоящего из испарителя титана (титановая проволока, намотанная на
вольфрамовый стержень), рабочего (К') и запасного (К") катодов и
коллектора С. Титан, испаренный (сублимированный) путем нагревания
вольфрамового стержня, оседает на стенках баллона и откачивает активные газы.
Электронный ток (~1 мА), текущий от катода К' к испарителю Тi (имеющему
потенциал +170 В относительно катода), ионизирует газы, а образовавшиеся ионы,
ускоряемые электрическим полем, внедряются в слой титана на стенках, где они,
кроме того, могут быть замурованы непрерывно оседающим титаном. Коллектор (с
потенциалом -30 В относительно катода) можно использовать для измерения ионного
тока (чувствительность его ~10-3 А•Тор-1). Напряжение на выходах вольфрамового
стержня испарителя составляет несколько вольт. Скорость откачки (при одновременной
ионизации) различных газов этим насосом следующая: для азота 8 л•с-1, гелия 1,2
л•с-1, аргона 0,5 л•с-1; без ионизации скорость откачки для азота составляет 4
л•с-1.
Рис. 5. Небольшой ионно-сублимационный насос(стеклянный). К' и
К''-катоды; С-коллектор; А(Т1) - покрытый титаном анод.
Электростатический ионно-сублимационный насос
Принцип действия и конструкция электростатического (с радиальным
электростатическим полем) ионно-сублимационного насоса ясны из рис. 6
Насос состоит из коллектора в виде трубы С, стержневого титанового анода
с положительным потенциалом порядка нескольких тысяч вольт и вольфрамового
катода К с потенциалом, близким к потенциалу цилиндрического коллектора.
Вольфрамовый катод установлен и заэкранирован таким образом и имеет такой
потенциал, что испускаемые им электроны попадают на титановый анод не
кратчайшим путем, а по спиральным траекториям между стержнем анода и цилиндром,
вследствие чего путь ионизации значительно удлиняется. Ионизированные частицы с
большими скоростями ударяют в слой напыленного титана на цилиндре С, где они
химически связываются, или же внедряются в глубь материала и покрываются вновь
напыляемыми слоями титана.
Рис. 6. Электростатический ионно-сублимационный насос. (К-катод;
А(Т1)-титановая проволока; С-коллектор с напыленным слоем титана; Е' и
Е''-экраны).
Насос работает начиная от давления ~ 10-3 Тор. Анодный ток насоса не
превышает 40 мА (при напряжении 5 кВ), расход охлаждающей воды составляет - 0,5
л·ин-1.
Схема и конструкция современного электростатического
ионно-сублимационного насоса представлена на рис. 7. Этот насос состоит из
четырех элементов, между которыми находится подогреваемый титановый сублиматор.
Весь этот комплект помещен в охлаждаемом водой корпусе, стенки которого покрыты
изнутри осажденным из пара титаном и представляют собой сорбирующую
поверхность.
Комплект четырех сублимационных элементов со стороны входа насоса защищен
отражателем с тремя поверхностями, экранирующим пространство высокого вакуума
от теплового излучения (~1 кВт), а также предохраняющим от напыления титана.
Рис. 7 Четырехсекционный электростатический ионно-сублимационный насос.(
А-анодные стержни; Т1-титановый сублиматор; К-катоды; S-сетка; С-корпус.)
Сублимационные элементы состоят из цилиндрических сеток, стержневых
анодов А и катодов К (один резервный). Корпус насоса, являющийся коллектором С,
заземлен и имеет отрицательный потенциал --370 В относительно сеток; аноды
имеют положительный потенциал +4000 В относительно сеток (т. е. +4370 В
относительно земли); катоды соединены с сетками. Электроны выходят с катода к
аноду со скоростями, близкими к нулю Катоды (небольшой длины) помещены на точно
рассчитанном расстоянии от анодов. Сублиматор из бериллиевой керамики ВеО имеет
форму цилиндрического стержня, содержащего 6 подогревателей, помещенных в
соответствующих полостях, керамический стержень покрыт молибденовой фольгой, на
которую нанесен слой титана. Мощность подогревателя составляет 750 Вт (15 А 50
В). Испарение титана происходит непрерывно независимо от ионизационного
разряда, поэтому в приборе не наблюдается явления так называемой аргонной
нестабильности. При диаметре входа в насос 150 мм скорость откачки N2
составляет ~1700 л·с-1, Аr -около 25 л·с-1.
