ميكروالكترومكانيكال سيستم (mems)

[Mohades]

ميكرو الكترومكانيكال سيستم 1(MEMS) عبارتند از مجتمع‌سازي عناصر مكانيكي، حسگر، عملگرها2 و عناصر الكترونيكي، بر روي پايه‌هاي سيليكوني توسط تكنولوژي ساخت در حد ابعاد ميكرون. MEMS تحقق كامل «سيستم‌ها در يك تراشه» و نوعي فناوري است كه اجازه توسعه محصولات هوشمند، تكميل توانايي محاسباتي ميكروالكترون‌ها را با درنظر گرفتن قابليت‌هاي ميكروحسگرها، ميكرومحرك‌ها و توسعه فضاي ممكن طراحي، ممكن مي‌سازد. از آنجا كه ادوات MEMS براي استفاده در شيوه‌هاي ساخت گروهي نظير مدارهاي مجتمع ساخته مي‌شوند، سطوح جديدي از قابليت انجام وظيفه، قابليت اطمينان و مهارت را مي‌توان بر روي يك تراشه سيليكوني كوچك با هزينه‌اي نسبتاً پايين، عرضه كرد.

ساخت و پياده‌سازي اين عناصر بر روي بردهاي سيليكوني، به كمك تكنولوژي ميكروفابريكيشن3 ميسر مي‌شود. سيليكون خواص خوبي دارد كه آن را به انتخابي عالي براي كاربردهاي مكانيكي سطح بالا، تبديل كرده است. مثلاً نسبت استحكام به وزن سيليكون از بسياري از موارد مهندسي ديگر بالاتر بوده و اين خاصيت، دستيابي به ادوات مكانيكي داراي پهناي باند زياد را ممكن مي‌سازد.

با پيشرفت چشمگير صنعت ميكروالكترونيك در 3دهه گذشته، پياده‌سازي مدارهاي پيچيده الكترونيكي بر سطوح كوچك و تفكر ساخت حسگرهايي در مقياس ميكروني نيز در دهه گذشته، رشدي قابل ملاحظه داشته است. تكنولوژي MEMS در 1964 با ساخت اولين «قطعه تجميعي MEMS» پا به عرصه وجود نهاد. گفتني است كه در دهه 1980، تحقيقات آزمايشگاهي در ارتباط با MEMS قوت گرفته و سرانجام در اواسط دهه 1990، ساخت اين سيستم‌ها به‌صورت قطعات تجاري و انبوه، محقق شد. بهره‌مندي از تكنولوژي «مدارهاي مجتمع»4 (IC) و استفاده از قطعاتي نظير Bipolar،CMOS در صنعت الكترونيك از يك سو و سوار شدن قطعات ميكرومكانيكي و فرايندهاي «ميكروماشينكاري»5 بر روي لايه‌هاي مختلف «نيمه‌هادي‌هاي سيليكوني» از سوي ديگر، منجر به تركيب اين دو صنعت با يكديگر شده و تكنولوژي “MEMS” متولد شد. اين تكنولوژي باعث پياده‌سازي يك سيستم كامل بر روي تراشه‌ها (systems-on-a-chip) شده است. به‌طور كلي، تكنولوژي ساخت 8 فاقد دانش فني يكسان بوده و از نظر تركيب روش‌هاي طراحي، علم مواد و فرايندها و كاربردها نيز، متفاوت است. نكته حائز اهميت در قياس بين IC‌ها و MEMS‌ها اين است كه گرچه براي ساخت آنها، از تكنولوژي چاپ و حك كردن بر روي تراشه‌ها استفاده مي‌شود، اما ممكن است از نظر فرايندها و مواد اوليه با يكديگر منطبق نباشند.[CENTER][/CENTER]

