Ярмарка идей: Мы их, мы новый мир построим

Как известно, особо тонкой и скрупулезной работой всегда славились ювелиры и золотых дел мастера. Были, правда, еще механики, способные научить железную нимфозорию танцевать кадриль, а также любители, готовые эту нимфозорию, сиречь блоху, подковать. Но все это было просто игрушками и украшениями, до тех пор, пока электроника не стала настолько миниатюрной и мощной, что научилась управлять тысячами различных устройств и обрабатывать информацию от миллионов сенсоров. Умным и маленьким микрочипам понадобились глаза и уши, а также руки и ноги, и технологи всерьез занялись миниатюризацией сенсоров, двигателей и механизмов. Изготовление микро-электро-механических систем (МЭМС) стало вполне самостоятельной отраслью промышленности и сегодня их можно встретить не только в исследовательских лабораториях, но и в быту, и на производстве.

Традиционные технологии изготовления микродеталей имеют жесткий предел мелкости, определяемый размером обрабатывающего инструмента. Наиболее мелкие детали мы сегодня находим внутри обычных часов со стрелками. Причем неважно, механические это часы или электронные – все равно шестеренки, передающие движения стрелкам, настолько малы, что без специальной оснастки всю конструкцию не собрать и винтики не закрутить.

Но даже самое малюсенькое колесико и крошечный рубиновый камешек от часов покажутся огромными механизмами в сравнении с деталями современных микромашинок, изготавливаемых на тех же заводах, где делают микросхемы. Плоские моторчики диаметром 100 мкм и шестеренки толщиной 1 микрон сегодня уже никого особо не удивляют, и сейчас вовсю идет работа над созданием полезных изделий размером с рисовое зернышко.

Но любая микромеханика без встроенных микросенсоров будет слепа и сможет работать только по твердо заданной программе, как механическое пианино. И поэтому сегодня разного рода сенсоры активно интегрируются в состав микросхем. Уже имеются микропроцессоры, содержащие до 60 различных датчиков на одном базовом кремниевом кристалле. Причем изготавливается эта умная и чувствительная схема в едином технологическом процессе и 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 датчики столкновения, инициирующие надувание подушек безопасности в современных автомобилях. Микропроцессор постоянно анализирует сигнал от микроакселерометра, и если ускорение автомобиля превышает опасный предел, мгновенно принимает решение об активации системы безопасности. Самыми же популярными являются полупроводниковые интегральные датчики давления, используемые в медицинских тонометрах и автомобильной автоматике, а также датчики силы, помогающие взвешивать на весах продукты и прочие предметы.

Главные орудия производства микромеханических устройств – это свет 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.

Технологический процесс изготовления простейшего механизма состоит из десятков стадий и занимает долгие часы. И только благодаря тому, что обработку одновременно проходят сотни кремниевых пластин с тысячами шестеренок на каждой, возможен массовый выпуск сложных микромеханизмов по вполне приемлемой цене за штуку. Химия вместе с фотолитографией сегодня творит чудеса, и так же как при изготовлении микропроцессоров, детали микромеханизмов наращиваются послойно, скрепляясь между собой тонкими перемычками из диоксида кремния. И только когда “выращены” все шестеренки и закреплены все оси, система “размораживается” с помощью кислоты и приходит в движение.

Современная микромеханика не просто эксплуатирует разработанные микроэлектроникой технологии, но и поставляет жизненно необходимые компоненты для микропроцессорных устройств. Интегрированные в состав микрочипа микрофоны и миниатюрные динамики – свидетельство того, что сотовый телефон размером с маленький наушник – совсем даже не фантастика.

Кремний – не единственный претендент на основной материал микромеханики: фотоотверждаемые полимеры, оказывается, можно использовать не только в качестве зубных пломб, но и при изготовлении объемных микроконструкций. В этом случае формирование твердой основы механизма происходит путем сканирования объема полимера сфокусированным лазерным лучом. Для того чтобы избежать частичной полимеризации материала по всей длине светового луча, используют специальные химические реакции, протекающие наиболее интенсивно в присутствии двух лазерных лучей с разными длинами световых волн. Таким образом, полимеризация, то есть затвердевание жидкого полимера, происходит только в областях пересечения двух световых потоков. Лазерная технология позволяет создавать микроизделия самой причудливой формы и допускает полную автоматизацию процесса, однако в этом случае уже невозможно одновременное изготовление большого числа микромеханизмов, как это происходит в случае использования метода фотолитографии. Еще шире круг обрабатываемых материалов и меньше размер готовых изделий становятся при использовании мощных ионных пучков. Используя поток протонов, можно делать механизмы с поистине нанометровым размером. Только вот законы квантовой механики немного отличаются от законов классической, и поведение машин с шестеренками всего из нескольких миллионов атомов будет совсем не похоже на работу привычных часов.

Миниатюрная подводная лодка, изготовленная немецкой фирмой «Микротек», пока плавает по моделям кровеносных сосудов, заполненным водой. В перспективе, когда у нее кроме гребного винта появится еще и миниатюрная фреза, такую подлодку можно будет использовать для очистки сосудов. Правда, пока это изделие – не автономно, и для вращения винта используется внешнее переменное магнитное поле, однако корпорация «Тошиба» уже изготовила нормальный электродвигатель диаметром 0,8 мм и весом •4 миллиграмма для такого рода «субмарин», и теперь дело – за миниатюрным, но мощным топливным элементом, использующим в качестве окислителя кислород, переносимый красными кровяными тельцами – эритроцитами. Исследователи из Калифорнийского университета в Беркли разработали роторный двигатель внутреннего сгорания мощностью 26 милливатт и диаметром ротора 1 мм, но все равно проблема горючего для таких микромашин остается крайне актуальной, поскольку энерговооруженность падает пропорционально микроскопическому объему, а проходимые расстояния остаются вполне макроскопическими. Над задачей питания микророботов специалисты трудятся постоянно, но здесь успехи пока не столь значительны, как в миниатюризации шестеренок. Сегодня уже не только фантасты, но и серьезные ученые рассуждают о том, что полезного может сделать маленький и умелый робот, плавающий по нашим кровеносным сосудам, блуждающий по пищеводу или ждущий факта оплодотворения в фаллопиевой трубе…

Все, что человек умеет делать самодвижущимся и самодумающим, базируется сегодня на электрических явлениях. Электрический ток в микропроцессоре выполняет логические операции, и он же – в электродвигателе – заставляет ротор крутиться. Искусственные мышцы пока малоэффективны, и вся искусственная механика оживает благодаря различным электростатическим и магнитным движителям. Миллионы миниатюрных двигателей, способных за считанные секунды изменить угол обзора космического телескопа или геометрию крыла самолета, кардинально улучшают все характеристики исходных устройств, заставляя разработчиков трудиться не покладая рук, а правительство – изыскивать дополнительные бюджетные средства. Сегодня ученые разрабатывают технологии изготовления и сборки микромеханизмов, а завтра – встроенные микрочипы не только станут кредитной карточкой, но и будут вести постоянный мониторинг нашего самочувствия, выдавая рекомендации по режиму дня и советуя, где лучше пообедать и в какой клинике подлечиться. 

Владимир Решетов