Одним из достоинств электростатических ионно-сублимационных насосов
является малое сопротивление потоку газа от входа к сорбирующим поверхностям в
противоположность магнитным электроразрядным насосам, где ввиду необходимости
создания узких щелей в магнитном поле - поток газа, проходящего через эти щели,
испытывает большое сопротивление течению.
Ионные насосы с холодным катодом
В ионных насосах с холодным катодом под действием высокого напряжения в
разреженном газе между двумя электродами появляется электрический тлеющий
разряд. При этом происходит ионизация газа, в результате чего образуются ионы и
электроны Разряд в газе поддерживается благодаря тому, что ионы, ударяясь о
поверхность катода, вызывают эмиссию из него электронов Эмиссия электронов
приводит к дальнейшей ионизации, газа которая в свою очередь способствует
эмиссии электронов. Такой процесс называется тлеющим разрядом. Тлеющий разряд
легче возникает в присутствии магнитного поля.
Проходящий через насос электрический ток образован главным образом
электронами (которые обладают значительно большей подвижностью, чем ионы) и
приблизительно пропорционален давлению газа 1.
При возникновении тлеющего разряда катод подвергается распылению, а
распыленный металл, оседая на стенках насоса,, электродах и т. п., действует
как чистая сорбирующая поверхность (рис. 8). Распыление металла в присутствии
электрического поля (т. е. в условиях ионизации) обеспечивает хорошее
откачивание газов, главным образом активных и в определенной степени
неактивных, причем неактивные газы удаляются в результате их внедрения в
поверхность и замуровывания напыляемым металлом.
Рис. 8 Электроразрядный диодный насос с холодными электродами.
(А-цилиндрический анод; К1 и К2- два элемента титанового катода; В-индукция
магнитного поля).
Количество распыляемого металла приблизительно пропорционально току (и,
следовательно, давлению газа); это означает, что распыление металла
саморегулируется в зависимости от состояния вакуума. Величина разрядного тока
является в некоторой степени мерой давления в откачиваемой системе.
Эффект откачивания значительно улучшается, если разряд происходит в
магнитном поле (магнитные электроразрядные насосы). Это происходит потому, что
значительно удлиняется путь электронов от катода к аноду и увеличивается
вследствие этого количество столкновений электронов с молекулами, а
следовательно, и число ионов, образованных одним электроном. Ввиду этого в
насосах с тлеющим разрядом применяется магнитное поле соответствующей величины
(несколько сотых теслы) и направления (перпендикулярно плоскости электродов).
Различают два вида тлеющего разряда. При низком давлении (р < 10-4
Тор) разряд является типично тлеющим в виде столба, а распыление катода при
таком разряде происходит в небольшой области типа кратера. В области более высоких
давлений (р > 10-3 Тор) разряд переходит в дуговой и заполняет всю вакуумную
систему, причем металл распыляется с большой поверхности катода.
Для давлений в области 10-4 < р < 10-3 Тор мощность, выделяемая в
насосе, возрастает и электроды сильно нагреваются, в результате чего интенсивно
выделяются газы, адсорбированные на электродах.
Насосы, основанные на принципе ионно-сорбционной откачки
Ионно-сорбционная откачка использует два способа поглощения газа:
внедрение ионов в объем твердого тела под действием электрического поля и
химическое взаимодействие откачиваемых газов с тонкими пленками активных
металлов. Конструкция ионно-сорбционного насоса определяется типом испарителя,
конфигурацией электродов и способом подачи напряжения. Испарители бывают прямонакальные,
подогревные, электронно-лучевые и дуговые.
В насосах испарительного типа, не имеющих устройств для ионной откачки,
предельное давление составляет обычно 10-7 Па. Охлаждение активной
пленки до температуры жидкого азота снижает предельное давление до 10-11
Па.
Верхний предел рабочих давлений, равный 10-2 Па, лимитируется
образованием во время работы испарителя окислов, нитридов и карбидов на
поверхности активного материала, что приводит к уменьшению скорости испарения.
Максимальная быстрота действия выпускаемых промышленностью насосов такого типа,
достигает 105 л/с при откачке водорода. Применение испарительных насосов
неэффективно при откачке продуктов органического происхождения и инертных
газов.
Большое распространение получили ионно-сорбционные насосы, которые
используют одновременно поглощение газов хемосорбцией и ионной откачкой. Эти
насосы можно разделить на две группы: насосы с независимым и саморегулирующимся
распылением активного материала. Недостатком насосов с независимым распылением
является то, что скорости распыления активного металла и производительность
откачки в таких насосах независимы друг от друга. Это часто приводит к
непроизводительному расходу активного металла.
