Введение к работе
Актуальность темы. Микросистемная техника (МСТ) за короткий срок стала одним из признанных направлений высоких и критических технологий на рубеже 20-го и 21-го веков. Большой интерес со стороны научного сообщества и весомая государственная поддержка в большинстве развитых стран зарубежья позволили МСТ быстро пройти путь становления и, преодолев «критическую массу», стать научно-техническим направлением, с которым связывают будущее многих традиционных сфер деятельности. Автономные микросистемы (МС), прежде всего микророботы, должны существенно изменить взгляды на применение технических средств в области производства, медицины, охраны здоровья человека и экологии. Широкое использование МС в военной сфере может привести к ревизии сложившихся представлений о характере боевых действий, способов охраны и контроля объектов, разведки и предотвращения диверсионной деятельности противника.
Уже в настоящее время бурно развивается направление «встроенных» МС. Будучи включенными в макросистему, они существенно повышают ее эксплуатационные характеристики без повышения цены, а зачастую и снижают ее. Роль МС как своеобразного интерфейса между макро- и микротехникой особенно возрастает с появлением нанотехнологии. В этом случае МС обеспечивают контакт с объектами нанотехники.
Терминология в МС области техники пока не стандартизирована.
Наиболее понятной является классификация МС по направлениям
применения (вычислительная техника, телекоммуникации, автомобильный
транспорт, космическая техника, медицина и т.д.). Наличие определяющих
конструктивных элементов МС позволяют ввести в их классификацию
признаки конструкции. Наиболее применимым стал термин
«микроэлектромеханические системы», - МЭМС. В более широком плане,
включающем производственное применение микрофлюидных устройств,
можно говорить о классе МС - Микро-Флюидные МЭМС (МФ МЭМС).
Латинское слово fluidus означает «текучий», поэтому МФ МЭМС могут
работать с двумя видами рабочих сред: -.жидкостями и газами. В
дальнейшем мы будем применять термин МФ МЗМЗДявдадїйЙПРЗботьі с
микрообъемами жидких сред. t ^Дп«ц 1
Микросистемная технология рождалась на базе применения различных видов микрообработки материалов. В случае МЭМС одним из широкоприменяемых материалов стал кремний, а методом микрообработки - полупроводниковые технологии. В работе [I] указывалось на возможность использования имеющегося в России оборудования для трансфера технологий микроэлектроники в область микросистем. При этом открывалась возможность изготовлять на этом оборудовании не образцы устаревших поколений интегральных микросхем, а современные микросистемы.
Целый ряд российских научно-производственных организаций исследовал различные виды поверхностной и объемной обработки кремния и применил их на практике для создания различных типов МЭМС (НПК «Технологический центр» МИЭТ, ОАО «Микрон», ОАО «Ангстрем» и др.) В основном это были датчики различных физических величин, которые стали выпускаться в значительном количестве. Однако, применимость технологий обработки кремния для МФ МЭМС систематически не была исследована.
Актуальность такого исследования заключается прежде всего в возможности создания на базе МФ МЭМС аналитических устройств массового применения для рутинных и исследовательских био- и химических анализов в медицине, фармакологии, контроле за состоянием производственных сред и среды обитания человека, выявления малых доз опасных химических и биологических веществ (взрывчатые вещества, наркотики, химическое и бактериологическое оружие и т.д.).
С другой стороны требования, вносимые средой аналита, к материалам и конструкциям МФ МЭМС должны быть оценены для кремния и, более того, адаптированы к условиям конкретного производителя, уровню технологии, который он имеет.
Цель диссертационной работы - разработка и комплексное исследование основных элементов «полупроводниковых» МФ МЭМС и способов конструирования систем на их базе; оценка технологических возможностей российского кремниевого производства на примере производственных линеек НПК «Технологический центр» для создания МФ МЭМС исследование технологических маршрутов изготовления элементовиихсборкивМФ МЭМС.
Научная новизна результатов. полученных в настоящей диссертационной работе, заключается в следующем:
-
Впервые получены результаты комплексного исследования основных компонентов кремниевых МФ МЭМС, позволяющие оценить их критические параметры, влияющие на работоспособность системы.
-
Показана зависимость выбора объемной или поверхностной микрообработки кремниевых элементов МФ МЭМС от типа актюатора микронасоса (МН) и микродозатора (МД), размеров камер и каналов.
-
Установлена определяющая роль жесткости мембраны упруго-электростатического актюатора микродозаторов и предложен принцип регулирования жесткости мембраны за счет создания жесткого центра.
Практическая значимость.
-
Разработана методика выбора последовательности этапов разработки и проектирования МН и МД.
-
Предложены варианты технологий поверхностной и объемной микрообработки кремния для изготовления отдельных компонентов (каналы, клапаны, мембраны) и МФ МЭМС в целом.
3. Созданы макеты установок для измерения и контроля параметров
МН и МД.
4. Обоснован выбор рабочих характеристик электростатических МН и
МД на основе матриц значений «электростатической» жесткости
конструкций.
Реализация результатов работы.
Разработанные и изготовленные компоненты МФ МЭМС переданы в опытную эксплуатацию в МГУ им.Ломоносова, Институт молекулярной биологии им. В.А.Энгельгарта, научно-производственную фирму аналитического приборостроения «Люмекс».
На защиту выносятся:
-
Методика выбора последовательности этапов разработки и проектирования МН и МД.
-
Результаты оценочных расчетов параметров компонентов МФ МЭМС.
-
Результаты экспериментальных исследований конструкций и технологии изготовления МФ компонентов и их сборки в блоки МФ МЭМС. Методы экспериментального определения параметров МН и МД.
4. Технологические маршруты изготовления компонентов МФ МЭМС и их сборки в систему.
Апробация работы. Основные положения и результаты
диссертационной работы представлены на конференциях:
1. Десятая всероссийская межвузовская научно-техническая
конференция студентов и аспирантов. Микроэлектроника и информатика. -2003. - Зеленоград. 2. Международная конференция Micro- and nanoelectronics. - 2003. - Москва-Звенигород. 3. SEMI ExpoCIS 2003. 4. Девятая международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники», ПЭМ-2004, сентябрь 2004.
Публикации.
Основные результаты отражены в четырех статьях, трех тезисах докладов на научно-технических конференциях и двух отчетах по НИОКР.
Структура и объем диссертации.