Johdatus MEMS-mikrosähkömekaanisiin järjestelmiin Mikroelektromekaaniset järjestelmät (MEMS)

Mikroelektromekaaniset järjestelmät (MEMS) ovat laitteita, joissa on liikkuvia osia, jotka on valmistettu mikroskooppisen pienistä komponenteista. Niitä kutsutaan myös mikromekatroniikaksi ja mikrojärjestelmiksi. Nanokokoluokassa ne yhdistyvät nanoelektromekaanisiksi järjestelmiksi tai nanoteknologiaksi.
Nanoputket ovat perustavanlaatuinen yksikköprosessi mems-mikroelektromekaanisten järjestelmien valmistuksessa.

Illinoisin yliopiston tutkijat ovat tehneet merkittävän läpimurron mikroelektromekaanisten järjestelmien alalla, ja löydöksellä on monenlaisia sovelluksia. Nanoputket ovat perustavanlaatuinen yksikköprosessi mems-mikroelektromekaanisten järjestelmien valmistuksessa, ja heidän työnsä vaikuttaa monien uudenlaisten mems-järjestelmien suunnitteluun. He ovat osoittaneet, että nanoputkia voidaan kuvioida käyttämällä kahta kultaelektrodia ja että niitä voidaan kuvioida käyttämällä elektronisuihkulitografiaa ja nostoa.

Nanoputkia voidaan valmistaa erilaisilla tekniikoilla, kuten sähkömuovauksella ja nanomuokkauksella. Prosessi mahdollistaa myös monenlaisia sovelluksia kertakäyttöisestä hoitopistediagnostiikasta monikäyttöisiin laitteisiin verianalyyseihin ja solumäärän analysointiin. Sitä käytetään myös DNA:n monistuslaitteissa, kuten polymeraasiketjureaktiojärjestelmissä (PCR), jotka monistavat pienen pieniä DNA:ta ja tuottavat tarkan monistuksen. Muita nanoputkien sovelluksia ovat optiset kytkentäverkot ja teräväpiirtonäytöt.

Nanoputkien valmistus on kehittynyt prosessi, johon liittyy lukuisten funktionaalisten materiaalien ja funktionaalisten ryhmien yhdistäminen. Prosessi mahdollistaa suuren määrän nanolaitteiden samanaikaisen valmistuksen. Prosessi on erittäin monimutkainen ja aikaa vievä, sillä viiden nanometrin kokoisen ominaisuuden valmistaminen kestää keskimäärin noin kuusi kuukautta.

Pii on houkutteleva materiaali MEMS-laitteille

Pii on erittäin houkutteleva materiaali MEMS-laitteissa sen korkeiden mekaanisten ja sähköisten ominaisuuksien vuoksi. Lisäksi se on yhteensopiva useimpien eräkäsiteltyjen integroitujen piirien tekniikoiden kanssa, mikä tekee siitä ihanteellisen materiaalin monenlaisiin miniatyrisoituihin järjestelmiin. Pii ei kuitenkaan ole vailla haittoja.

Vaikka SiC on kalliimpaa kuin pii, sillä on joitakin etuja. Sen sähköiset ja mekaaniset ominaisuudet voidaan räätälöidä MEMS-laitteiden vaatimusten mukaisiksi. SiC ei kuitenkaan ole vielä laajalti suunnittelijoiden saatavilla. Tarvitaan lisätutkimusta, jotta voidaan kehittää tehokkain prosessitekniikka SiC MEMS-laitteille.

SiC:n tärkeimmät edut piihin verrattuna ovat sen korkea lämmönjohtavuus, korkea hajoamiskenttä ja korkea kyllästymisnopeus. Nämä ominaisuudet tekevät siitä erinomaisen materiaalin elektroniikkalaitteisiin äärimmäisissä ympäristöissä. Lisäksi sillä on korkea kovuus ja kulutuskestävyys. Jälkimmäinen on tärkeää antureille, joiden on toimittava ankarissa olosuhteissa.

MEMS-laitteiden pakkauskysymykset

Pakkauskysymykset ovat ratkaisevia MEMS-laitteiden luotettavuuden ja suorituskyvyn kannalta. Näissä laitteissa on mikrometrin mittakaavan ominaisuuksia, ja ne voivat olla alttiita naarmuuntumiselle, kulumiselle ja virheelliselle suuntaukselle. Ne ovat myös alttiita luotettavuushäiriöille, kuten mekaanisille iskuille, sähköstaattisille purkauksille ja kitkalle. Lisäksi kosteus, tärinä ja mekaaniset osat voivat vahingoittaa MEMS-laitteita. Näistä syistä näiden laitteiden pakkaamista ja prosessia olisi harkittava huolellisesti ennen projektin aloittamista.

Kotelovaikutusten huomioon ottaminen suunnitteluprosessin alkuvaiheessa on olennaisen tärkeää MEMS-laitteen onnistumisen kannalta. Muussa tapauksessa kehittäjät ottavat riskin kalliista suunnittelu- ja valmistussykleistä. Ratkaisu on sisällyttää nämä vaikutukset tiiviiseen käyttäytymismalliin, mikä lyhentää simulointiaikaa ja mahdollistaa monimutkaisemmat simuloinnit. Lisäksi se voi auttaa estämään huonoon pakkaamiseen liittyvät kalliit sudenkuopat.

Pakkauskysymykset voivat myös vaikuttaa MEMS-laitteiden laatuun ja tuottoon. Joissakin tapauksissa laitteet vaativat erityisen pakkauksen, joka suojaa niitä ankaralta ympäristöltä. Tämän vuoksi kehitetään tekniikoita näiden laitteiden käsittelyyn ja prosessointiin. Monet näistä prosesseista ovat kuitenkin haitallisia MEMS-laitteelle ja heikentävät sen tuottoa. Tässä asiakirjassa pyritään valottamaan näitä haasteita ja tarjoamaan ratkaisuja niiden voittamiseksi.

MEMS-laitteiden sovellukset

Mikromekaaniset laitteet (MEMS) ovat pieniä laitteita, jotka voivat suorittaa monia tehtäviä. Ne voivat aistia painetta, havaita liikettä ja mitata voimia. Niitä voidaan käyttää myös nesteiden valvontaan ja ohjaukseen. Nämä laitteet ovat erityisen hyödyllisiä lääketieteellisissä sovelluksissa, ja niitä kutsutaan nimellä BioMEMS. Nämä laitteet voivat suorittaa erilaisia tehtäviä kehossa, kuten toimia kemiallisina analysaattoreina, mikropumppuina ja kuulokojeiden komponentteina. Lopulta näistä laitteista voi tulla jopa ihmiskehon pysyviä asukkaita.

Nämä laitteet koostuvat komponenteista, joiden koko on sadan mikrometrin välillä. Digitaalisen mikropeililaitteen pinta-ala voi olla yli 1000 mm2. Ne koostuvat tyypillisesti keskusyksiköstä, joka käsittelee tietoja, ja muutamasta komponentista, jotka ovat vuorovaikutuksessa ympäristönsä kanssa.

Markkinoilla on tällä hetkellä saatavana useita MEMS-laitteita, jotka vaihtelevat yksitoimisista antureista system-on-chip-laitteisiin. Jälkimmäisissä yhdistyvät useat MEMS-laitteet, signaalinmuokkauselektroniikka ja sulautetut prosessorit. Useat teollisuudenalat ovat ottaneet MEMS-teknologiaa käyttöön erilaisissa mittauksissa.