Užití MEMS v průmyslu

 

 

O mikrosystémech a MEMS (Micro-Electro-Mechanical System) se začalo hovořit v 90. letech 20. století jako o nastupující klíčové technice 21. století. Velké úsilí bylo věnováno technickému vývoji a novým přístupům spojeným se systémovým inženýrstvím pro vývoj nových aplikací. Mnohé z nich, které byly dříve rozpracovány jenom v teoretické rovině, byly nyní uvedeny do praxe a na jejich základě začaly vznikat nové, kvalitativně odlišné systémy. Jednou z hlavních předností mikrosystémové techniky je možnost mikrominiaturizace, využití materiálů používaných na výrobu integrovaných elektronických obvodů (např. křemíku), které však právě v těchto aplikacích vykazují vlastnosti běžných materiálů: např. křemík v mikrostrukturách má vlastnosti oceli. Mikrosystémová technika vedla ke zlepšování vlastností dosavadních systémů, např. k přípravě diamantových vrstev na povrchu implantátů pro snížení opotřebení. Elektronicky řízené skalpely nebo biochemické laboratoře vytvářené na čipu umožnily dosáhnout velkého pokroku v medicíně. Bez mikrosystémové techniky by nebyl možný rozvoj funkcí kardiostimulátorů, které v současné době představují inteligentní systémy obsahující senzory, aktuátory, řídicí elektroniku a inteligentní rozhodovací software. Velké množství mikrosystémů je i v moderních automobilech (airbagy, ABS, řídicí a monitorovací systémy, navigační systémy atd.). Bez mikrosystémových technnologií by se nerozvíjel kosmický výzkum, letectví, bezpečnostní systémy nebo ochrana životního prostředí.

 

V mikrosystémech jsou často začleněny i zcela nesourodé součásti. Vychází se z předpokladu, že v mikrosvětě se jednotlivé součásti systému výrazně vzájemně ovlivňují, na rozdíl od makrosvěta, kde vlastnosti jednotlivých součástí lze považovat za oddělené, a přitom dohromady vytvářejí funkční makrosystém.

 

Všechny tyto aspekty formují komplexní síť vzájemných závislostí mezi technickými a technologickými vlivy, požadavky uživatelů a dalšími ovlivňujícími činiteli. Vytváří se tak systém na jedné straně s „tlakem“ technického vývoje a na druhé straně s „tahem“ požadavků trhu a společnosti. Pro úspěšný návrh a realizaci mikrosystémových produktů jsou nutné vyvážené přístupy ohledně materiálů a technologií a naproti tomu potřeb průmyslu nebo společnosti.

 

Pro navrhování a realizaci mikrosystémových součástí se využívají fyzikální vlastnosti materiálů a materiálových struktur a známé fyzikální, popř. biochemické principy. Se zmenšujícími se rozměry se u submikrosystémových struktur začínají využívat vlastnosti z oblasti nanotechnologií, a vznikají tak systémy NEMS (Nano-Electro-Mechanical Systems).

Piezoodporové mikrosenzory tlaku s křemíkovou membránou jsou v průmyslu velmi rozšířené. Měřený tlak se převádí na mechanické namáhání piezorezistorů vytvořených v pružné membráně. Technologie MEMS (povrchové, popř. objemové mikroobrábění substrátu) umožňují vyrobit senzor z monolitického křemíku nebo např. se skleněnou podložkou. Tento typ senzorů tlaku má lineární převodní charakteristiku a je teplotně závislý. Při jeho návrhu se optimalizuje rozmístění piezorezistorů na pružné membráně a geometrický tvar piezorezistorů ([2], obr. 1).

 

Kapacitní mikrosenzory tlaku používají též pružnou membránu, ale změnu tlaku převádějí na změnu kapacity. Vzdálenost elektrod se pohybuje řádově v jednotkách mikrometrů, plocha v jednotkách až desítkách čtverečných milimetrů, kapacita v jednotkách až desítkách pikofaradů. Senzory vynikají velkou citlivostí, velmi malou teplotní závislostí, nevykazují žádnou hysterezi, jejich převodní charakteristika je nelineární a lze je použít pro teploty až +300 °C. Na obr. 2 [1] je uveden příklad uspořádání jednočipového kapacitního senzoru. Na čipu jsou obvykle dva kondenzátory se stejnými vlastnostmi, jeden referenční ke kompenzaci vlivu parazitních vlivů (např. teploty) a druhý měřicí.

