V tej objavi na blogu bomo na preprost način razložili koncept mikroelektromehanskih sistemov (MEMS) in njihove ključne postopke izdelave – litografijo in jedkanje.
Od risanke do resničnosti: drobni stroji so povsod okoli nas
Vsak, ki je gledal »Čarobni šolski avtobus«, se bo spomnil otrok, ki so se učili o znanosti med vožnjo z avtobusom, ki je lahko poljubno spreminjal velikost. Še posebej je prizor v epizodi »Raziskovanje človeškega telesa«, kjer se šolski avtobus skrči na neskončno majhno velikost, da bi potoval znotraj človeškega telesa in razložil njegovo znanost, ujel domišljijo mnogih.
Vendar je to znanstvenofantastično domišljijo težko odpisati kot popolnoma nerealno. Danes inženirji dejansko izdelujejo mehanske strukture, ki so tako majhne, da si jih je težko predstavljati, zato se ultrafini senzorji pogosto uporabljajo v vsakdanjih napravah, kot so pametni telefoni.
Na primer, merilniki pospeška zaznavajo nagib in gibanje mobilnega telefona, zaradi česar so mobilne igre in prehodi med zasloni bolj dinamični, medtem ko magnetni senzorji uporabljajo Zemljino magnetno polje za določanje lokacije in zagotavljanje navigacije prek zemljevidov. Zaslone na dotik lahko razumemo tudi kot destilacijo senzorske tehnologije.
Kaj je MEMS: Splošni izraz za ustvarjanje drobnih strojev
MEMS je kratica za mikroelektromehanski sistemi in je splošen izraz za različne proizvodne procese, ki se uporabljajo za ustvarjanje mehanskih struktur v velikosti mikrometrov (μm). Čeprav se ime sliši zapleteno, se v bistvu nanaša na skupek proizvodnih tehnologij, ki ustvarjajo običajne mehanske naprave v veliko manjšem obsegu.
Komercialno dostopni mikrosenzorji so običajno veliki od nekaj mikrometrov do nekaj deset mikrometrov (μm). Glede na to, da je človeški las debel približno 60 μm, lahko začnemo razumeti, kako majhne so naprave MEMS.
Materiali, ki se uporabljajo predvsem pri izdelavi MEMS, vključujejo kovine in polprevodnike (zlasti silicij). Čeprav se uporabljeni postopki in materiali zelo razlikujejo glede na namen naprave in zahtevano zmogljivost, sta za skoraj vse postopke temeljni dve tehnologiji: litografija (optično oblikovanje) in jedkanje (postopek oblikovanja materialov z odstranjevanjem materiala).
Litografija in jedkanje: postopek izdelave, pojasnjen z analogijo grafike
Litografijo je lažje razumeti, če si jo predstavljamo kot grafiko. Tako kot obstaja postopek risanja skice na lesen blok pred tiskanjem, je litografija podobna fazi risanja obrisa vzorca, ki ga je treba ustvariti, na silicijevo rezino.
V tem kontekstu svetloba deluje kot »svinčnik«. Svetloba je sestavljena iz delcev, imenovanih fotoni. Ko svetloba posveti na silicijev rezin, prevlečen s fotoobčutljivim materialom, imenovanim fotorezist, se fizikalne lastnosti območij, izpostavljenih svetlobi, spremenijo, kar omogoča oblikovanje vzorca želene oblike. Leče se uporabljajo za zmanjšanje prvotnega vzorca na mikroskopsko velikost in njegovo projiciranje na rezino, medtem ko se pozicioniranje vzorca izvaja natančno z uporabo mehanizmov samodejnega ostrenja in računalniškega krmiljenja.
Ko je obris (vzorec) končan, se postopek nadaljuje z jedkanjem, fazo, kjer se material dejansko odstrani. Tako kot gravirni nož pri tisku izrezuje različne oblike v ploščo, se pri jedkanju uporabljajo različne vrste "nožev". Ena najbolj reprezentativnih metod je reaktivno ionsko jedkanje (RIE).
Pri RIE se plazemski ioni usmerijo na želeno mesto in trčijo v površino silicija; material se nato odstrani s kemičnimi in fizikalnimi reakcijami med ioni in atomi silicija. Z jedkanjem plast za plastjo na ta način nastanejo tridimenzionalne mikrostrukture.
Tako kot tiskanje na papir ustvari dvodimenzionalno delo, ima tudi sama matrica debelino in občutek globine. Matrica (struktura na rezini), pridobljena s postopkom MEMS, je tridimenzionalna in ta matrica tvori samo jedro različnih senzorjev in mikromehanskih naprav.
Čeprav litografija in jedkanje tvorita osnovo za izdelavo MEMS, tako kot obstajajo različne vrste ploščnih materialov in "rezbarskih orodij", se uporabljajo številni dejanski postopki in različice. Končna naprava je dokončana s kombinacijo številnih nadaljnjih postopkov, kot so nanašanje, dopiranje in kemično-mehansko poliranje.
Trenutno stanje in obeti: Izziv manjšega sveta
Tudi v tem trenutku si nešteto raziskovalcev in inženirjev prizadeva, da bi bila tehnologija MEMS natančnejša in učinkovitejša. Zahvaljujoč njihovim raziskavam se tehnologija širi onkraj senzorjev, ki jih najdemo v pametnih telefonih, v široko paleto aplikacij.
V ne tako oddaljeni prihodnosti ne moremo izključiti možnosti, da bodo tehnologije, kot so miniaturni roboti – ki se, tako kot »skrivnostni šolski avtobus«, prosto gibljejo po krvnih žilah, da bi diagnosticirali bolezni ali pomagali pri zdravljenju – postale resničnost. Napredek v MEMS procesih je ključ do pretvorbe takšnih domišljij v dejanske naprave.
Skratka, MEMS ni zgolj »stroj, narejen v majhnih dimenzijah«, temveč temeljna tehnologija, ki omogoča delovanje številnih elektronskih naprav, ki jih uporabljamo v vsakdanjem življenju. Razumevanje osnovnih procesov, kot sta litografija in jedkanje, nam bo omogočilo boljše razumevanje inženirske čarovnije, ki se odvija v ultramikro svetu.