Саморегулирование скорости распыления обеспечивается в магниторазрядном
насосе. Откачиваемые газы ионизируются электронами, появляющимися за счет
автоэлектронной эмиссии из катода, и вторичными электронами, возникающими при
бомбардировке катода ионами откачиваемого газа. Напряженность магнитного поля
подбирается таким образом, чтобы радиус траектории электронов был меньше
радиуса анода. При этом общая длина траектории электрона до его попадания на
анод сильно увеличивается, что ведет к возрастанию вероятности ионизации
остаточных газов. Положительные ионы, слабо отклоняющиеся магнитным полем,
бомбардируют катод и распыляют активный металл, который осаждается на аноде.
Один ион выбивает в среднем один атом активного материала, что и обеспечивает
саморегулируемую скорость распыления при работе насоса. Активные газы химически
взаимодействуют с распыляемыми атомами материала катода и осаждаются на анод в
виде химических соединений. Инертные газы откачиваются за счет ионной откачки:
положительные ионы внедрением в материал катода, отрицательные ионы и
высокоэнергетические нейтральные частицы - на аноде. Основное количество
инертных газов откачивается на аноде, так как из катода наблюдается реэмиссия
поглощенных газов в процессе их распыления.В магнитноразрядных насосах
применяются дидные (рис. 9) и триодные (рис. 10) схемы. Распыление активного
материала в этих насосах ведется с больших поверхностей при малых углах падения
ионов. В триодном насосе распыление ведется дополнительно на коллектор (корпус
насоса), который не бомбардируется положительными ионами.
Магниторазрядные насосы обладают заметной избирательностью в процессе
откачки. Быстрота действия этих насосов при откачке водорода в 3 раза выше, а
кислорода в 2 раза ниже, чем азота.
Быстрота действия при откачке инертных газов в диодных насосах составляет
для гелия 10%, аргона, криптона и ксенона 1-2% от быстроты действия при откачке
азота. В конструкциях насосов триодного типа и в насосах с ребристыми катодами
быстрота действия при откачке аргона повышается соответственно до 25 и 10% от
быстроты действия при откачке азота. При длительной откачке аргона в насосе
может возникнуть аргонная нестабильность, сопровождающаяся периодическими
колебаниями давления.
Магнитная система насосов по соображениям экономичности и надежности
выполняется на постоянных магнитах. Предельное давление магниторазрядных
насосов 10-8-10-10 Па.
Технология MEMS
Многие из существующих инноваций не используют в полной мере свой
потенциал вплоть до появления на рынке принципиально новых разработок. Так,
одной из ключевых технологий вплоть до 2012 г. аналитическая компания Gartner
называет технологию микроэлектромеханических систем - MEMS (Micro-Electro
Mechanical Systems). Согласно последним прогнозам In-Stat/MDR, рынок MEMS
растет на 13,2% каждый год. Кстати, эту отрасль ИТ-индустрии в Японии называют
микромашинами (Micromachines), а в Европе - микросистемными технологиями (Micro
System Technology). По мнению аналитиков из Gartner, микроэлектромеханические
системы позволят с минимальными затратами повысить чувствительность и
механическую отдачу устройств на уровне кристаллов.
Можно сказать, что MEMS - это множество микроустройств самой
разнообразной конструкции и назначения, в производстве которых используются
модифицированные технологические приемы микроэлектроники. Действительно,
микроэлектромеханические системы получаются путем комбинирования механических
элементов, датчиков и электроники на общем кремниевом основании посредством
технологий микропроизводства. Все элементы могут быть реализованы в виде
единого изделия, причем сразу десятками или сотнями, как микросхемы на
кремниевой пластине. В основе этого лежит апробированная традиционная
технология производства полупроводниковых интегральных микросхем. MEMS уже
используются в нишевых приложениях, таких, как пассивные фильтры высокой
частоты в терминалах беспроводной и сотовой связи, системы подвижных зеркал для
мультимедийных проекторов, микрофоны. Число этих ниш и их размер растет
сообразно рыночным потребностям.
