Наномашины и наноприборы. Микроэлектромеханические устройства – MEMS. Наноэлектромеханические системы

Наномашины и наноприборы

Итак, мы рассмотрели физические основы нанотехнологий. В настоящей, заключительной лекции, мы коснемся описания более сложных устройств – наномашин, т.е. устройств сконструированных из определенных молекул или элементов нанометровых размеров. Кроме того, рассмотрим основные проблемы, связанные с изготовлением таких миниатюрных устройств.

Микроэлектромеханические устройства – MEMS

Формально MEMS не попадают под предмет нанотехнологий, тем не менее, полезно кратко обсудить их, поскольку они дают представление о таких методах и подходах, которые могут зачастую применяться и в нанотехнологиях.

Главным преимуществом MEMS-устройств являются:

- миниатюрность;

- простота изготовления и размещения больших количеств таких устройств на одном чипе;

- хорошая совмещаемость с изделиями микроэлектроники.

Вообще, простота и невысокая себестоимость при крупносерийном производстве MEMS- устройств, к примеру, позволила создать датчики нанометровых размеров для активации AIR BAG в автомобилях. Для сравнения: ранее такое электромеханическое устройство обладало размерами банки с газированной водой, весило несколько сот граммов и имело высокую стоимость (от 15 до 50 USD).

Используемые в настоящее время датчики на основе MEMS- устройств имеют размеры с 50 копеечную монету и стоят несколько долларов. Замечу, что размеры и способы изготовления MEMS позволяют интегрировать их непосредственно в микроэлектронный чип.

Из представленного рисунка видно, что при замедлении автомобиля при столкновении, горизонтальная балка смещается по инерции в сторону движения авто и вызывает изменение его емкости. В результате с помощью управляющего блока инициируется импульс тока через нагревательную спираль, помещенную в капсуле с NaN₃  (азот натрия). Мгновенное нагревание приводит к взрывообразному разложению содержимого капсулы:

2NaN_{3 →}2Na + 3N₂↑

Выделяющийся газообразный азот и надувает подушку безопасности. Вообще, основой MEMS- устройств являются кантилеверы.

Кантилевер – закрепленная на одном конце консольная балочка микронных или субмикронных размеров, способная изгибаться под действием различных факторов.

Наиболее простые MEMS- устройства состоят из набора кремниевых кантилеверов, имеющих различные отношения длины к ширине. Кантилеверы установлены в MEMS таким образом, чтобы они могли осциллировать под действием механических, тепловых или электрических воздействий. Наиболее желательной является такая характеристика кантилевера.

Как видно из приведенного графика, частота колебаний очень чувствительна к длине балочки. С использованием такой идеальной зависимости были разработаны специальные термические датчики, посредством нанесения на контилевер материала, с отличающимся существенно коэффициентом теплового расширения от материала собственного кантилевера. Чувствительность таких устройств находится обычно в микроградусном диапазоне.

Наноэлектромеханические системы (NEMS)

Такие устройства находятся на ранних стадиях разработки, причем некоторые из них все еще пребывают на стадиях концептуальной разработки. Вообще, все, что пытается создать человек, уже давно создано природой, и мы лишь пытаемся, порой крайне неуклюже