Введение в микросистемную технику

Московский государственный технический университет
имени Н.Э. Баумана

О.С. Нарайкин, К.Г. Потловский, В.В. Холевин

ВВЕДЕНИЕ
В МИКРОСИСТЕМНУЮ ТЕХНИКУ

Рекомендовано Научнометодическим советом
МГТУ им. Н.Э. Баумана
в качестве учебного пособия по курсу
«Микросистемная техника»

Москва
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана
2011

УДК 621.382:53(075.8)
ББК 32.844.1
Н28

Рецензенты: П.К. Кашкаров, В.А. Шахнов

Нарайкин О. С.
Введение в микросистемную технику : учеб. пособие /
О. С. Нарайкин, К. Г. Потловский, В. В. Холевин. – М.:
Издво МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011. – 49, [3] с. : ил.

Микросистемная техника – активно развивающееся направление, создающее функционально законченные нанои микроразмерные устройства, характеристики которых кардинальным образом
отличаются от характеристик устройств аналогичного назначения,
созданных по традиционным технологиям.
Учебное пособие содержит сведения о физических принципах
функционирования электромеханических систем и об основных
технологиях их производства. Приведены примеры использования микроэлектромеханических систем в различной аппаратуре
как бытового, так и специального назначения.
Для студентов, изучающих курс «Микросистемная техника».

УДК 621.382:53(075.8)

ББК 32.844.1

МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011

Н28

Введение

Научнотехническое направление «Микросистемная техника» возникло в начале 1990х годов в результате объединения двух направлений: «Технология микросистем» (МСТ,
MST – Microsystems Technology) и «Микроэлектромеханические системы» (МЭМС, MEMS – Microelectromechanical Systems). Основной задачей нового направления является интеграция электронных, механических, жидкостных, оптических
и иных компонентов для создания устройств размерами от нескольких микрометров до единиц миллиметров.
Естественно, производство устройств, пусть и не миллиметровых размеров, где электронные схемы управляют исполнительными механизмами, началось задолго до наступления эры
МСТ. Так что же стало причиной событий, происшедших в
1990е годы? Как ни странно, такой причиной явилось изобретение в 1958 г. модели интегральной схемы, объединившей
электронные компоненты в объеме одного полупроводникового кристалла. Переход к планарной технологии при производстве интегральных схем позволил одновременно изготовлять
огромное количество идентичных элементов в едином технологическом процессе, что существенно снизило их стоимость.
Еще одним преимуществом планарной технологии является
возможность увеличения степени интеграции, т. е. увеличение
количества элементов на единицу площади за счет уменьшения
размеров элементов. Увеличение степени интеграции наглядно
демонстрирует уменьшение размеров полупроводниковых элементов с первоначальных 20...30 мкм в 1958 г. до 45 нм в настоящее время, а использование разных полупроводниковых материалов и типов логики (МОП, КМОП, ТТЛШ и др.)* позволило увеличить быстродействие и сократить энергопотребление
электронных устройств.

3

*МОП – структура «металл – оксид – полупроводник»; КМОП–
комплиментарная структура МОП; ТТЛШ – транзисторнотранзисторная логика с диодами Шотки.

Таким образом, с переходом на новую технологию производства электронные компоненты благодаря увеличению производительности, экономичности и лучших массогабаритных
характеристик занимают лидирующие позиции по сравнению
с датчиками и исполнительными механизмами, изготовленными по традиционным технологиям. Единственным решением
проблемы интеграции в этом случае является встраивание
электронного контроллера в корпус исполнительного механизма. Убедиться в этом можно и самостоятельно, достаточно
разобрать болееменее сложное электромеханическое устройство. При реализации такого подхода приходится решать массу проблем, начиная с того, что электронные и исполнительные механические компоненты изготовляются раздельно, по
разным технологиям, с использованием широкого спектра несовместимых друг с другом материалов, и заканчивая проблемами конечной сборки. Итогом являются низкая надежность,
значительные масса, габариты и энергопотребление, высокая
себестоимость. Сложившуюся ситуацию можно охарактеризовать как технологический тупик, выходом из которого могла
бы стать иная идеология конструирования, позволяющая миниатюризировать оптические, механические, электронные,
жидкостные компоненты, объединить в малом объеме большое количество устройств с различными физическими принципами работы.
Результатом поиска такой идеологии явилось становление
и бурное развитие микросистемной техники. Устройства, созданные по новой технологии, имеют несколько преимуществ
перед обычными аналогами. Вопервых, как и интегральные
схемы, они могут выпускаться крупными сериями, что значительно снижает их себестоимость. Вовторых, они могут быть
непосредственно включены в состав интегральных схем (располагаться на одном полупроводниковом кристалле), что
позволяет создавать сложные и одновременно компактные
МЭМС.

1. ПРИНЦИПЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ
И ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МИЭМС

Прежде чем прейти к подробному изучению МЭМС, рассмотрим основные принципы их функционирования. Как
следует из названия, принцип действия таких систем заключается в преобразовании электрической энергии в механическую энергию исполнительных механизмов или механического воздействия в изменение регистрируемых электрических параметров (проводимости, емкости, индуктивности)
для датчиков.
Перечислим основные принципы функционирования микромеханических систем:
• электростатический принцип (перемещение элементов
конструкции, заряженных одноименными или разноименными
зарядами, рис. 1);

5

Рис. 1. Элементарный электростатический привод:
Y – расстояние между электродами; Y – относительное перемещение; Y + Y – расстояние между электродами при приложении
одноименных потенциалов; Y – Y – расстояние между электродами при приложении разноименных потенциалов

• электромагнитный принцип (перемещение за счет взаимодействия подвижных элементов конструкции с магнитным
полем);
• электрострикционный и магнитострикционный принципы (основаны на эффекте изменения линейных размеров вещества при приложении к нему электрического или магнитного
поля);
• пьезоэлектрический принцип (основан на прямом и обратном пьезоэлектрическом эффекте в некоторых диэлектриках. При прямом эффекте под действием механических
напряжений возникает поляризация диэлектрика, при обратном эффекте – деформация диэлектрика под действием электрического поля, рис. 2);

• тепловое расширение (перемещение в результате деформирования материала конструкции при нагревании или охлаждении, рис. 3).
На первых этапах становления микросистемной техники у
многих конструкторов возникло заблуждение, связанное с тем,
что проектирование микромеханических устройств не представляет особых трудностей: что может быть проще, чем взять
известный макрообъект и изготовить его работоспособную
микрокопию? Как правило, подобные попытки перенести клас6

Рис. 2. Пьезопривод:
X – расстояние между обкладками; U – разность потенциалов, приложенная к обкладкам пьезокристалла; X – деформация пьезокристалла при приложении разности потенциала U