В истории развития MEMS-технологии, по мнению ведущих современных
специалистов, можно выделить четыре уже пройденных этапа. На первом
непродолжительном этапе - исследовательском (с середины 50-х до начала 60-х
годов прошлого столетия) основные усилия к формированию облика будущей
технологии приложили как научные подразделения крупных компаний (в первую
очередь знаменитая Bell Laboratories), так и собственно промышленные компании и
академическая наука. Специфика этого периода заключается в том, что главное
внимание уделялось востребованным во времена холодной войны технологиям
двойного назначения, прежде всего созданию точных и дешевых датчиков различных
типов (проектирование перспективных реактивных боевых самолетов, например,
требовало значительного числа экспериментов), пригодных к массовому
производству. Неудивительно, что второй этап развития технологии связывают
исключительно с мощными промышленными (точнее, с военно-промышленными)
компаниями: такие гранды, как Fairchild, Westinghouse, Honeywell, спешили
коммерциализовать первые экспериментальные наработки. На коммерциализацию ушло
довольно много времени, и только к началу 70-х годов академическая наука стала
получать целевое финансирование от промышленности для решения задач сокращения
стоимости и расширения областей применения MEMS-устройств. Еще через десять лет
этот этап также был преодолен - и наступила пора микромашинного производства.
Можно считать, что с конца девяностых годов прошлого века началась
микромеханическая эпоха.
Многие эксперты, включая специалистов одной из ведущих фирм в этой
области Integrated Sensing Systems, полагают, что MEMS-технология привносит
буквально революционные изменения в каждую область применения путем совмещения
микроэлектроники на основе кремния с микромеханической технологией, что
позволяет реализовать систему на одном кристалле SoC (Systems-on-a-Chip). Так,
технология MEMS дала новый импульс развитию систем инерциальной навигации и
интегрированных систем, открыв путь к разработке "умных" изделий,
увеличив вычислительные способности микродатчиков и расширив возможности дизайна
таких систем.
Сегодня MEMS-устройства применяются практически повсюду. Это могут быть
миниатюрные детали (гидравлические и пневмоклапаны, струйные сопла принтера,
пружины для подвески головки винчестера), микроинструменты (скальпели и пинцеты
для работы с объектами микронных размеров), микромашины (моторы, насосы,
турбины величиной с горошину), микророботы, микродатчики и исполнительные
устройства, аналитические микролаборатории (на одном кристалле) и т. д.
Вообще говоря, микросистема предполагает интеграцию ряда различных
технологий (MEMS, КМОП, оптической, гидравлической и т. д.) в одном модуле.
Например, технологии изготовления MEMS-устройств для СВЧ-применений (катушки
индуктивности, варакторы, коммутаторы, резонаторы) подразумевают традиционные технологические
циклы изготовления интегральных схем, адаптированные для создания трехмерных
механических структур (это, например, объемная микрообработка, поверхностная
микрообработка и так называемая технология LIGA).
Кремниевая объемная микрообработка включает технологию глубинного
объемного травления. При таком процессе объемная структура получается внутри
подложки благодаря ее анизотропным свойствам, т. е. различной скорости
травления кристалла в зависимости от направления кристаллографических осей. Объемную
структуру можно получить и методом наращивания, когда несколько подложек
сплавляются и образуют вертикальные связи на атомарном уровне.
При поверхностной микромеханической обработке трехмерная структура
образуется за счет последовательного наложения основных тонких пленок и
удаления вспомогательных слоев в соответствии с требуемой топологией.
Преимущество данной технологии - возможность многократного удаления
(растворения) вспомогательных слоев без повреждения взаимосвязей базовых слоев.
А главная ее особенность состоит в том, что она совместима с полупроводниковой
технологией, поскольку для микрообработки используется обычная КМОП-технология.
Название технологии LIGA происходит от немецкой аббревиатуры Roentgen
Lithography Galvanik Abformung, что означает комбинацию рентгеновской
литографии, гальванотехники и прессовки (формовки). Здесь толстый
фоторезистивный слой подвергается воздействию рентгеновских лучей (засветке) с
последующим гальваническим осаждением высокопрофильных трехмерных структур. Сущность
процесса заключается в использовании рентгеновского излучения от синхротрона
для получения глубоких, с отвесными стенками топологических картин в полимерном
материале. Излучение синхротрона имеет сверхмалый угол расходимости пучка.
Источником излучения служат высокоэнергетические электроны (с энергией более 1
ГэВ), движущиеся с релятивистскими скоростями. Глубина проникновения излучения
достигает нескольких миллиметров. Это обуславливает высокую эффективность
экспонирования при малых временных затратах. Считается, что данная технология
обеспечивает наилучшее отношение воспроизводимой ширины канала к его длине (при
минимальных размерах).
Важнейшая составная часть большинства MEMS - микроактюатор (рис. 11).