اگر مدارهاي مجتمع ميكروالكترونيك داراي سرعت، دقت و هوشمندي بالا در محاسبات را به‌عنوان «مغز» سيستم در نظر بگيريم؛ “MEMS”‌ها نيز همچون «بازوها» و «چشم‌ها» در «حس كردن» و «كنترل» محيط اطراف، به‌منظور بالا بردن توانايي تصميم‌گيري، به سيستم كمك مي‌كنند. به اين‌صورت كه ابتدا حسگرها با اندازه‌گيري و سنجش پديده‌هاي مكانيكي، گرمايي، بيولوژيكي، بصري و شيميايي اطلاعاتي را از محيط اطراف جمع‌آوري كرده و در اختيار سيستم قرار مي‌دهند. سپس، بخش الكترونيكي سيستم، به كمك اين حسگرها و انجام يك سري فرايندهاي تصميم‌گيري، دستورهايي را به عملگرهاي موجود در سيستم ارسال مي‌كند و آنها نيز واكنش‌هايي نظير «حركت»، «موقعيت‌يابي»، «مكش» و پالايش محيط را براي هدف يا خروجي مطلوب، كنترل مي‌كنند.

تكنولوژي ساخت MEMS بسيار مشابه تكنولوژي موجود در مدارات مجتمع الكترونيكي است. از اين‌رو سطوحي بي‌نظير از عمليات، قابليت اطمينان و مهارت، بر روي يك تراشه كوچك سيليكوني به نسبت ارزان، فراهم مي‌آيد.

[Mohades]

كاربردهاي MEMS


در سال‌هاي اخير، MEMS‌ها در زمينه‌هاي پزشكي، ارتباطات، هوافضا و مينياتور كردن، كاربردهاي زيادي پيدا كرده‌اند.



نقاط تحول تاريخي در تاريخچه صنعت MEMS وNEMS



[COLOR=#632423=]
1. صنعت خودروسازی

- فشارسنج: براي اندازه‌گيري فشار روغن موتور، فشار خلا، فشار تزريق سوخت، فشار خط ترمز ABS، فشار هواي ذخيره شده براي كيسه هوايي

. - شتاب‌سنج: شتاب‌سنج‌هاي ساخته شده با فناوري MEMS، به سرعت با شتاب‌سنج‌هاي رايج جهان كه در آرايش سيستم‌هاي كيسه هوا در موقعيت‌هاي ناگهاني به‌كار مي‌رفتند، جايگزين شدند. در روش سنتي و مرسوم كه چندين شتاب‌سنج بزرگ ساخته شده از مؤلفه‌هاي گسسته، در جلوي خودرو با سيستم الكترونيك جداگانه و نزديك كيسه هوا نصب مي‌شد، براي هر خودرو افزون‌بر 50 دلار هزينه داشت. فناوري مجتمع‌سازي MEMS ساخت شتاب‌سنج‌ها و مدارهاي الكترونيكي را روي يك تراشه سيليكوني با هزينه‌اي بين 5 تا 10 دلار، ممكن ساخت. شتاب‌سنج‌هاي MEMS، كوچكتر، وظيفه‌مندتر، سبك‌تر و قابل اطمينان‌تر بوده و با كسري از هزينه عناصر شتاب‌سنج‌هاي مقياس بزرگ، ساخته شده‌اند.


[/COLOR]

[Mohades]

كاربرد شتاب‌سنج



الف - سيستم ترمز ضدقفل
ب - سيستم تعليقپ - سيستم كيسه هوايي خودروها



دماسنج‌هاي MEMS: خواندن دماي روغن موتور، ضديخ و دماي هوا
ژيروسكوپ‌هاي MEMS: وسايلي براي تشخيص حركت شتاب‌سنج‌ها، سيگنالي متناسب با حركت خطي خود توليد مي‌كنند. ژيروسكوپ‌ها، سيگنالي متناسب با حركت دوراني خودرو، براي سيستم كنترل نيروي گريز از مركز يا كشش جاده توليد مي‌كنند.


