Микроэлектромеханика — верный путь к «умной пыли»?

Полупроводниковая фотолитография, 3D-печать и иные новейшие методы промышленного производства активно применяются для массового изготовления микроэлектромеханических устройств (micro-electro-mechanical systems, MEMS): датчиков и актуаторов, а также разнообразных их комбинаций характерными размерами от миллиметров до считаных микронов. Наше издание ещё в 2010 г. опубликовало довольно подробный обзор актуальных на тот момент MEMS в трёх частях. Тогда этот акроним был на слуху у всех поклонников высоких технологий; прежде всего — благодаря интеграции MEMS-гироскопов, акселерометров и прочих миниатюрных электромеханических систем в оглушительно популярные в ту пору смартфоны. Сегодня мобильные телефоны превратились из поражающих воображение гаджетов в неотъемлемый элемент повседневного бытия, тогда как MEMS… а что, собственно, с ними сталось? Продолжают совершенствоваться на второстепенных ролях сервисных элементов более крупных устройств — или всё-таки эволюционируют из микроскопического в наноразмерный класс, обещая в некой обозримой перспективе сделаться основой фантастических пока что «умных пылинок», разрабатываемых в парадигме top-down?

Привод с храповым механизмом (torsional ratcheting actuator, TRA) преобразует вибрацию ресничек внутренней решётки под воздействием последовательной подачи на неё электрического заряда в однонаправленное вращение внешнего кольца — с частотой до 3 кГц (источник: Sandia)

⇡#Сделайте побольше

Собственно, проявление одной и той же средой взаимосвязанных электрических и механических свойств было открыто ещё в конце XIX века: это хорошо известный сегодня пьезоэлектрический эффект. Под прямым эффектом такого рода подразумевают появление электрических зарядов на поверхности образца деформируемого материала определённого состава (т. н. пьезоэлектрика); под обратным — изменение формы образца под воздействием приложенного к нему электрического напряжения. В акустоэлектронике достаточно давно известен и широко применяется резонистор — транзистор с резонирующим затвором, способный преобразовывать высокочастотные электрические колебания в механические. За исключением лавинообразно нарастающей с сокращением характерных габаритов сложности изготовления, нет никаких препятствий к тому, чтобы использовать подобные устройства в самых разнообразных миниатюрных приборах — в тех же прототипах «умных пылинок», например.

Однако уже довольно давно и чисто технологические трудности на пути массового производства резонисторов были преодолены. В 1965 г. Харви Натансон (Harvey C. Nathanson), тогда сотрудник Исследовательской лаборатории Вестингауза (Westinghouse Research Labs) в Питтсбурге, разработал метод получения множества транзисторов с резонирующими затворами разом — по сути, аналогичный фотолитографическому изготовлению классических полупроводниковых транзисторов с самым обычным стационарным затвором. Здесь точно так же применялось послойное нанесение изолятора и металла на кремниевую подложку — с последующей формовкой нужных элементов путём экспонирования светочувствительного материала через фотомаски и удалением излишков материала в ходе проявки. Именно от получения Натансоном в 1973 г. патента на фабричное потоковое производство микрозеркальных управляемых матриц ведёт свою историю целый сегмент отрасли цифровых проекторов — DLP. Если в 1975 г. мировой рынок MEMS оценивался в 30 млн долл. США, то к предкоронавирусному 2019-му он вырос уже до 20 млрд.

Схема первого в мире MEMS-устройства (тюнера для микроэлектронного радио) — которое ещё не предполагалось изготавливать литографическим способом — из описания патента, выданного Харви Натансону (источник: Wikimedia Commons)

В наиболее общем случае MEMS-устройства представляют собой интегрированную в единый комплекс (и часто изготавливаемую в ходе общего для всех составных частей технологического процесса) комбинацию физических микроструктур, микродатчиков, микроактуаторов — и, разумеется, микроэлектроники, при помощи которой производится управление всем этим хозяйством и/или получение собираемых им данных. Кстати, датчики и актуаторы часто объединяют термином «преобразователи» (transducers), поскольку, как упомянутый чуть выше резонистор, они способны действовать в обоих направлениях: либо преобразуя электромагнитную энергию в другую форму, либо наоборот. Этой «другой» формой может выступать не только механическая, но и тепловая, магнитная, химическая энергия, — а также снова электромагнитная, но уже с другими характеристиками. Например, известны базирующиеся на MEMS умножители частоты радиоволн.

При всей внешней схожести MEMS-систем с «умной галькой» — прототипами-демонстраторами грядущих когда-нибудь, в светлом послезавтра, «умных пылинок», частиц программируемой материи, — между ними всё-таки имеется концептуальное различие. Разработчики микроэлектромеханических устройств сконцентрированы прежде всего на первом корне этого составного термина, на «микро»: они, начиная с Харви Натансона, прилагают максимум усилий к тому, чтобы с самого начала конструировать свои агрегаты миниатюрными и, более того, готовыми к серийному производству в крупных партиях, в точности как классические полупроводниковые микросхемы.