Обычно данное устройство преобразует энергию в управляемое движение. Размеры
микроактюаторов могут довольно сильно варьироваться. Диапазон применения этих
устройств чрезвычайно широк и при этом постоянно растет. Так, микроактюаторы
используются в робототехнике, в управляющих устройствах, в космической области,
в биомедицине, дозиметрии, в измерительных приборах, в технологии развлечения,
в автомобилестроении и в домашнем хозяйстве. Например, микроактюаторы нужны для
управления резонансными датчиками (они генерируют и передают им резонансную
частоту), для управления режущими инструментами в микрохирургии. Это могут быть
также различные микродвигатели, которые используются для управления микрореле,
микрозеркалами и микрозажимами. Микроактюатором может быть даже
микроэлектродное устройство для возбуждения мускульных тканей в неврологических
протезах.
Рис. 11. Микроактюатор в МЭМС
Все методы активации (движение, деформация, приведение в действие) в
таких устройствах кратко можно свести к следующим: электростатический, магнитный,
пьезоэлектрический, гидравлический и тепловой. При оценке использования того
или иного метода часто применяют законы пропорционального уменьшения размеров.
Наиболее перспективными методами считаются пьезоэлектрический и гидравлический,
хотя и другие имеют большое значение. Электростатическая активация применяется
примерно в одной трети микроактюаторов, и это, вероятно, наиболее общий и
хорошо разработанный метод; главные его недостатки - износ и слипание.
Магнитные микроактюаторы обычно требуют относительно большого электрического
тока, также на микроскопическом уровне. При использовании электростатических
методов активации получаемый выходной сигнал на относительную единицу
размерности лучше, чем при использовании магнитных методов. Иными словами, при
одном и том же размере электростатическое устройство выдает несколько лучший
выходной сигнал. Тепловые микроактюаторы тоже потребляют относительно много
электрической энергии; главный их недостаток состоит в том, что генерируемое
тепло приходится рассеивать.
Для оценки микроактюаторов используют такие критерии качества, как
линейность, точность, погрешность, повторяемость, разрешение, гистерезис,
пороговое значение, люфт, шум, сдвиг, несущая способность, амплитуда,
чувствительность, скорость, переходная характеристика, масштабируемость, выход
по энергии.
Рис. 12. Образец микротурбины.
Раз уж зашла речь о потоках и энергии, нельзя не упомянуть и разработку
Массачусетского технологического института - MEMS-турбину. Вполне типичная
турбина, но очень, очень маленькая. Разрабатывается она в качестве замены
традиционных литий-полимерных аккумуляторов - в первую очередь, для тех
приложений, где требуется достичь минимальных размеров и максимальной
энергоемкости на килограмм. На рис. 12 изображен один из ранних образцов
микротурбины, разработанный в Массачусетском технологическом институте
Скажем, для современных литий-ионных аккумуляторов, используемых в
ноутбуках, характерны показатели порядка 200 Вт·ч/кг. В MIT уже к 2007 году
должны были довести показатель до 500-700 Вт·ч/кг, а в перспективе собираются
замахнуться на 1200-1500 Вт·ч/кг. Что существенно превышает любые разумные
прогнозы по развитию традиционной Li-Ion технологии.
Как и с большинством MEMS, принцип можно использовать в обратном
направлении: вместо того, чтобы превращать давление в электроэнергию, можно
поступить наоборот. В этом случае из микротурбины после «обработки напильником»
получается микронасос. (рис. 13)
Рис. 13 Схема микронасоса
вакуумный насос микроэлектроника
Для управления микронасосами используются следующие виды микроактивации:
электрические, магнитные и пьезоэлектрические. Первый пример это
миниатюаризированный насосный механизм, который состоит из микромеханизмов,
изготовленных по LIGA технологии, которые приводятся в действие магнитной
силой. Он коммерциализирован MEMStek Products. Второй пример - это
электростатически управляемый электронасос, полученный соединением множества,
изготовленных по технологии объёмной микрообработки, кремниевых подложек
вместе. Процесс соединения создаёт насосную полость с деформируемой мембраной и
двумя односторонними запорными клапанами (рис. 14).
Рис. 14 Электростатический микронасос с двумя запорными клапанами.
Группа из Калифорнийского университета представила недавно магнитный
микромотор, производящий вращение свободного ротора в растворе с помощью
статора, находящегося вне жидкости и состоящего из трех магнитомягких
микрозондов с обмотками. Получена скорость вращения ротора до 250об/мин, ограниченная
темпом переключения каналов компьютером. Скорость может быть значительно выше
как следствие малой массы и момента инерции вращения ротора, а также малой
индуктивности зондового узла.