Журнал «Юный техник» - Юный техник, 2008 № 06

Вы помните, наверное, сказку Лескова о тульском Левше и его товарищах, без «мелкоскопа» подковавших «англицкую блоху». Изготовление микроэлектромеханических систем требует сегодня особых приемов и технологий, которые и присниться не могли легендарному мастеру.

Наиболее мелкие детали до недавнего времени мы видели внутри наручных часов. Но даже самое малюсенькое колесико таких часов кажется огромным в сравнении с деталями современных микромашинок, изготавливаемых на заводах, где производят микросхемы. Плоские моторчики диаметром 100 мкм и шестеренки толщиной 1 микрон сегодня уже не удивляют.

Но любая микромеханика без встроенных микросенсоров будет слепа и сможет работать только по твердо заданной программе. И потому сегодня разработаны микропроцессоры, содержащие до 60 различных датчиков на одном базовом кремниевом кристалле. Причем изготовляется эта умная и чувствительная схема в едином технологическом процессе. Она является поистине интегральной, поскольку объединяет в себе не только тысячи резисторов и транзисторов, но и целую систему измерителей и исполнителей. Такая система способна не только «чувствовать», но и перемещать небольшие массы на вполне заметное расстояние.

Одним из наиболее массовых изделий такого рода являются, например, датчики столкновения в современных автомобилях. Микропроцессор постоянно анализирует сигнал, поступающий от микроакселерометра, и, если ускорение автомобиля превышает опасный предел, мгновенно принимает решение об активации системы безопасности (скажем, надувает подушки, смягчающие удар).

Полупроводниковые интегральные датчики давления используются также в медицинских тонометрах и весах, позволяющих с высокой точностью взвешивать вещества, например, при изготовлении лекарств.

Кремниевая микроцепь, состоящая из 50 звеньев толщиной всего в 50 микрон, подобно обычной велосипедной цепи, позволяет передать вращение с шестеренки на шестеренку.

Главные орудия производства микромеханических устройств — это световые лучи и химические реакции. Проецируемые на кремниевую пластину (вейфер), как на экран, различные изображения с фотографической точностью формируют нужные структуры. Причем и проявка, и нанесение фоточувствительного слоя могут быть многократными, так же как и растворение лишнего материала, и наращивание новых слоев кремния и его соединений, а также металлических проводников. В итоге технологический процесс изготовления микромеханизма состоит из десятков стадий и занимает многие часы. Лишь когда «выращены» все шестеренки и закреплены все оси, система «размораживается» с помощью кислоты и приходит в движение.

Однако благодаря тому, что обработку одновременно проходят сотни кремниевых пластин с тысячами шестеренок на каждой, возможен массовый выпуск сложных микромеханизмов по вполне приемлемой цене.

Причем кремний уже не единственный претендент на звание основного материала микромеханики: полимеры, отверждаемые светом, оказывается, можно использовать не только для зубных пломб, но и при изготовлении объемных микроконструкций. В этом случае формирование твердой основы механизма производят сфокусированными лазерными лучами.

Лазерная технология позволяет создавать микроизделия самой причудливой формы и допускает полную автоматизацию процесса. Еще шире круг обрабатываемых материалов и меньше размер готовых изделий при использовании мощных ионных пучков.

Используя поток протонов, можно делать механизмы нанометровых размеров. Только вот законы квантовой механики уже отличаются от законов классической, и поведение машин с шестеренками всего из нескольких миллионов атомов не похоже на работу привычных часов.

Даже привычные схемы и приемы смазки на наноуровне уже не годятся. Действовать, согласно пословице, что, дескать, кашу маслом не испортишь, здесь нельзя: излишек смазки может нанести вред сверхтонкому механизму.

В общем, хотя в распоряжении у инженеров есть несколько моделей, которые позволяют описать, каким образом свойства поверхностей влияют на трение, на атомном уровне механизмы процесса до сих пор во многом остаются загадкой.

И если раньше с этим еще было можно как-то мириться, то сейчас, когда в обиход все чаще входят не только микромашины, но и наноустройства, на эту проблему пришлось обратить особое внимание. Ведь чем меньше масштабы устройства, тем сильнее проявляют себя силы трения, а инженерного опыта здесь пока нет.