Как при подковывании лесковской блохи самой тонкой работой были гвоздики для крепления подковы, так и у MEMS-зеркал наиболее деликатные узлы — нанопетли, обеспечивающие поворот отражающей пластины (источник: Sandia)

Характерный для создателей «умной гальки» подход — «укомплектуем сантиметровый по габаритам гаджет множеством макроскопических систем, получим грант, а потом уже будем думать, как весь этот комплекс утрамбовывать в наноразмерную шкалу» — в случае MEMS нетипичен: тут сразу присутствует нацеленность на потоковое решение прикладных коммерческих задач. По этой причине многие исследователи склонны обозначать термином «MEMS» не столько сами микроустройства, сколько налаженные технологии их производства. Технологии, благодаря которым готовые продукты (минуя стадию занимательного, но на практике бесполезного демонстратора) сразу же готовы приносить пользу, окупать себя — и за счёт получаемых прибылей позволять разработчикам трудиться в выбранном направлении и далее.

Ричард Фейнман (Richard P. Feynman), один из корифеев экспериментальной физики XX века, ещё в 1959 г. предложил, выступая перед Американским физическим обществом в Калтехе, премию в 1 тыс. долл. тому, кто первым изготовит функционирующий электромотор, который занимал бы не более 1/64 доли кубического дюйма. Строго говоря, до сих пор собрать такое устройство традиционным методом — выполнить необходимые микродетали по отдельности, а затем соединить их в работающий агрегат — если не в принципе невозможно, то чрезмерно дорого и трудоёмко. Зато благодаря MEMS создать подобный мотор, да не один, а полную пластину-заготовку его клонов, на фотолитографическом станке — задача вполне достижимая и, более того, регулярно реализуемая.

Серийно выпускаемый MEMS-мотор с электростатическим приводом (источник: MNX)

По сути, изобретение способа массового изготовления транзисторов с резонирующим затвором во второй половине 1960-х положило начало рождению целой инженерно-производственной отрасли — микрообработке на поверхности (surface micromachining), что несколько отличается от микрообработки в объёме (bulk micromachining) — основы полупроводниковой фотолитографии. Во втором случае пластину-основу покрывают слоем фоторезиста, засвечивают через маску, смывают ненужные фрагменты светочувствительного вещества, протравливают на оставленных открытыми участках канавки определённой глубины, — т. е. продвигаются вглубь вещества подложки. MEMS-технология же подразумевает последовательное выборочное наращивание, а не удаление слоёв: на заготовку (которой, кстати, необязательно быть кремниевой) наносят материал, подвергаемый в нужных местах протравливанию (влажному — кислотой — либо сухому, с применением плазмы/ионной бомбардировки). После обработки поверхность покрывают новым слоем, на котором уже по другой маске формируют другие элементы конструкции, — и так, если требуется, до сотни уровней в высоту. В результате получаются сложные механические структуры — консольные балки, способные вращаться шестерни на осях, задвижки и многое другое.

В последние годы развивается альтернативное направление MEMS-технологии — создание микроэлектромеханических устройств аддитивными методами, с применением 3D-принтеров. Так, в мексиканском Университете штата Морелос (Universidad Autónoma del Estado de Morelos, UAEM) именно таким образом изготовили пьезоэлектрический микрозахват для удержания объектов с характерным размером менее 500 мкм и массой менее 1,4 г. Это, конечно, ещё не полнофункциональный манипулятор для автоматизированной сборки микромашинами наномашин, но ряд научных (и даже медицинских) применений у подобных устройств имеется уже сейчас. Понятно, что аддитивное производство по самой своей сути не может быть массовым. Однако — с учётом того, сколько времени занимает последовательное нанесение слоёв на пластину-заготовку в литографе, их экспонирование, смывка, протравливание и т. п., — по крайней мере для малосерийных партий 3D-печать MEMS может оказаться вполне адекватным решением.

Схематическое изображение, принцип работы и микрофото MEMS-захвата (источник: UAEM)

⇡#На слух, с листа

Как раз на 3D-печать сделала ставку команда разработчиков очередного сверхэффективного микрофона из Университета Стратклайда в шотландском Глазго. Группа под руководством Эндрю Рейда (Andrew Reid) заинтересовалась устройством тимпанального органа ночного мотылька — аналогичного барабанной перепонке высших животных, но отличающегося крайне высокой чувствительностью. При характерном размере около 0,5 мм этот орган позволяет мотыльку с завидной точностью определять направление звука в определённом диапазоне частот, причём больше всего насекомое «интересуют», конечно же, ультразвуки, издаваемые главными его истребителями — летучими мышами. Лучшие же созданные руками человека всенаправленные частотно-специфические звукоулавливатели (применяемые, к примеру, полицией, чтобы моментально определить, откуда послышался внезапный выстрел) со схожими характеристиками достигают в размерах полуметра. Испробовав несколько вариантов MEMS-производств с различными пьезоэлектрическими материалами, исследователи поняли, что такого рода производственным процессам недостаёт характерной для биологической мембраны упругости и структурной вариативности.

