Весь современный хайтек, будь то робототехника или новые технологии в медицине, авиация или системы вооружений, опирается на двух «китов»: программное обеспечение и новые материалы с их необыкновенными свойствами и фантастическими возможностями. И прогресс в области «харда» зачастую не менее впечатляющ, чем достижения разработчиков «софта».

Аббревиатура МЭМС — микроэлектромеханические системы — давно вошла в инженерно-конструкторский обиход. Под МЭМС обычно подразумеваются устройства, которые соседствуют с интегральными микросхемами, работают под их управлением, но заняты не вычислениями, а взаимодействием с физическими проявлениями окружающей среды. Это могут быть датчики или микроскопические актуаторы, они же исполнительные механизмы.

Идея есть — нужны технологии

Как правило, МЭМ-приборы реализуют на подложках из жесткого материала (кремний, стекло и т. п.). Однако во многих областях уже давно возникают задачи, требующие установления датчиков, исполнительных устройств или электронных схем на поверхностях объектов сложной формы, например на человеческом теле, для чего необходимо применение гибких (конформных) подложек. В этой связи можно упомянуть тактильные датчики, фиксируемые на пальце или в каком-либо другом месте руки. Еще один пример — измерение распределения давления, касательного механического напряжения или иной физической величины на неплоской поверхности, когда требуется, например, контролировать в реальном времени течение жидкостей или газов и управлять ими. МЭМ-датчики на гибкой подложке получили название МЭМ-обшивки (MEMS skin). Такая «умная кожа» в будущем сможет отслеживать, к примеру, параметры обтекания крыла набегающим потоком и слегка изменять форму аэродинамической плоскости с целью снижения лобового сопротивления.

Звучит все это заманчиво и перспективно, но на самом деле далеко не все вопросы материального воплощения таких интеллектуальных конструкций решены и простора для конструкторской мысли в этой области предостаточно.

В правой колонке показаны примеры создания «островков» с помощью разных технологий травления кремния. Травление кислотами оставляет округлую выемку и хрупкие края «островков». Более эффективно анизотропное (учитывающее кристаллографические направления материала) травление, образующее сходящиеся стенки. Нижний рисунок показывает сочетание анизотропного с реактивно-ионным травлением, что создает наиболее оптимальную форму «островков». В левой колонке показаны профили разных видов «умной обшивки», где многослойный «сэндвич» подвергается травлению с обеих сторон с помощью сочетания разных технологий.

Для изготовления миниатюрных гибких конструкций, сочетающих в себе электронно-вычислительные и электронно-механические микроприборы, разработано несколько методов. Самый очевидный — формирование нужного набора устройств непосредственно на гибкой подложке по аналогии с изготовлением тонкопленочных транзисторов на подложке из пластика, полимера или металла. Этот подход не требует значительных затрат и позволяет получать структуры большой площади. Но есть одно «но»: гибкие подложки очень чувствительны к высоким температурам, и если технология нанесения «кожи» предполагает нагрев, то всю конструкцию можно испортить. Непригодны здесь и технологии изготовления измерительных преобразователей с применением высокотемпературных процессов и жестких материалов, таких как монокристаллический кремний. Более того, в таком случае может оказаться невозможным и формирование электронных схем с использованием обычных промышленных технологий. А схемы новых технологий на основе аморфного кремния и электропроводящих полимеров, несмотря на большой объем исследований в данной области, не смогут в обозримом будущем сравняться по степени интеграции и рабочим характеристикам со схемами на монокристаллическом кремнии.

Еще одна проблема, стоящая перед разработчиками МЭМ-обшивок, это влияние механического напряжения, возникающего при изгибе подложки. Одно дело, когда подложка имеет вид гибкого листа, а другое — когда она нанесена на некую искривленную поверхность. В этом случае на сгибах могут возникать трещины, причем не только в самом материале подложки, но и в активных элементах, что вряд ли благоприятно отразится на их работоспособности.

Сэндвич для модулей

Свой весьма перспективный вариант технологии создания «умной кожи» предложили в лаборатории размерной микрообработки (Micromachining Lab) Калифорнийского технологического института (California Institute of Technology). Новый метод изготовления МЭМ-обшивок с размещением МЭМ-приборов и интегральных схем на подложке из кремния выглядит следующим образом. Вначале всю схему монтируют обычным образом на общей кремниевой пластине. Затем поверхность пластины покрывают слоем полимера, в котором выкраивают места для металлических контактных площадок, а при необходимости и для самих МЭМ-приборов и интегральных схем. После этого уменьшают толщину пластины с ее нижней стороны и формируют матрицы из кремниевых «островков». Это делается путем селективного протравливания с нижней стороны глубоким реактивным ионным травлением. Последняя операция — герметизация кремниевых «островков» снизу и опять же путем нанесения слоя полимера. В итоге получается некий сэндвич из двух слоев гибкого полимера, внутри которого находится разбитая теперь на микромодули пластина. Разумеется, «островки» сохраняют связь между собой. Важно, что микромодули остаются достаточно жесткими, что исключает воздействие на них механических напряжений при изгибах МЭМ-обшивки. Вместе с тем «островки» очень малы и на гибкость обшивки не влияют. Самое важное достоинство рассматриваемого метода — совместимость с современными технологиями производства МЭМ-приборов и интегральных схем, поскольку они формируются на кремниевой пластине еще до начала изготовления собственно обшивки. Это позволяет легко использовать отработанные решения из области кремниевой микросхемотехники датчиков и вычислителей.

С помощью данного метода, например, созданы МЭМ-обшивки в виде одномерной матрицы из 36 датчиков для измерений касательного механического напряжения в задачах обнаружения срыва потока. Такие обшивки можно фиксировать на полуцилиндре диаметром в 12,7 мм с равномерным распределением датчиков с шагом в 5° на его направляющей линии. Эти МЭМ-обшивки уже успешно прошли летные испытания на беспилотном летательном аппарате с размахом крыла в 2,1 м. В частности, была получена картина распределения потока на передней кромке крыла в реальном времени.

Первые образцы «умной обшивки», представляющих собой массив микроэлектромеханических сенсоров, фиксирующих напряжение сдвига, устанавливаются на крыло БПЛА. В будущем такие покрытия включат в себя не только МЭМ-элементы, но и управляющую электронику, а обшивка обретет новые функции.

Как уже говорилось, эти работы были выполнены в Лаборатории размерной микрообработки (Micromachining Lab) Калифорнийского технологического института. В настоящее время в Университете округа Уэйн (Wayne State University) исследуется ряд новых применений метода изготовления интеллектуальных обшивок, включая интеллектуальный текстиль.

Кроме того, была предложена и продемонстрирована технология изготовления гибких обшивок, совместимая с технологией КМДП-схем (логических схем на комплементарных полевых транзисторах) на структурах типа «кремний на диэлектрике» (КНД). По этой технологии сначала на КНД-пластине формируются интегральные схемы и МЭМ-приборы стандартными способами КМДП и МЭМ. Затем формируется полимерный сэндвич.

Можно считать, что подобные технологии сыграют свою роль в создании перспективных медицинских имплантатов, носимых датчиков и интеллектуального текстиля. Совместимость технологических процессов с КМДП- и МЭМ-технологиями позволяет надеяться на скорое появление многофункциональных интеллектуальных обшивок со встроенными высококачественными датчиками и управляющей электроникой, пригодных для самых различных применений, включая летательные аппараты. Именно тогда электронная «кожа» станет по‑настоящему «умной».

Статья «Островки на "умной" коже» опубликована в журнале «Популярная механика» (№7, Июль 2014).