عملكرد ژيروسكوپ‌ها در صنعت خودرو


- فراهم كردن سيگنالي متناسب با ميزان چرخش خودرو هنگامي كه روي پيچ حركت مي‌كند - مقايسه زاويه شيب پيچ و ميزان چرخش واقعي خودرو كه از ژيروسكوپ به‌دست مي‌آيد - تشخيص سيستم كنترل در زمينه كمبود نيروي كشش جاده در خودرو يا عادي بودن وضعيت - اگر شرايط، غيرايمن تشخيص داده شود، سيستم كنترل سيگنالي را به سيستم ترمز ضدقفل مي‌فرستد تا از واژگون شدن آن جلوگيري كند

[Mohades]

ساير كاربردهای در حال توسعه ژيروسكوپ‌ها

- واژگوني خودرو - كنترل ديناميك خودرو
- سيستم ناوبري خودرو


Micro fabrication Accelerometer

2. صنايع زيست‌محيطی

در سال 2000، واژه‌اي ديگر به گروه سيستم‌هاي ريز الكترومكانيكي اضافه شد كه پيوند ميان عناصر زيستي و MEMS بود كه آن را سيستم ريز - زيستي الكترومكانيكي ناميدند. اين واژه، به دو دسته از كاربردهاي سيستم جديد اشاره دارد:‌

الف - مواد و عناصر زيستي به‌عنوان زيرساختارهاي توليد سيستم‌هاي ريزالكترومكانيك ب - كاربردهاي سيستم ريز الكترومكانيكي در محيط‌ها و فضاي زيستي ارزش و اهميت كاربردهاي گوناگون سيستم‌هاي ريزبيوالكترومكانيكي با تكميل و پيشرفت عناصر اين سيستم‌ها و ارزيابي‌هاي مختلف آزمايشگاهي - تحقيقاتي و نيز تجاري، بيش از پيش شده است. چند مورد از اهميت اين سيستم عبارتند از: - پايين بودن بهاي چيپ‌ها (چيپ‌هاي شيشه‌اي يا پلاستيكي) - كاهش بهاي معرف‌هاي گران‌قيمت در آزمايش‌هاي تركيبي - قابليت استفاده توابع چندگانه در يك چيپ منفرد - نشانگرها در پرستاري از بيمار و نيز در تشخيص بيماري‌ها (حتي استفاده در عمل‌هاي جراحي) - توان عملياتي بالا


كاربردهاي فراوان سيستم‌هاي ريز بيوالكترومكانيك در رشته‌هاي مرتبط با عوامل زيستي، بيش از موارد زير است، اما دسته‌بندي زير بر اساس كاربردهاي مختلف در رشته‌هاي مختلف صورت گرفته است:

- ابزارهايي در شيمي، ساختارهاي ملكولي بيوشيمي (در تهيه نمونه‌هاي ملكولي، كاربرد در اسيد نوكليك) - ابزارهايي براي رفتارهاي بيولوژيك سلول‌ها (سلول‌هاي مكانيكي، ديناميكي) - ابزارهايي براي پزشكي و دستگاه‌هاي پزشكي (حداقل مصرف انرژي، عناصر مصنوعي در بخش اعصاب) - ابزارهايي براي تحليل و بررسي داده‌هاي سيستم (ژنوميك و پرتوميك، آناليزهاي كلينيكي، توان عملياتي بالا)




Gyroscope MEMS

[Mohades]

3. صنايع پزشكی

كاربردهاي ابتدايي MEMS در اين زمينه، با اندازه‌گيري فشار خون، فلوي مايعات داخلي بدن، ماسك گاز، دياليز، ظرفيت تنفسي و دستگاه‌هاي تنظيم‌كننده ضربان قلب ارتباط دارد. به‌عنوان مثال، مي‌توان از Medical Pressure نام برد كه ساختاري بر اساس خواص پيزو دارد و به‌صورت يك بار مصرف در بيمارستان‌ها مورد استفاده قرار مي‌گيرد.
كاربردهاي جديد Bio-MEMS: تكنولوژي جديد، مبتني‌بر سيستم‌هاي ميكروفلويدي است كه از قابليت آناليز مقادير كوچك حجمي مايعات برخوردارند و بر همين اساس، در زمينه صنعت ساخت وسايل پزشكي، بررسي محيط‌زيست آب تا كشف دارو و بررسي رشته DNA كاربردهاي وسيعي دارد. به‌عنوان مثال: Pharmacy-on-a-chip داروخانه‌اي است كه بر روي يك چيپ قرار گرفته است. اين چيپ در ارتباط با بدن قرار گرفته و مايعات بدن را اندازه مي‌گيرد و در صورت نياز بدن، مايع لازم به‌طور خودكار تزريق مي‌شود. اين وسيله براي تنظيم انسولين بيماران ديابتي، هورمون و مسكن درد استفاده مي‌شود.