В итоге группа Рейда остановилась на 3D-печати, что и дало возможность преодолеть технологические ограничения довольно остроумным способом. В резиноподобном полимере, основном расходном материале 3D-принтера, был растворён метанол, который с той же самой синтетической резиной не в жидкой её фазе уже не взаимодействует. В процессе печати полимер отвердевает, и молекулы метанола в нём собираются в микрокапли, образуя тем самым поры по всей толщине (небольшой, разумеется) готового образца. За счёт полученной таким образом пористой, существенно неоднородной структуры синтетической мембраны интегрированные в неё пьезоэлектрические элементы — кристаллы оксида перовскита — получают возможность с высокой точностью позиционировать направление движения звуковой волны в определённом диапазоне частот (тогда как сильно отличные по частоте волны гасятся, рассеиваясь на порах), которую улавливающая её мембрана превращает в волну механического растяжения/сжатия. Существенный плюс такого рода электромеханического избирательного детектора звука — в том, что «вырезание» целевой части акустического спектра производится аналоговым способом, не требуя привлечения вычислительных мощностей и не создавая задержек сигнала.

Графическое пояснение принципа превращения почти любой поверхности в сенсорную с использованием MEMS-микрофона (источник: University of Michigan)

Впрочем, и классическое потоковое MEMS-производство вполне годится для решения задач, связанных с детальным и чётким звукоуловлением. Чем больше вокруг нас становится интерактивных дисплеев, чем крупнее их диагонали (а сегодня вслед за смартфонами со складными OLED-матрицами появляются уже аналогичные по конструкции ноутбуки), тем острее осознают часто набирающие текст люди, что размещение клавиатуры прямо на том же экране, на котором появляется текст, — не идеальный по эргономике вариант. Но носить с собой постоянно аппаратную клавиатуру тоже неудобно — вот и появляются время от времени диковины вроде лазерной проекционной клавиатуры или съёмной сенсорной клавиатурной панели. Алансон Сэмпл (Alanson Sample) с коллегами из Университета Мичигана в Анн-Арборе предложили оригинальный способ превратить в зону сенсорного ввода практически любую поверхность, используя поверхностные акустические волны. Для этого они взяли сравнительно крупные (2,65 × 3,50 мм) герметически закрытые звуковые датчики (voice pickup units, VPU), которые обычно применяются во вкладных наушниках и принимают звук, распространяющийся внутри головы говорящего — от голосовых связок к внутреннему уху. VPU серийно изготавливают как раз по MEMS-технологии — так что в данном случае не пришлось даже ничего изобретать на аппаратном уровне; требовалось лишь разработать ПО для анализа и интерпретации воспринимаемых датчиком звуков.

Всего лишь одного VPU, вмонтированного в опорную ножку ноутбука в ходе испытаний предложенной концепции, оказалось достаточно, чтобы улавливать движения пальцев пользователя по столешнице рядом — интерпретируя их с 97%-ной точностью как жестовые команды на прокручивание веб-страницы, двойное нажатие на кнопку и т. п. Два же таких датчика после должной калибровки наверняка позволят уверенно набирать тексты на клавиатуре, что напечатана, к примеру, на листке бумаги — а то и изображена красками/вышивкой на рукаве куртки или, допустим, клапане сумки. Жёсткость поверхности, как показали испытания, не является строго необходимым условием адекватной работы MEMS-датчиков, а это значит, что широта возможностей реализации сенсорных контрольных панелей отныне ограничивается лишь пределами воображения проектирующих их инженеров.

Типичный серийный MEMS-микрофон; карандаш — для масштаба (источник: VesperMEMS)

Ещё почти десять лет назад исследователи из IEEE предсказывали, что в обозримом будущем ультразвуковые MEMS-датчики буквально преобразуют общепринятую парадигму управления цифровыми устройствами — поскольку позволят фиксировать и точно интерпретировать мельчайшие движения кистей рук оператора. Аргументы приводились вполне основательные: в самом деле, щёлкнуть пальцами для начала воспроизведения музыки гораздо проще, чем произнести «Сири, включи музыку», а поднять согнутую перпендикулярно предплечью ладонь на десяток сантиметров — легче, чем сказать «Алекса, увеличь громкость!». Жесты, адекватно воспринимаемые высокочувствительными ультразвуковыми сенсорами, не привязаны к механическим (кнопки) или тактильным (тачскрины) интерфейсам и потому должны обеспечивать больший комфорт пользователю. А уж насколько проще окажется оперировать виртуальными объектами в AR/VR-мирах, если вместо контроллеров с кнопками, что нажимаются, по сути, вслепую, просто использовать кисти собственных рук! При этом применять ультразвуковые датчики для распознавания жестов выходит экономичнее, чем видеокамеры, да и ощущение постоянного присутствия «Большого Брата», пусть и цифрового, нравится далеко не всем пользователям оснащённых неотключаемыми камерами устройств.