 

Na obr. 3 je piezoodporový mikroakcelerometr. Jeho základní součásti jsou seismická hmota a pružný nosník, vyrobené z monokrystalického křemíku mikrosystémovou technologií. K měření zrychlení se využívají piezorezistory vytvořené v křemíkovém pružném mikronosníku. Akcelerometry a mikroakcelerometry nabývají nejenom v průmyslu stále většího významu.

 

Kapacitní akcelerometry využívají změnu kapacity v důsledku výchylky seismické hmoty (obr. 4). Tento typ akcelerometru má v porovnání s piezoodporovým větší citlivost i stabilitu. Lze ho realizovat na čipu společně s elektronickými obvody CMOS [1]. Velmi rozšířené je hřebenové uspořádání kapacitního akcelerometru. Technologie MEMS umožňují realizovat paralelní spojení desítek až stovek diferenciálních kondenzátorů hřebenového systému, které jsou využívány např. v akcelerometrech ADXL firmy Analog Devices. Na obr. 5 je senzorová část akcelerometru ADXL 150, která se skládá z části pro měření akcelerace a z kapacitních elektrod pro autotest, používaných pro řízení elektrostatických sil k vyrovnávání stability systému. Rozměr čipu akcelerometru včetně integrovaných elektronických obvodů je 1,94 × 1,94 mm [3].

 

Mikroprůtokoměry založené na tepelných principech vyrobené s využitím mikrosystémových technologií MEMS velmi často pro zajištění tepelné izolace používají mikronosníky, mikromůstky nebo mikromembrány z materiálu velmi malé tloušťky [4]. Tyto struktury bývají v prostoru zavěšeny pouze na okrajích tenkými úchyty.

 

Prostorové mikroanemometry, umožňující měřit průtok plynů nebo kapalin v prostoru, lze také realizovat technologiemi MEMS [5]. Senzorové prvky mají rozměr 500 × 5 × 2 μm, plocha čipu je 3,5 × 3 × 0,5 mm. Tepelné prvky jsou vyhřívány na teplotu 200 °C, časová konstanta měření je 120 μs (ohřev) a 330 μs (ochlazování).

 

Kapacitní mikroprůtokoměry využívají rozdíl tlaku mezi vstupem a výstupem proudícího média převedený na změnu kapacity. Průřez průtokového kanálku je 60 × 3,5 μm, rozměry membrány 2 × 2 mm a její tloušťka 2,9 μm, vzdálenost elektrod je 3,5 μm. Rozsah měření je 1,6·10^–8 ml·s^–1 až 1,6·10^–2 ml·s^–1 (obr. 6, [6]).

 

Termoelektrické baterie využívají tepelně izolované membrány nebo nosníky. Jednotlivé články jsou ve tvaru tenkých kovových pásků o tloušťce přibližně 30 μm. Monolitické termočlánkové baterie se vzhledem k velké tepelné vodivosti křemíku realizují na membráně malé tloušťky (5 až 10 μm) s velkým teplotním odporem pro omezení tepelného toku mezi měřicími a porovnávacími spoji. Pro výrobu termoelektrických článků se využívá spojení materiálů Bi-Sb, Si (typ p)-Al, Si (typ n)-Au, Si (typ p)-Au. Používají se i další materiály, např. GaAs a AlGaAs, které vykazují velký tepelný odpor, velkou tepelnou kapacitu a velký Seebeckův koeficient. Provedení typické baterie na tepelněizolačním nosníku je na obr. 7 [1]. Termoelektrické baterie lze využít jako citlivé (infračervené) mikrosenzory teploty.