4. صنايع هوافضا

در نشانگرهاي كابين خلبان، ابزار پرش اضطراري، اندازه‌گير‌هاي تونل هوا و ميكروماهواره‌ها كاربرد دارند.

5. صنايع ارتباطات

از دو نوع MEMS در اين صنايع به‌طور متداول استفاده مي‌شود: - RFMEMSها امروزه كاربردهاي بسيار وسيعي در صنعت ساخت موبايل دارند به‌طوري‌كه با پيشرفت آنها، موبايل‌ها ارزان‌تر شده و اندازه‌اي كوچكتر پيدا كرده‌اند. - MOEMSها به‌دليل وجود فوتون بدون جرم، نياز به نيروي كمي دارند، مكان كوچكي را اشغال مي‌كنند، دقت بالايي دارند و با سرعت نور كار مي‌كنند و تكنولوژي ساخت آنها مانند نيمه‌هادي‌هاست. اين امر، زمينه توليد ارزان‌قيمت و افزايش كارايي آنها را فراهم ساخته است. ساختار جزء آنها، ميكروآينه است كه باعث افزايش سرعت كار در تكنولوژي جريان اطلاعات شده است. كاربرد MOEMS در فيلترها، مدولاتورها،آنتن‌ها و موجبرهاست.

از ديگر كاربردهاي وسيع سيستم‌هاي MEMS مي‌توان به موارد زير نيز اشاره نمود:


Pharmacy on a chip

6. حسگرهای فشار، دما، شيميايی و ارتعاشی

خواص مكانيكي بسيار عالي سيليسيم، مدول يانگ بالا، جرم حجمي كم و قابليت كوچك‌سازي در ساخت قطعات سيليسيمي منجر به ساخت حسگرهاي مجتمع‌سازي شده است. حسگرهاي فشار ميكروماشيني با استفاده از تكنولوژي‌هاي ميكروماشين‌كاري سطحي و توده‌اي به‌صورت مجتمع‌سازي شده و هايبريدي توليد مي‌شوند كه در آنها از خواص تغيير مقاومت نواحي نفوذ داده شده (پيزومقاومت‌ها) به‌واسطه ايجاد تنش، تغيير ظرفيت خازني ميان الكترودهاي ثابت و متحرك و خاصيت تشديدي المان مرتعش سيليسيمي براي تبديل متغير فيزيكي فشار به سيگنال الكتريكي استفاده مي‌شود. حسگر فشار ميكروماشيني از يك ديافراگم سيليسيمي تشكيل شده است. مزيت‌هاي اصلي اندازه‌گيري فشار با استفاده از پيزومقاومت‌ها، سادگي فرايند توليد آنها، رابطه خطي عالي ميان ولتاژ خروجي از حسگر و فشار اندازه‌گيري است. از عيوب اصلي اين نوع حسگرها بايد به حساسيت دمايي و جريان نشتي آنها اشاره كرد. به‌دليل حساسيت كم پيزومقاومت‌ها، قطعات پيزومقاومتي براي اندازه‌گيري‌هاي دقيق (فشارهاي بسيار كم) مناسب نيستند. شركت تويوتا در 1983 به كمك ادغام حسگر فشار پيزومقاومتي با تكنولوژي Bipolar توانست مدار جبران‌ساز دما، مدار توان و ... را در محل قرارگيري حسگر و روي يك ويفر سيليسيمي ايجاد كند. يكي از مراحل اصلي ساخت حسگر فشار، مرحله حكاكي وابسته به جهت‌گيري مرطوب سيليسيم است كه خصوصيات و چگونگي انجام آن بخوبي شناخته شده است. لذا، ادغام اين فرايند با فرايندهاي ساخت ICها، امكان‌پذير است. هم‌اكنون فرايند توليد حسگر فشار پيزومقاومتي با فرايندهاي توليد NMOS و CMOS ادغام شده است. فرايند ساخت نمونه آزمايشگاهي حسگر فشار سيليسيمي پيزومقاومتي شامل مراحل اصلي: اكسيداسيون حرارتي به روش مرطوب با ضخامت اكسيد 7/1 ميكرون، نفوذ حرارتي و ايجاد نواحي مقاومتي نوع p با غلظت ناخالصي مشخص و به عمق 2 ميكرون در بستر سيليسيمي نوع n، فلز نشاني آلومينيم با ضخامت يك ميكرون (به روش تبخيري Electron-Beam) و حكاكي مرطوب عميق وابسته به جهت‌گيري از طرف پشت ويفر با دقت يك ميكرون در محلول هيدرواكسيد پتاسيم (با غلظت 30 درصد وزني و دماي 80 درجه سانتي‌گراد) است.