Классический ёмкостный микромикрофон (если можно так выразиться) состоит из пары конденсаторных пластин, разделённых воздушным зазором — обычно не менее 1 мкм. Внешняя пластина, электрод, закрепляется на силиконовой мембране: именно физические колебания получившегося конденсатора подключённая цепь и преобразует в электрические сигналы. Кстати говоря, то же самое устройство может выступать и в роли динамика, если подаваемый на его входы переменный ток начнёт колебать мембрану, порождая тем самым звуковые волны, — именно потому, как мы уже отмечали, подобного рода системы чаще называют не звукоприёмниками (микрофонами) и не звукогенераторами (динамиками), а акустическими преобразователями (transducer).

Схемы ёмкостного и MEMS-преобразователей ультразвука; пояснения см. в тексте (источник: IEEE Spectrum)

MEMS-преобразователь — в отличие от ёмкостного — может быть с лёгкостью изготовлен фотолитографическим методом как раз потому, что в его конструкции воздушный зазор между слоями, прилегающими к мембране, отсутствует. Устройство использует обратный пьезоэлектрический эффект для излучения ультразвука — обычно в диапазоне 40-200 кГц, оптимальном для распространения акустических волн на расстояния порядка 1 м без существенного рассеяния. Чтобы формировать волны столь высокой частоты (и немалой амплитуды — иначе приёмник с трудом будет улавливать их отражения от предметов в фоновом шуме), мембране необходимо колебаться с размахом более 1 мкм. Ёмкостный преобразователь тут не годится просто потому, что доступная его мембране область колебаний физически ограничена тыльной пластиной конденсатора, — тогда как пьезоэлектрическое MEMS-устройство этого недостатка лишено. Чтобы реализовать такого рода акустический преобразователь, необходимо было разработать технологию получения тонких пьезоэлектрических плёнок путём осаждения паров формирующего их вещества, — и к середине 2010-х она уже появилась.

Пьезоэлектрические ультразвуковые MEMS-преобразователи (piezoelectric micromachined ultrasonic transducer, PMUT) находят сегодня множество приложений, и, хотя привычные интерфейсы для взаимодействия с вычислительными системами (включая голосовой) заменить им пока не удалось, может статься, как раз прогресс по направлению AR/VR будет способствовать более широкому их распространению.

⇡#Полезное твёрдое тело

Лидары — устройства для сканирования окружающего пространства на манер радаров, только с использованием более коротких волн (обычно ИК-диапазона), — можно найти сегодня буквально повсюду, от роботов-пылесосов до электромобилей с автопилотами третьего уровня и воздушных средств обнаружения лесных пожаров. Классическая конструкция лидара во многом копировала принцип работы собственно радара: чтобы луч закреплённого на установке лазера мог «ощупывать» окрестности, его перенаправляла нужным образом оптическая система с подвижными зеркалами. Для макрообъектов такой способ неплох, хотя и довольно затратен, — но что, если лидаром необходимо снабдить достаточно миниатюрное устройство? Уменьшение механических узлов поворота зеркал будет представлять собой недюжинную инженерную проблему.

Поверхность MEMS-лидара, устланная переключателями фокальной плоскости, под «объективом» сканирующего электронного микроскопа (источник: University of California)

На помощь разработчикам мини-лидаров пришли, как и следовало ожидать, технологии MEMS: не далее как в 2022 г. исследователи под руководством Мина У (Ming Wu) из знаменитого Университета Калифорнии в Беркли предложили лидар на основе массива переключателей фокальной плоскости (focal-plane switch array), своего рода аналога фазированной радиоантенной решётки — только для оптического и близкого к нему диапазона длин волн. Вместо того чтобы использовать, к примеру, микрозеркала для переотражения лазерного луча, каждая ячейка этого массива переключателей (не содержащего, к слову, ни единой подвижной детали — даже с микронными амплитудами смещения, как крохотные зеркальца на DLP-матрице) меняет фазу проходящего через неё светового потока заданным образом. В итоге результирующий лазерный луч за счёт явления интерференции сам собой, безо всяких зеркал и гибких световодов, меняет направление, сканируя пространство — в точности так же, как это делает радиолуч от фазированной антенной решётки. Подобный так называемый твердотельный лидар (solid-state lidar), содержащий 16 384 пиксела (в массиве 128 × 128), занимает довольно-таки малую площадь — 110 мм², — и изготавливается, конечно же, по технологии MEMS. Обладая полем зрения примерно в 70°, устройство обеспечивает разрешение около 1,7 см на дистанции 10 м, сканируя пространство с частотой 100 кГц. В дальнейших планах исследователей из Беркли — уменьшить размеры отдельной ячейки лидарного чипа с нынешних 55 × 55 мкм до 10 × 10 мкм, а количество пикселов на том же кристалле увеличить до 1 млн.

