Elektromehaaniline mikrosüsteem

Allikas: Vikipeedia

Elektromehaaniline mikrosüsteem ehk MEMS (lühend inglise k sõnadest MicroElectroMechanical Systems) on tehnoloogia, mis võimaldab valmistada väga väikesi seadiseid. See hõlmab suuremaid süsteeme kui nanotehnoloogia ja molekulaarelektroonika. MEMS on tavaliselt valmistatud komponentidest suurusega 1–100 mikromeetrit (0,001–0,1 mm) ning seadmed on suurusjärgus 20 mikromeetrit kuni millimeeter. Nad koosnevad tavaliselt kesksest andmeid töötlevast osas (mikrokontroller) ja mitmetest mikroanduritest või täituritena käituvatest osadest. [1] Sellistel suurustel pole klassikaline füüsika tihti kasulik. Suure pindala ja ruumala vahelise suhte tõttu valitsevad pinnaefektid nagu elektrostaatika ja märgumine, inertsi ja soojusmahtuvuse üle.

Väga väikeste masinate potentsiaali tunnustati juba enne, kui osati neid valmistada. Selle tehnoloogia algusajal (1990. aastail) valmistati MEMS-elemente nii nagu pooljuhtseadiseid ainult integraallülitusena räni- või galliumarseniidkiibil, seejärel ka muudel pooljuhtidel ja plastmaterjalidel. Varajase MEMS-seadme näidis on elektromehaaniline monoliitne resonaator[2][3].

MEMS-seadmete tootmise materjalid[muuda | redigeeri lähteteksti]

MEMS-seadmete tootmise tehnoloogia arenes välja pooljuhtseadmete tootmise tehnoloogiast. Põhitehnikad on materjalikihtide sadestamine, fotolitograafia abil mustrite pealekandmine ja soovitud kujude väljasöövitamine.[4]

Räni[muuda | redigeeri lähteteksti]

Tänapäeval valmistatakse mikrokiipe ränist. Tänu mastaabisäästule on kõrge kvaliteediga materjale vabalt saada. Lisaks saab lihtsalt lisada elektroonilist funktsionaalsust, tänu millele on see MEMS-lahenduste jaoks väga ahvatlev.

Ränil on ka palju muid, materjali omadustest tulenevaid häid omadusi. Kristalses olekus on see peaaegu täielik Hooke materjal - painutades puudub peaaegu täielikult hüsterees ja seetõttu ei haju ka soojust. Tänu sellele on liigutused väga korratavad ja töökindlad. Räni kulub väga aeglaselt, võib kuluda miljardeid kuni triljoneid tsükleid ilma murdumata.

Polümeerid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Kuigi elektroonikatööstus on räni tootmise väga odavaks muutnud, on kristalliline räni ikkagi väga keeruline ja kallis materjal mida toota. Polümeerid on väga odavalt toodetavad suures koguses, ning erinevate omadustega materjale on palju valida. MEMS-seadmeid saab polümeeridest toota näiteks survevormiga või stereolitograafiaga. Mõlemad on väga sobivad mikrovedelikundusseadmete jaoks nagu ühekordselt kasutatavad vere testimise seadmed.

Metallid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Metalle saab kasutada MEMS-elementide valmistamiseks. Kuigi metallidel pole räni häid mehaanilisi omadusi, kui neid kasutada oma mehaanilistes piirides on nad üsna vastupidavad. Metalle saab erinevat moodi sadestada. Tavaliselt kasutatavad metallid on kuld, nikkel, alumiinium, vask, kroom, titaan, volfram, plaatina ja hõbe.

Keraamika[muuda | redigeeri lähteteksti]

Räni, alumiiniumi, titaani nitriide ning ka ränikarbiide ja muid keraamikaid kasutatakse kasulike materjaliomaduste tõttu järjest rohkem MEMS-seadmete valmistamiseks. Kristalliseerunud alumiiniumnitriit omab püroelektrilisi ja piesoelektrilisi omadusi, võimaldades teha jõuandureid.[5] Titaannitriididel on suur eritakistus ja elastsusmoodul, mis võimaldavad valmistada elektrostaatilisi MEMS-aktuaatoreid üliõhukeste kiledena.[6] Lisaks titaannitriidi suur vastupidavus biokorrosioonile lubab seda kasutada biosensorites.

Tootmisprotsessid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Sadestamine[muuda | redigeeri lähteteksti]

Üks MEMS-seadmete tootmise alustehnoloogiad on õhukeste materjalikihitide sadestamine. Sadestatud kilekihid võivad olla paksusega mõnest nanomeetrist kuni 100 mikromeetrini.

Mustri pealekandmine[muuda | redigeeri lähteteksti]

Pärast kihtide sadestamist kantakse pooljuhtplaadile soovitud elektromehaanilise mikrossteemi muster. Enamasti kasutatakse selleks erinevaid litograafiaprotsesse, näiteks fotolitograafiat.

Söövitamine[muuda | redigeeri lähteteksti]

Söövitamine jaguneb kaheks võimalikuks protsessiks: märgsöövitamine ja kuivsöövitamine. Märgsöövitamises lahustub materjal vedelasse lahustisse kastmise tagajärjel. Kuivsöövitamise puhul lahustatakse materjal reaktiivsete ioonide või auru kujul lahusti poolt. [7][8]

Märgsöövitamine[muuda | redigeeri lähteteksti]

Keemiline märgsöövitamine sisaldab selektiivselt materjali eemaldamist kastes substraadi vastavat materjali lahustava vedela lahusti sisse. Kuna söövitamise protsess on keemiline on sihiks oleva materjali sööbimise kiirus märgatavalt suurem kui fotomaskil.

