Bevezetés a MEMS mikro-elektromechanikus rendszerekbe

A mikroelektromechanikus rendszerek (MEMS) olyan eszközök, amelyek mikroszkopikus méretű alkatrészekből álló mozgó részekkel rendelkeznek. Ezeket mikromechatronikának és mikrorendszereknek is nevezik. A nanoszinten ezek nanoelektromechanikai rendszerekbe vagy nanotechnológiába olvadnak össze.
A nanocsövek a mems mikroelektromechanikai rendszerek gyártásának alapvető egységfolyamata

Az Illinois-i Egyetem kutatói jelentős áttörést értek el a mikroelektromechanikus rendszerek terén, és a felfedezésnek számos alkalmazási területe van. A nanocsövek alapvető egységfolyamatot jelentenek a mems mikroelektromechanikus rendszerek gyártásában, és munkájuk számos újfajta mems tervezését érinti. Kimutatták, hogy a nanocsövek két aranyelektróda segítségével, valamint elektronsugaras litográfiával és kiemeléssel mintázhatók.

A nanocsöveket különböző technikákkal lehet előállítani, beleértve az elektroformálást és a nanomegmunkálást. Az eljárás az alkalmazások széles körét is lehetővé teszi, az egyszer használatos, az ellátás helyén történő diagnosztikától kezdve a vérelemzésre és a sejtszámelemzésre szolgáló többször használatos eszközökig. A DNS-másoló eszközökben is alkalmazzák, például a polimeráz láncreakció (PCR) rendszerekben, amelyek mínuszos DNS-t erősítenek és pontos másolatot állítanak elő. A nanocsövek egyéb alkalmazásai közé tartoznak az optikai kapcsolóhálózatok és a nagy felbontású kijelzők.

A nanocsövek előállítása fejlett folyamat, amely számos funkcionális anyag és funkcionális csoport összeszerelését foglalja magában. Az eljárás lehetővé teszi nagyszámú nano-eszköz egyidejű gyártását. A folyamat rendkívül összetett és időigényes, egy átlagos folyamat körülbelül hat hónapot vesz igénybe egy öt nanométeres jellemző esetében.

A szilícium vonzó anyag a MEMS-eszközök számára

A szilícium rendkívül vonzó anyag a MEMS-eszközök számára, mivel kiváló mechanikai és elektromos tulajdonságokkal rendelkezik. Ezenkívül kompatibilis a legtöbb sorozatgyártású integrált áramköri technológiával, ami ideális anyaggá teszi a miniatürizált rendszerek számos típusához. A szilícium azonban nem mentes a hátrányoktól.

Bár a SiC drágább, mint a szilícium, van néhány előnye. Elektromos és mechanikai tulajdonságai a MEMS-eszközök követelményeihez igazíthatók. A SiC azonban még nem áll széles körben a tervezők rendelkezésére. További kutatásokra van szükség a SiC MEMS-eszközök leghatékonyabb feldolgozási technológiájának kifejlesztéséhez.

A SiC legfontosabb előnyei a szilíciummal szemben a nagy hővezető képessége, a magas törési mező és a nagy telítési sebesség. Ezek a tulajdonságok teszik kiváló anyaggá a szélsőséges környezetben használt elektronikus eszközökhöz. Ezenkívül nagy keménységgel és kopásállósággal is rendelkezik. Ez utóbbi fontos az olyan érzékelők esetében, amelyeknek kemény körülmények között kell teljesíteniük.

Csomagolási kérdések a MEMS eszközökben

A csomagolási kérdések kritikus fontosságúak a MEMS-eszközök megbízhatósága és teljesítménye szempontjából. Ezek az eszközök mikroméretű jellemzőkkel rendelkeznek, és hajlamosak lehetnek a karcolódásra, kopásra és a helytelen igazításra. A megbízhatósági hibamechanizmusok, például a mechanikai ütés, az elektrosztatikus kisülés és a súrlódás is veszélyeztetheti őket. Ezenkívül a nedvesség, a rezgés és a mechanikus alkatrészek károsíthatják a MEMS-eket. Ezen okok miatt ezen eszközök csomagolását és folyamatát alaposan át kell gondolni a projekt megkezdése előtt.

A sikeres MEMS-eszközökhöz elengedhetetlen, hogy már a tervezési folyamat korai szakaszában figyelembe vegyük a csomagolási hatásokat. Ellenkező esetben a fejlesztők költséges tervezési és gyártási ciklusokat kockáztatnak. A megoldás ezeknek a hatásoknak a kompakt, viselkedési modellbe való beépítése, ami csökkenti a szimulációs időt és lehetővé teszi a bonyolultabb szimulációkat. Emellett segíthet megelőzni a rossz csomagolással járó költséges buktatókat.

A csomagolási problémák szintén befolyásolhatják a MEMS-eszközök minőségét és hozamát. Bizonyos esetekben az eszközöknek speciális csomagolásra van szükségük, amely megvédi őket a zord környezettől. Ennek eredményeként technikákat dolgoznak ki ezen eszközök kezelésére és feldolgozására. Sok ilyen eljárás azonban káros a MEMS-eszközre, és csökkenti annak hozamát. Ez a cikk célja, hogy rávilágítson ezekre a kihívásokra, és megoldásokat kínáljon ezek leküzdésére.

A MEMS eszközök alkalmazásai

A mikromechanikus eszközök (MEMS) olyan apró eszközök, amelyek számos feladatot képesek ellátni. Érzékelik a nyomást, érzékelik a mozgást és mérik az erőket. Folyadékok megfigyelésére és szabályozására is használhatók. Ezek az eszközök különösen hasznosak az orvosi alkalmazásokban, ezért BioMEMS-nek nevezik őket. Ezek az eszközök különböző feladatokat láthatnak el a szervezetben, többek között kémiai elemzőként, mikroszivattyúként és hallókészülék-alkatrészként is működhetnek. Végül ezek az eszközök akár az emberi test állandó lakóivá is válhatnak.

Ezek az eszközök száz mikrométer közötti méretű alkatrészekből állnak. Egy digitális mikrotükrös eszköz felülete több mint 1000 mm2 is lehet. Ezek jellemzően egy központi egységből állnak, amely feldolgozza az adatokat, valamint néhány olyan komponensből, amelyek kölcsönhatásba lépnek a környezetükkel.

A piacon jelenleg számos MEMS-eszköz kapható, az egyfunkciós érzékelőktől kezdve a system-on-chip eszközökig. Ez utóbbiak több MEMS-eszköz használatát kombinálják jelfeldolgozó elektronikával és beágyazott processzorokkal. Számos iparág alkalmazza a MEMS-technológiát különböző mérésekhez.