Впрочем, и в радиодиапазоне работы для MEMS-технологий — непочатый край. Практически все современные цифровые устройства с радиофункциональностью — будь то сотовые модемы, адаптеры Wi-Fi, ZigBee или какие-либо ещё — действуют отнюдь не на одной длине волны и, более того, должны уметь оперативно переключаться между различными частотными диапазонами. Для маршрутизации радиочастотных сигналов между несколькими доступными трактами служат РЧ-коммутаторы (RF switch), перечень требований к которым у инженеров достаточно велик: это и минимальное, практически нулевое сопротивление в режиме «Вкл.», и фактически полная блокировка проходящего сигнала в режиме «Выкл.», и миниатюрность габаритов, и функциональная долговечность (значительное число циклов срабатывания), и простота/дешевизна изготовления… Да; и, разумеется, готовность к работе с высокочастотными сигналами вплоть до сотен гигагерц с нулевыми искажениями. Требовать так требовать!

Под чёрным квадратным корпусом в центре пластины скрываются целых шесть радиочастотных MEMS-переключателей, каждый из которых замыкает/размыкает свою пару контактов (источник: Menlo Micro)

До начала эры микроэлектроники всем этим запросам разом (за исключением разве что миниатюрности) удовлетворяли электромеханические релейные переключатели: контакт крепится на подпружиненном коромысле, под которым расположен электромагнит; при подаче тока магнит притягивает коромысло, и контакт замыкает цепь; тока нет — размыкает. Технологии MEMS позволяют воспроизвести тот же простой и надёжный подход на микроуровне: подача напряжения на миниатюрный контур создаёт электростатическое поле, притягивающее коромысло с контактом, — и цепь замыкается. Собственно, главной инженерной задачей при разработке MEMS-радиокоммутаторов (RF MEMS switch) становится подбор такого металла или сплава, который выдерживал бы миллиарды циклов изгиба (поскольку миниатюрное коромысло-актуатор само себе служит пружиной) и распрямления. Задачу эту инженеры успешно решают, что позволяет даже в таких массовых гаджетах, как смартфоны или элементы Интернета вещей, переходить от полупроводниковых радиочастотных переключателей к MEMS-коммутаторам. И получать тем самым значительный выигрыш в энергопотреблении, избавляясь от множества помех, порождаемых неполной изоляцией других доступных частотных диапазонов при выборе более традиционным переключателем лишь одного. Особенно это важно при высокочастотном радиообмене в сетях 5G, а в не такой уж отдалённой перспективе — и 6G.

Для чего ещё может пригодиться MEMS-технология? Например — для выпуска микроскопических барометров, точнее сказать, датчиков атмосферного давления. Действуют они по тому же пьезоэлектрическому принципу, что и акустические преобразователи, и широко применяются для оснащения портативных погодных станций. Можно, однако, пойти ещё дальше — и сымитировать с использованием MEMS-барометров сверхчувствительные вибриссы, что помогают, в частности, млекопитающим хищникам обнаруживать бесшумные (но всё равно порождающие колебания воздуха) перемещения добычи. Исследователи из Университета Квинсленда, что в австралийском Брисбене, создали такого рода сенсор, предназначенный прежде всего для сверхкомпактных дронов — не только летающих, — которым необходимо простое и надёжное средство предотвращения столкновений с препятствиями и друг с другом (при действиях в составе роя).

Простой и остроумный шаг — добавление пластиковой антенны на MEMS-барометр — кратно увеличил чувствительность датчиков воздушного давления (источник: University of Queensland)

Оборудовать каждый такой дрон видеокамерой или даже ультразвуковым датчиком, которые требуют последующего анализа и интерпретации полученных данных, т. е. определённой вычислительной мощи, — значит заведомо ограничивать габариты дрона снизу как минимум десятками миллиметров. Австралийские инженеры взяли простые серийные MEMS-барометры и укрепили на каждом из них по искусственной вибриссе — затвердевшей нитке из предварительно расплавленного ABS-пластика. Конструкция самая тривиальная и чрезвычайно дешёвая — зато силовая чувствительность усиленных такими «антеннами» датчиков моментально подскочила до 3,3 мкН. Это означает, что, держа новоизобретённый сенсор на вытянутой руке, экспериментатор способен с его помощью ощущать движение воздуха, создаваемого своим же собственным дыханием. Дальше — дело техники: электрический контур, который сбрасывает обороты микромотора дрона при поступлении сигнала опасно высокого уровня от MEMS-барометра, нацеленного по ходу его движения, реализовать совсем не сложно, — а безопасность миниатюрного автономного устройства это повысит самым значительным образом. Более того, оснащённый искусственными вибриссами робот одинаково успешно будет избегать столкновений на свету и в темноте, в запылённом и загазованном помещении, — что ощутимо расширяет потенциальную сферу его применения.