Isotroopiline söövitamine[muuda | redigeeri lähteteksti]

Kui söövitamise protsess on kõigis suundades sama kiire on tegemist isotroopilise söövitamisega. Pikad ja kitsad augud fotomaskis tekitavad materjali V-kujulisi süvendeid. Kui söövitamise protsess on õigesti läbi viidud on süvendite pind aatomite tasemel sile ning suurused ja nurgad äärmiselt täpsed.

Anisotroopne söövitamine[muuda | redigeeri lähteteksti]

Mõned monokristall materjalid (näiteks räni) omavad substraadi kristallilisest suunast olenevat söövitamise kiirust. Seda tuntakse kui anisotroopilist söövitamist. Ühe tavalise näitena on räni söövitamine kaaliumhüdroksiidiga, kus räni <111> tasapinnad sööbivad umbes 100 korda aeglasemalt kui ülejäänud kristallilised suunad. Seetõttu söövitades räni <100> pooljuhtplaati kandilist auku, tuleb tulemuseks isotroopilise söövitamise kumerate seinadega süvendi asemel püramiidi kujuline süvend 54,7° nurga all seintega.

Kuivsöövitamine[muuda | redigeeri lähteteksti]

Ksenoondifluoriidiauruga söövitamine[muuda | redigeeri lähteteksti]

Ksenoondifluoriidi (XeF2) kasutatakse isotroopseks kuiva auruga söövitamiseks. Esimesena kasutas seda MEMS-i otstarbel räni söövitamiseks California Ülikool Los Angeleses 1995. aastal.[9][10] Kasutatakse põhiliselt metalli ja dielektriku struktuuridest vabanemiseks. XeF2 eeliseks märgsöövitamise ees on seisuhõõrdumise vaba söövitamine. Selle selektiivsus räni suhtes on väga suur, mis võimaldab maskina kasutada fotolakki, SiO2, räninitriidi ja paljusid metalle. Selle reaktsioon räniga on plasmavaba, täielikult keemiline ja hetkeline.[11]

Pooljuhttüki ettevalmistamine[muuda | redigeeri lähteteksti]

Pärast suure koguse elektromehaaniliste mikrosüsteemide ettevalmistamist pooljuhtplaadil tuleb üksikud skeemid eraldada. Mõnede rakenduste jaoks lihvitakse pooljuhtplaati enne seda õhemaks. Pooljuhtplaati lõigatakse jahutusvedelikuga saagides või laserlõikusega.

Rakendused[muuda | redigeeri lähteteksti]

MEMS-seadmed jagunevad sensoriteks, aktuaatoriteks ja struktuurideks. Neid leidub paljudes kommertsseadmetes:

Vaata ka[muuda | redigeeri lähteteksti]

Välislingid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Viited[muuda | redigeeri lähteteksti]

  1. Waldner, Jean-Baptiste (2008). Nanocomputers and Swarm Intelligence. London: ISTE John Wiley & Sons. p. 205. ISBN 1-84821-009-4. 
  2. Electromechanical monolithic resonator, US patent 3614677, Filed April 29, 1966; Issued October 1971
  3. Wilfinger, R.J.; Bardell, P.H.; Chhabra, D.S. (1968). "The resonistor a frequency selective device utilizing the mechanical resonance of a substrate" (PDF). IBM J. 12: 113–8. 
  4. R. Ghodssi, P. Lin (2011). MEMS Materials and Processes Handbook. Berlin: Springer. ISBN 978-0-387-47316-1. 
  5. T. Polster, M. Hoffmann (2009). "Aluminium nitride based 3D, piezoelectric, tactile sensors". Proc. Chem. 1: 144–7. doi:10.1016/j.proche.2009.07.036. 
  6. M. Birkholz, K.-E. Ehwald, P. Kulse, J. Drews, M. Fröhlich, U. Haak, M. Kaynak, E. Matthus, K. Schulz, D. Wolansky (2011). "Ultrathin TiN Membranes as a Technology Platform for CMOS-Integrated MEMS and BioMEMS Devices". Adv. Func. Mat. 21: 1652–6. doi:10.1002/adfm.201002062. 
  7. Williams, K.R.; Muller, R.S. (1996). "Etch rates for micromachining processing". Journal of Microelectromechanical Systems 5 (4): 256. doi:10.1109/84.546406. 
  8. Kovacs, G.T.A.; Maluf, N.I.; Petersen, K.E. (1998). "Bulk micromachining of silicon". Proceedings of the IEEE 86 (8): 1536. doi:10.1109/5.704259. 
  9. Chang, Floy I. (1995). "Gas-phase silicon micromachining with xenon difluoride" 2641. p. 117. doi:10.1117/12.220933. 
  10. Mall:Cite thesis
  11. Brazzle, J.D.; Dokmeci, M.R.; Mastrangelo, C.H. (2004). "Modeling and characterization of sacrificial polysilicon etching using vapor-phase xenon difluoride". p. 737. doi:10.1109/MEMS.2004.1290690.