7. رفلكتورهاي نور7

8. انواع سوييچ

9.ميكرومحرك‌ها8

10. اعمال و قواعد زيست‌شناسي در انسان و ماشين‌آلات

فناوري MEMS كشفيات جديد در علوم و مهندسي مانند موارد ذيل را ممكن ساخته است: - ميكروسيستم‌هاي واكنش زنجيره‌اي پليمري (PCR) براي تقويت و شناسايي DNA - ميكروسكوپ‌هاي سوراخ‌كن براي مرور ميكروماشين‌ها (STMS)، - ساخت چيپ‌ها با الهام از قواعد زيست‌شناسي براي كشف عوامل زيستي و شيميايي خطرناك - ميكروسيستم‌هايي براي انتخاب و نمايش دارو با توان عملياتي بسيار بالا


ساخت حسگرها در مقياس ميكروني، سه مزيت عمده در قياس با حسگرهاي سنتي دارد: - قيمت كم - اندازه كوچك - مصرف كم


علاوه‌بر مزيت‌هاي عمده فوق، با بررسي دقيق‌تر مي‌توان نقاط قوت ذيل را نيز براي اين نوع حسگرها برشمرد: - آساني و سرعت در توليد انبوه آنها - قابليت ساخت سيستم‌هاي مجتمع - يكسان بودن پارامترهاي تعداد زيادي از محصول - دقت در چيدمان چند حسگر روي يك چيپ


قابليت اطمينان و امكان مجتمع‌سازي اجزاء MEMS دو موضوع مهم هستند كه لازم است قبل از عرضه وسيع‌تر آنها به بازار، حل شوند.


Lab On a chip

مزاياي ساختن MEMS

1 . MEMS تكنولوژي بي‌نهايت متنوعي است كه بر هر مقوله تجاري محصولات، تأثير بسياري دارد. نوع فناوري MEMS و تنوع آن در كاربردهاي مفيد، آن را به‌طور بالقوه به فناوري فراگيرتري حتي از ميكروچيپ‌هاي IC تبديل كرده است. 2 . MEMS وجه تمايز بين سيستم‌هاي مكانيكي پيچيده و مدارهاي الكتريكي IC را از بين مي‌برد. 3 . از نظر تاريخي، حسگرها و محرك‌ها، گرانترين وغيرقابل اطمينان‌ترين قسمت يك سيستم الكترونيكي حسگر - محرك، در مقياس بزرگ هستند. فناوري MEMS اجازه مي‌دهد كه اين سيستم‌هاي الكترونيكي پيچيده، به‌منظور استفاده در تكنيك‌هاي ساخت مجتمع توليد شوند. اين عمل، قابليت اطمينان حسگرها و محرك‌ها را تا حد برابري با دقت IC‌ها، بر اجزاي سيستم‌هاي مقياس بزرگ (Macro Scale) پذيرفتني كرده است.


MEMS-based Optical Switch



[CENTER]منبع: صنعت خودرو[/CENTER]