 

Mikrosenzory mikrovlnného záření (tepelné konvertory) lze využít k měření mikrovlnného záření. Princip jejich fungování je založen na převodu mikrovlnného záření na teplo v aktivních GaAs tepelných konvertorech tvořených systémem tepelně izolovaných mikrostruktur a GaAs tranzistorem HEMT (High Electron Mobility Transistor). Mikrosnosník, membránu nebo můstkové uspořádání lze použít pro vytvoření tepelně izolované soustavy [7]. Nejlepší tepelněizolační parametry lze získat použitím tzv. ostrůvkové struktury se zavěšenou membránou, na které jsou tranzistor HEMT i odporový senzor teploty. Ostrůvková struktura na obr. 8 je vytvořena z vrstev GaAs/Al_0,3Ga_0,7As s celkovou tloušťkou 1 μm, teplotní časová konstanta je 0,8 ms, rozměry tranzistoru HEMT jsou 10 × 0,5 μm [8].

Technologie MEMS umožňují realizovat deformovatelné členy mikroaktuátorů, např. mikronosníky, membrány, mikromůstky nebo torzní struktury. Deformovatelné členy se využívají ke konstrukci různých typů mikromotorů, mikropohonů, mikromanipulátorů, mikropump, mikropřepínačů a optických spínačů nebo prvků RF, např. laditelných filtrů, kondenzátorů nebo cívek.

 

Mikromanipulátor určený pro manipulaci s mikroobjekty (např. biologickými) s rozměry 5 až 200 μm je na obr. 9 [9]. Struktura dovoluje vytvořit silové zpětné vazby v reálném čase pomocí kondenzátorové struktury na pravé straně systému. Elektrostaticky řízený mechanismus ovládaný kondenzátorovými systémy s elektrodami má rozměry 110 × 10 × 50 μm, mezera mezi elektrodami je 5 μm, objekty o rozměrech 0 až 50 μm vyžadují napájecí napětí 0 až 110 V. Struktura je vyrobena leptáním materiálu SOI.

 

Mikropřepínače vytvořené technologiemi MEMS jsou využitelné např. jako relé nebo RF přepínače. K řízení spínání kontaktů se využívají různé principy (elektrostatický, magnetický, piezoelektrický a další). Nejvíce používaný elektrostatický přepínač má malé elektrody, relativně krátkou dobou sepnutí, dobrou dosažitelnou sílu sepnutí a strmou přepínací křivku (malá setrvačnost systému). Typická hodnota generované přítlačné síly je řádově 50 až 200 µN, životnost spínačů je 108 až 6·1010 cyklů sepnutí, spínací napětí je 30 až 60 V. Relativně vysoké napětí vyžaduje v mnoha případech použití tzv. step-up měničů napětí. Přepínače MEMS se uplatní v mobilních telefonech, v telekomunikacích, radarových a satelitních systémech, automobilovém průmyslu, oscilátorech a zesilovačích. Tyto přepínače mají výrazně lepší vlastnosti v porovnání s přepínači typu solid-state pro výkonové aplikace s velmi malými a středními výkony [1]. Struktura elektrostaticky řízeného přepínače MEMS je na obr. 10. Kontakty jsou ze zlata, napájecí napětí je 30 až 300 V v závislosti na konstrukci, hodnota odporu ve vypnutém stavu je 10¹² Ω a v sepnutém stavu 5·10^–1 až 10^–2 Ω. Délka mikronosníku je 50 μm, šířka 10 μm a tloušťka 1 μm. Mezi nosníkem a řídicí elektrodou je mezera 5 μm. Spínací příkon relé je 1 μW a časová konstanta 2,6 μs [1].

 

Mikrovlnné přepínače MEMS se využívají k přepínání signálů v oblasti mikrovln. Pro kmitočty do 20 GHz je vhodný čtyřcestný sériový přepínač [10] složený z jednotlivých sériových spínačů. Celkový útlum spínače v rozepnutém stavu je pro maximální požadovaný kmitočet přibližně 50 dB, ztráty v sepnutém stavu nepřesáhnou 0,2 dB. U sériových přepínačů lze dosáhnout kapacity v rozepnutém stavu 2 až 5 fF a velkého útlumu v rozepnutém stavu až do kmitočtu 50 GHz.