⇡#Заряжай!

Остаётся, конечно, вопрос: а откуда будут брать энергию для движения эти самые микродроны? Ответ на это также даёт MEMS-технология: уже несколько лет учёные из Токийского института технологий разрабатывают вибрационные электретные энергонакопители (energy harvester) именно на её базе. Собственно, для преобразования механической энергии колебаний в электрическую давно известны три основных способа: электромагнитный, электростатический и пьезоэлектрический. Японские исследователи сделали ставку на электростатику, поскольку для низкочастотных колебаний КПД такого метода в среднем повыше, чем для двух остальных. Принципиальная же новизна их подхода заключается в разнесении на соседние подложки (и, соответственно, раздельное изготовление на этих подложках) переменного конденсатора и электретного накопителя — тогда как прежде аналогичные MEMS-устройства выполнялись на едином кристалле. Основой всей конструкции в данном случае становится электрет — в некотором роде аналог постоянного магнита, но в приложении к электрическому взаимодействию: такой материал способен долгое время сохранять электрический заряд после того, как накопил его, находясь в электрическом поле.

Принцип действия электретного накопителя энергии: традиционного (слева) и предложенного японскими инженерами чиплетного (источник: Tokyo Tech)

Электретная пластинка в этой разработке Яманэ Дайскэ (Yamane Daisuke) с коллегами из Токийского института технологий (Tokyo Tech) используется в собственно накопителе заряда, тогда как движение заряженных частиц создаётся в переменном конденсаторе. Последний образован фиксированным и подвижным электродами, причём подвижный — подпружиненный — также создаётся по технологии MEMS: он, собственно, и реагирует физически на колебания всей конструкции. Два электрода (один из которых то и дело движется, меняя эффективную ёмкость своего узла) образуют переменный конденсатор, в котором фиксированный электрод соединён с одной из пластин внешнего накопителя, примыкающей к электрету, а подвижный — через полезную нагрузку — с другой.

Принцип работы устройства несложен: если в ходе перемещения подвижного электрода ёмкость переменного конденсатора становится выше, чем у электретного накопителя, заряды приходят в движение — и собираются в первом. Если же ёмкость переменного конденсатора ниже, заряды текут в обратном направлении — в электретный накопитель. В результате через полезную нагрузку проходит переменный ток — причём значительно более сильный, чем если формировать по MEMS-технологии классическим способом на единой подложке и электретный накопитель, и переменный конденсатор. Причина в том, что технологические процессы для изготовления того и другого на единой пластине-заготовке обязаны быть совместимыми, — а это заметно ограничивает выбор эффективного электретного материала. Использование же, по сути, чиплетного подхода развязывает в этом смысле инженерам руки.

Наноэлектромеханические переключатели в составе электрического контура, вид сверху (источник: University of California)

Энергия MEMS-устройствам, кстати, тем нужнее, чем больше они полагаются на классические полупроводниковые структуры для организации необходимых в ходе их деятельности вычислений, пусть даже самых простых. Транзисторы — устройства довольно-таки энергоёмкие: на микро- и тем более нанометрической шкале механические переключатели (на которых строится, к примеру, пока что гипотетическая дрекслеровская «штоковая логика») оказываются куда более экономичными. В одной из лабораторий Университета Калифорнии в Беркли под руководством профессора Цзучжэ Кэн Лю (Tsu-Jae King Liu) создан как раз не микро-, а наноэлектромеханический переключатель, для активации которого необходимо напряжение всего в 50 мВ — примерно в 15 раз меньше, чем для обеспечения работы сопоставимого по размерам транзистора (правда, и срабатывает механическая система на 2-3 порядка медленнее). Мало того: для активации КМОП-транзистора необходимо прикладывать напряжение не ниже строго определённого порогового. Чем миниатюрнее полупроводниковая вычислительная система, тем опаснее приближается её рабочее напряжение к этому порогу сверху, что провоцирует спонтанную утечку зарядов через вроде бы наглухо закрытый затвор — и тем самым дополнительно повышает расход энергии.

NEMS-переключатель (N, nano, вместо M, micro) представляет собой тонкую почти квадратную металлическую платформу на пружинной подложке. Прилагаемое напряжение притягивает платформу к основанию, в результате чего она замыкает подходящие снизу контакты — и через данный участок цепи проходит ток. Достаточно убрать напряжение, чтобы пружина вернула платформу в неактивное состояние и ток прекратился. При кажущейся тривиальности идеи реализовать её на наноразмерной шкале (глубина хода платформы не превышает 50 нм), да ещё и в ходе массового литографического производственного процесса, не так-то просто. В 2013 г. на базе ранних прототипов NEMS-переключателей, которые на том этапе разработок относились ещё, строго говоря, к MEMS, был реализован 32-разрядный сумматор, — и за минувшее десятилетие существенного прогресса в этом направлении (по крайней мере, по материалам открытой печати) не видно. Зато есть подвижки на параллельном, если так можно выразиться, пути — в создании нанопереключателей на основе материалов с фазовым переходом.

Кстати, если такой шоколад подтает вследствие неправильного хранения, микроструктура на его поверхности разрушится, — что обеспечивает объективный и практически даровой контроль качества продукта (источник: ETH Zurich)

Впрочем, если говорить о пополнении запасов энергии, то для MEMS-продуктов есть и куда более аппетитное с точки зрения широкой публики применение, а именно — «раскрашивание» (точнее, изменение свойств поверхности) шоколадной плитки так, чтобы та переливалась всеми цветами радуги, словно крылышко тропической бабочки. Собственно, и метод здесь используется тот же самый, что избрала природа в случае бабочек, — структурная окраска за счёт интерференции световых волн, отражающихся от поверхностей с упорядоченной микро- или наноструктурой. Фотолитография, используемая для создания MEMS, отлично подходит как раз для формирования таких поверхностей, а шоколад в силу своей пластичности вполне готов образовывать выступы и впадины в десятки и сотни нанометров — была бы только изготовлена соответствующая форма для отливки. Именно такую форму и разработали в конце 2019 г. исследователи из Швейцарской высшей технической школы Цюриха, опираясь на опыт разработки серийных MEMS-устройств для производственной компании AMFitzgerald. Главное достоинство с потребительской точки зрения — это отсутствие каких бы то ни было красителей для получения столь броского, впечатляющего эффекта. По тому же самому принципу можно «окрашивать» и поверхности других повседневных объектов, не обязательно сделанных из шоколада, — правда, серьёзного импульса дальнейшему развитию MEMS-технологий подобная активность не придаст: здесь вполне достаточно уже достигнутых ею высот.

⇡#Дотянуться до грядущего

Для изготовления устройств по технологии MEMS можно применять довольно широкий спектр материалов — что, в свою очередь, открывает перед исследователями такие возможности, о которых они порой исходно и не задумывались. Наглядный тому пример — наноустройство-трансформер, демонстрационный прототип которого невзначай получили в своей лаборатории Хавьер Санчес-Ямагиси (Javier Sanchez-Yamagishi) с коллегами из Университета Калифорнии в Ирвине. MEMS-системы и ранее могли включать подвижные части — только вот формировались эти динамические структуры довольно прямолинейным копированием своих макроскопических аналогов: шестерёнка на оси, коромысло на опоре и т. п. В данном же случае никаких подвижек от изучаемой структуры исследователи не ожидали: они просто поместили два золотых контакта на подложку из вандерваальсова материала (составленного из тончайших плёнок графита, гексагонального нитрида бора и иных схожих структур с плоскими атомными решётками, которые удерживаются вместе за счёт дипольных сил межатомного/межмолекулярного взаимодействия; собственно, вандерваальсовых).

Подача напряжения на золотые электроды заставляет их смещаться по подложке из вандерваальсовой плёнки (источник: University of California, Irvine)

Связи, возникающие между молекулами и/или атомами благодаря силам Ван-дер-Ваальса, — одни из наиболее слабых во всём спектре химических взаимодействий. По этой причине две сверхтонкие (предпочтительно — ровно в один атом толщины, т. н. двумерные) плёнки с подходящей конфигурацией диполей, сложенные вместе, изрядно притягиваются одна к другой за счёт большой площади взаимодействия. Зато сторонний объект, соприкасающийся с этим сэндвичем на относительно небольшой площади, будет скользить по его поверхности с минимальным сопротивлением (трением). Именно этот эффект проявился, когда группа Санчеса-Ямагиси поместила на подложку из вандерваальсовых плёнок нанометровые в поперечнике золотые контакты с подведёнными к ним проводами. В зависимости от того, разноимённые или одноимённые заряды накапливались на почти соприкасавшихся контактах, энергия электрического поля превращалась в механическую — и контакты либо физически притягивались один к другому (скользя по вандерваальсовой подложке почти без сопротивления и вытягивая подведённые к ним нанопровода), либо отталкивались.

Обнаруженный эффект открывает возможность для создания уже не микро-, а наноразмерных MEMS (тех самых NEMS), способных к динамической реконфигурации — изменению взаимного расположения своих частей под воздействием управляющих сигналов. Исследователи в настоящее время (их публикация датируется апрелем 2023-го) работают над тем, чтобы ещё более снизить трение на вандерваальсовом слое «сухой смазки», — минимизировав необходимую для реконфигурации микроэлектромеханических систем энергию. Удастся ли в итоге именно таким путём подойти к созданию подлинно «умной пыли»? Пока говорить со всей определённостью об этом рано, но направление это безусловно заслуживает внимания.