 

Optické přepínače MEMS se používají k modulaci optického paprsku a jeho přepínání z jednoho nebo více zdrojů do jednoho nebo více přijímačů. Přepínače zajišťují velkou izolaci, mají malou vlastní spotřebu a mohou pracovat v bistabilním režimu [1]. Na obr. 11 je optický vlnovod umístěný na vetknutém nosníku. Elektrostatickým vychýlením optického vlnovodu se přeruší cesta optického záření. Mikronosník s rozměry 600 × 50 × 5 μm je vychylován napětím 50 V, dosažená izolace je 85 dB [1]. Optický mikrosystémový přepínač 2 × 2 s horizontálním pohybem zrcátka je na obr. 12. Optické zrcátko ve tvaru pokovené planžety z Si je ovládáno hřebenovým elektrostatickým aktuátorem v horizontální rovině tak, aby v jedné poloze byl vstup a výstup optického toku v jednom směru a při „zasunutí“ zrcátka se směr optického toku změnil [11].

 

Matice optických mikropřepínačů jako příklad řešení přepínání optického signálu mezi vstupními a výstupními optickými vlákny je na obr. 13. Elektrostaticky bistabilně řízená optická mikrozrcátka maticově přepínají signály mezi vstupy a výstupy [1].

 

Membránové mikropumpy realizované technologiemi MEMS jsou určeny k dávkování velmi malých množství tekutin. Technické vlastnosti jsou dány principem činnosti (piezoelektrický, tepelný, magnetický apod.) [1]. Na obr. 14 je elektrostaticky ovládaná mikropumpa složená ze čtyř křemíkových čipů realizovaných objemovým mikroobráběním. V horní části je aktuátorová část tvořená membránou a elektrodou, v dolní části jsou vstupní a výstupní ventily. Membrána se prohýbá přiložením napětí mezi membránu a elektrodu, nasávání a výtlak jsou řízeny vtokovým a výtokovým ventilem. Typické vnější rozměry mikropumpy jsou 7 × 7 × 2 mm s průřezem otvorů ventilů 0,16 mm². Membrána má plochu 16 mm2 a tloušťku 50 μm. Vzdálenost mezi membránou a elektrodou je 6 μm. Při napětí 170 V a frekvenci pumpování 25 Hz je mikropumpa schopna dodat množství tekutiny v objemu 70 μl·min^–1 a může pracovat s frekvencí do 100 Hz. Jeden cyklus dodává přesně stanovené objemové množství 10 až 50 nl; lze proto velmi přesně měřit dodané množství tekutiny.

 

Lineární aktuátory elektrostaticky řízené s hřebenovými elektrodami (comb-drive) jsou typickým příkladem lineárního pohonu s elektrostatickým řízením. Nejpoužívanější je hřebenová struktura, která se skládá ze dvou sestav kondenzátorů, z nichž každá obsahuje několik paralelně zapojených kondenzátorů. Tato struktura je oblíbená pro svou modularitu a konstrukční přizpůsobivost. Existuje mnoho variant geometrického uspořádání aktuátorů s hřebenovými strukturami kondenzátorů. Vedle základních uspořádání aktuátorů s hřebenovými strukturami s paralelní konfigurací jsou používány šikmé, kruhové (spirálové), vroubkované a tzv. T-konfigurace [1]. Struktury lze realizovat i prostorově se silou 0,2 mN při napájení 60 V. Hřebenové struktury jsou používány v mnoha úlohách, v mikroposuvných (nanoposuvných) systémech s posuvem 3,61·10^–2 μm·V^–2, silou 46,9 pN·V^–2 a pracovním napětím 0 až 15 V. Struktury se využívají v optických přepínačích [1] se silou 0,2 mN při napětí 50 V a s posuvem 10 μm. Struktury s opačnou funkcí se využívají pro oscilátorové obvody, v gyroskopech a akcelerometrech.

 

Rotační elektrostatické mikromotory s proměnnou kapacitou se skládají z rotoru s póly, které s póly umístěnými na obvodu statoru tvoří kondenzátory s proměnnou kapacitou [1]. Rotor je uzemněný a na elektrody statoru jsou připojeny budicí napěťové impulzy s danou fází nutnou pro rozběhnutí motoru (obr. 15). Existuje mnoho různých konstrukčních konfigurací mikromotoru. Mezera mezi rotorem a statorem je 1 až 3 μm, budicí napětí je 30 až 120 V a jeho velikost závisí ve mezeře mezi statorem a rotorem. Větší verze mikromotoru dosahuje otáček 3 800 min^–1 ve vzduchu a 4 400 min^–1 ve vakuu při budicím napětí 300 až 600 V [1].

 

Rohatkový rotační mikromotor využívá kruhové uspořádání hřebenových struktur pohonného elektrostatického mechanismu. Přiložené napětí přitáhne elektrody, přičemž rotorové elektrody pootočí rotorem. Po odpojení napětí se vrátí rotorové elektrody zpět do původní polohy (obr. 16, [12]). Systém je realizován mikrosystémovou technologií povrchového mikroobrábění na křemíkovém substrátu.

 

Tiskové hlavy (ink-jet) typu MEMS využívají různé fyzikální principy činnosti (piezoelektrický, tepelný, magnetický, akustický apod.). Na obr. 17 je příklad jedné trysky (přesněji elektrostatického generátoru kapky) určené pro tiskové hlavy ink-jet. Její činnost je řízena napětím mezi dolní elektrodou a horní elektrodou spojenou s membránou. Výkonová spotřeba generátoru s jednou tryskou je 0,525 mW, řídicí napětí 26 V s frekvencí až 18 kHz. Lze vytvořit čip MEMS s mnoha tryskami pro tisk s velkým rozlišením. Struktura má dlouhou životnost (více než čtyři miliardy kapek z jedné trysky) [1].

 

Tepelně řízené mikromanipulátory MEMS využívají princip teplotní roztažnosti pevných látek nebo expanze plynů při hoření. Technologiemi MEMS realizují tepelně řízené manipulátory, mikrozrcátkové matice, mikroventily, tiskové hlavy ink-jet, mikropumpy nebo turbínkové mikromotory. Na obr. 18 je příklad homogenního nosníkového tepelně řízeného mikroaktuátoru, kde nosník funguje jako ohřívací prvek (prochází jím elektrický proud) a zároveň vytváří ohybový moment využitím rozdílného průřezu materiálu v různých částech smyčky. Části s menším průřezem mají větší elektrický odpor, způsobující větší ohřev této části, která se více prodlouží [1].

 

Uvedený princip se využívá např. pro realizaci mikropinzet a mikroúchytů jako součástí různých typů mikromanipulátorů. Na obr. 19 [13] je fotografie mikropinzety se složitou strukturou, převádějící ohyb na lineární pohyb vedoucí k sevření úchytových částí systému. Nevýhodou je malé vychýlení, proto je nutné realizovat mechanicky zpřevodovaný systém mikropinzety.

 

Převodový mechanismus o průměru přibližně 100 μm realizovaný technologií objemového mikroobrábění je na obr. 20 [1]. Technologie MEMS jsou významné pro vytváření integrovaných převodových mechanismů, mikropřevodovek, pružin apod. Zubová čerpadla typu MEMS se používají pro čerpání kapalin s velkou viskozitou a k vyvinutí velkého tlaku; typické rozměry křemíkového zubového čerpadla jsou např.: vnitřní průměr 596 µm a vnější průměr 1 192 µm. Otáčení zubových kol zajišťuje vhodný typ mikromotoru. Rozměry celého kompaktního systému společně s mikromotorem jsou 10 × 10 × 30 mm.

 

Křemíkové řetězové pohony realizované jako MEMS lze zařadit mezi pohonné mechanismy. Například jednořadový pouzdrový řetěz složený z padesáti křemíkových článků o rozteči 50 μm má celkovou délku napřímeného řetězu 2,5 mm. Předpokládá se jeho využití u pohonu uzávěrek mikrokamer, mechanického časování nebo dekódování [14].