Ещё один — и даже, пожалуй, более неожиданный — подход к теме микромеханических систем продемонстрировали лауреаты Шнобелевской премии (Ig Nobel Prize) 2023 г. в области механического инжиниринга, обозначившие не много не мало — целую новую отрасль в инженерном деле: некробиотику (necrobotics), сиречь применение когда-то бывших живыми биологических существ (либо их фрагментов) для создания роботизированных систем. Строго говоря, человечество давно практиковало использование костяных наконечников для стрел и копий, а тетивы луков делало из жил, например, но до самых недавних пор ограничивалось собственноручной эксплуатацией полученного от мёртвых животных биологического материала. Коллектив же самопровозглашённых пионеров некробиотики предложил применять в качестве именно роботизированных микроскопических пневмозахватов — скромных габаритов и массы, но с очень солидным усилием удержания — предварительно убитых заморозкой пауков.

Некробиотический микрозахват — своими руками! (Источник: Advances Science)

Электромеханические либо пьезоэлектрические MEMS-захваты (вроде той разработки исследователей из UAEM, о которой упоминалось в начале настоящего материала) по большей части копируют свои макроскопические прототипы: в исходном положении они раскрыты, а для сведения удерживающих элементов и собственно захвата некоего предмета необходимо прикладывать внешнее усилие — за счёт микромотора, пьезоэлемента или иного устройства. Конечности паука, напротив, в исходном (расслабленном) состоянии сведены вместе — за счёт особых эластичных и прочных мембран в пателлофеморальном сочленении (между «бедром» и «голенью», грубо говоря, — будем надеяться, читающие эту статью энтомологи не взовьются в праведном гневе, углядев подобное упрощение). Шнобелевские лауреаты внедрили в головогрудь подвергнутого эвтаназии паука иглу, зафиксировали и одновременно герметизировали соединение каплей клея — и тем самым, по сути, превратили тело членистоногого в захват, пригодный для управления в том числе и роботом.

Достаточно повысить внутреннее давление в трупике паука через поршень, соединённый с иглой, — и конечности раскроются. Сразу же после снятия давления пателлофеморальные мембраны постараются вернуть ноги в исходное положение — в результате объект, помещённый между конечностями, окажется захвачен. Собственно, живой паук точно так же — повышением давления (только не воздуха, а внутренних жидкостей) в головогруди, а вовсе не мышечным усилием — распрямляет свои конечности. Некробиотический пневмозахват оказался способен удерживать объекты с массой, на 30% превышающей его собственную, продемонстрировал максимальную силу сжатия 0,35 мН и до появления первых признаков критического износа проделал более 700 циклов раскрытия-сжатия. Группа изобретательных инженеров экспериментировала с пауками-волками (семейство Lycosidae), широко распространёнными по всей территории земного шара, за исключением разве что Антарктиды, — так что, если их подход найдёт многочисленных последователей, за материалом дело не станет.

Поворотная MEMS-петля, изменение натяжения пружин которой приводит к отклонению от горизонтальной плоскости микрозеркала, — его краешек виден справа (источник: Bacteria-World)

Впрочем, вряд ли стоит рассчитывать на органичную интеграцию новоявленной некробиотики в структуру микроэлектромеханики как инженерной дисциплины. Скорее, указанный шнобелевскими лауреатами неожиданный путь подвигнет других изыскателей в области MEMS на поиск нерядовых технических решений — и для реализации микрозахватов, и для создания иных элементов миниатюрных машин. В конце концов, подражание конструкциям, в ходе эволюции возникшим у живых существ, — одно из магистральных направлений технического прогресса.

Да, самолёты и вертолёты не используют в точности те же маховые движители, что птицы и летучие мыши, например, но определённый толчок к развитию авиации наблюдение за летающими существами дало. Точно так же и микроскопические членистоногие — не только пауки, но и клещи и тихоходки (хотя последние лишь родственны настоящим членистоногим) — вполне способны вдохновить разработчиков MEMS на новые идеи по созданию ультракомпактных машин, способных к автономному перемещению и выполнению достаточно сложных задач. Нельзя исключать, что именно на этом пути будет однажды найден способ создания по-настоящему умной пыли, — но это пока ещё дело достаточно отдалённого будущего.

Материалы по теме

Швейцарцы показали замену подводным интернет-кабелям — лазер со скоростью до 1 Тбит/с на канал.

Российские и английские учёные впервые изучили кремниевые панцири водорослей — это пригодится в кремниевой фотонике, MEMS и не только.

Японцы придумали усилитель для сбора энергии от вибраций при ходьбе — о зарядке гаджетов можно будет забыть.

Представлены первые в мире беспроводные наушники с кремниевыми динамиками: мизерные искажения и широкий диапазон.

Как Билл Гейтс собирается чипировать человечество, и почему у него ничего не получится.