 

Křemíkové pružiny typu MEMS jsou nezbytné pro správnou činnost mikrosystémových struktur s pohyblivými součástmi, jako jsou akcelerometry a elektrostatické lineární nebo kruhové mikromotory. Pružiny jsou vyrobeny stejnou technologií jako ostatní součásti, mohou mít různý tvar, určený funkcí systému.

Součásti MEMS v mikrovlnných obvodech zmenšují ztráty v signálové cestě ve velmi širokém frekvenčním rozsahu. Technologie MEMS umožňují realizovat různé typy RF prvků, jako např. laditelné kondenzátory, cívky, filtry apod. s vynikajícími mechanickými i elektrickými vlastnostmi, velkou linearitou a dalšími parametry.

 

Laditelné kondenzátory realizované jako MEMS jsou charakterizovány vynikajícími mechanickými vlastnostmi, velkou linearitou a ladicím rozsahem větším než 6,5 :1. Také laditelné filtry, rezonátory na čipu a další RF součásti lze vyrobit technologiemi MEMS.

 

[1] HUSÁK, M.: Mikrosenzory a mikroaktuátory. Academia, 2008.

[2] KULHA, P. − HUSAK, M. − VYBORNY, Z. a kol.: Microsensors Based on Tensometric Layers Sputtered on Silicon Substrates. In: Proc. of conf. MIPRO 2006 (CD-ROM), Opatija, Hrvatska, 2006.

[3] WU, M. C.: Case Study I: Capacitive Accelerometers, Chapter 19 of Senturia Literatures in Course Website. Dostupné na <http://www.ee.ucla.edu/~wu/ee250b/Case_Study_1_Accelerometer.pdf>, 2006, cit. 25. 11. 2008.

[4] ĎAĎO, S. − BEJČEK, L. − PLATIL, A.: Měření průtoku a výšky hladiny. BEN, Praha, 2005.

[5] ELWENAPOEK, M. − WIEGERINK, R.: Mechanical Microsensor. Springer Verlag, 2001.

[6] GARDNER, J. W. − VARADAN, V. K. − AWADELKARIM, O. O.: Microsensors MEMS and Smart Devices. Wiley and Sons, Inc., 2002.

[7] HAŠČÍK, S. − LALINSKÝ, T. − KUZMÍK, J. a kol.: The fabrication of thin GaAs cantilever beams for power sensor microsystem using RIE. Vacuum, 1996, 47, s. 1215.

[8] JAKOVENKO, J. − HUSAK, M. – LALINSKY, T.: Design and simulation of micromechanical thermal converter for RF power sensor microsystem. Microelectronics Reliability, Elsevier, 2004, vol. 44, pp. 141–148, ISSN 0026-2714.

[9] BEYELER, F. − NEILD, A. − OBERTI, S. a kol.: Monolithically Fabricated Microgripper with integrated force sensor for manipulating microobjects and biological cells aligned in an ustrasonic field. Journal of Microelectromechanical Systems, February 2007, vol. 16, pp. 7–15, ISSN 1057-7157.

[10] REBEIZ, G. M. − MULDAVIN, J. B.: RF MEMS Switches and Switch Circuits. IEEE microwave magazine, 2001.

[11] WU, M. C.: Trends in Optical MEMS Current. In: OFC 2005 Tutorial, University of California, Berkeley, EECS Department & Berkeley Sensor and Actuator Center (BSAC), 2004.

[12] MicroElectroMechanical Systems (MEMS). Sandia National Laboratories. Dostupné na <http://mems.sandia.gov>, cit. 25. 11. 2008.

[13] Microtweezers. MEMS Precision Instruments. Dostupné na <http://www.memspi.com>, cit. 25. 11. 2008.

[14] World’s smallest microchain drive fabricated at Sandia. Tisková zpráva Sandia National laboratories. Dostupné na <http://www.sandia.gov/media/NewsRel/NR2002/chain.htm>, cit. 25. 11. 2008.

[15] GUCKEL, H.: MEMS-University of Wisconsin in Madison. Dostupné na <http://www.engr.wisc.edu/news/history/pdfs/feb012002mems.pdf>, cit. 25. 11. 2008.