MEMS: Mezi elektronikou a mechanikou

Za zkratkou MEMS se ukrývají mikroelektromechanické systémy, tedy takové, které kombinují elektronické prvky s mechani...


Za zkratkou MEMS se ukrývají mikroelektromechanické systémy, tedy takové, které
kombinují elektronické prvky s mechanickými na jednom polovodičovém čipu. K
jejich výrobě se používají upravené postupy známé z produkce integrovaných
obvodů, které se vyznačují vysokou sériovostí a nízkými náklady. MEMS se zvolna
dostávají do našeho každodenního života, k jejich rozšíření ve větším měřítku
je však potřeba ještě překonat několik problémů.
Achillovu patu většiny moderních přístrojů představují jejich snímací prvky. Ve
srovnání s integrovanými obvody jsou objemné a podstatně méně spolehlivé; navíc
i náklady na jejich výrobu jsou většinou vyšší než náklady na výrobu
integrovaných obvodů.

Mozek na čipu
Problémy spojení starého mechanického světa s novým elektronickým by mohly
vyřešit právě MEMS. Tyto systémy totiž nabízejí elegantní řešení, díky kterému
je možné zvýšit spolehlivost a často i výrazně snížit cenu řady užitečných
zařízení. Díky tomu, že je elektronická i mechanická část vyrobena na jedné
polovodičové destičce, je možné přímo propojit inteligenci elektroniky s čidly
a výkonnými nástroji.
Tímto způsobem vzniká vlastně celý autonomní systém lokalizovaný na jediném
čipu, vybavený "mozkem", "smysly" a "svaly". Snímače dokážou zjišťovat
mechanické, teplotní, biologické, chemické, optické a magnetické vlastnosti
okolí. Elektronika získané údaje zpracuje a rozhodne, jakou akci je potřeba
provést může jít například o přesun, změnu orientace, regulaci, čerpání nebo
filtrování. MEMS se tak díky svým schopnostem mohou uplatnit například při
identifikaci DNA či manipulaci s genetickou informací, dále jako skenovací
tunelovací mikroskopy nebo zdroje vysokofrekvenčních signálů v komunikacích.
Samozřejmostí by se mohlo stát také využití těchto technologií k detekci
nebezpečných chemických a biologických látek nebo k průběžné kontrole při
výrobě léčiv.
Možnosti uplatnění MEMS zmíněné v předešlém odstavci jsou ovšem do značné míry
hudbou budoucnosti. V současnosti se MEMS využívají především v automobilovém
průmyslu. Zejména díky nim mohou být nejnovější automobily vybavovány airbagy.
Zatímco čelní pohlcovače nárazu pracovaly celkem spolehlivě i se staršími
snímacími prvky, pro novou generaci montovanou na bocích a stropech to už
nestačí. Je totiž třeba podstatně přesněji vyhodnocovat hrozící nebezpečí
nárazu vozidla. Vyšší spolehlivost MEMS přitom není vykoupena vyššími náklady,
ba naopak nové airbagy jsou levnější a lépe nastavitelné.

Jak ve vakuu?
I v dalších oblastech se ale blýská na lepší časy. Zkušenosti výzkumníků ze San
Antonia například zaplašily obavy z toho, jak budou MEMS fungovat ve vakuu.
Kovové součástky totiž ve vakuu mají obecně tendenci "slepovat" se k sobě, na
úrovni milimetrů a jejich zlomků však k uvedenému jevu nejspíš nedochází.
Naopak napětí potřebné k rozkmitání oscilátoru je s využitím nové technologie
podstatně nižší a zesílení signálu vyšší. Elektromechanické oscilátory díky
tomu vyžadují podstatně nižší provozní napětí. Zatímco v atmosféře je k jejich
rozkmitání potřeba 100-150 voltů, ve vakuu postačí pouhá desetina. Zesílení je
dokonce vyšší více než stonásobně.
Nasazení MEMS při výzkumu vesmíru může snížit náklady spojené s těmito
projekty. Podstatně menší rozměry ve spojení s nižší energetickou náročností
sníží hmotnost družic, a tím zlevní jejich vynášení na oběžnou dráhu.
Miniaturizace také umožňuje větší redundanci jednotlivých prvků. Kromě původně
plánovaného vesmírného nasazení mohou zkušenosti s prací ve vakuu vést k výrobě
MEMS určených pro pozemské podmínky. Zřejmě nejznámějším příkladem zařízení,
které by následně mohlo být zdokonaleno, je žárovka.

Zdroje energie
I když u MEMS není velikost tím nejdůležitějším faktorem, řada výzkumných
projektů si vytkla za cíl vyrobit miniaturní stroje zaujímající objem jednoho
krychlového milimetru. Pokud má jít o plně autonomní mechanismy, měly by mít k
dispozici i zdroj energie odpovídající velikosti. To je prozatím jeden z
nejtvrdších oříšků, které musí výzkumníci v oblasti MEMS rozlousknout. Přístupů
existuje celá řada od miniaturizace klasických nebo solárních baterií přes
vodíkové palivové články až po využití radioaktivity.
Na Floridské univerzitě probíhá výzkum nanomembrán složených z mikroskopických
trubiček, které by se měly stát formami pro výrobu nanoelektrod baterií
fungujících na klasickém principu anoda-katoda-elektrolyt. Postup výroby je
poměrně jednoduchý. Nejdříve jsou vyrobeny formy v podobě nanotrubiček. Do nich
se odlijí elektrody z požadovaného materiálu. Když látka ztuhne, jsou trubičky
odstraněny. Vědci, kteří takto vyřešili problém výroby komponent, nyní pracují
na technologii, jež umožní sestavit z elektrod miniaturní baterii a naplnit ji
elektrolytem s dostatečně jemnou strukturou. Průběžné zkoušky ukazují, že takto
vyrobené elektrody mají lepší elektromechanické vlastnosti, takže by měly mít
životnost prodlouženu na 1 400 nabíjecích cyklů (oproti současným 500 cyklům).
Výsledky tohoto výzkumu budeme znát zhruba do tří let.
Jinou cestou se vydali vědci z Cornellské univerzity v New Yorku. Vyvíjejí
totiž radioaktivní zdroj energie, který nemusí být dobíjen a jehož životnost by
měla být dostatečně dlouhá. Využívá kombinace radioaktivního izotopu (nikl s
nukleonovým číslem 63) a měděného plíšku.
Při rozpadu radioaktivního izotopu jsou průběžně uvolňovány elektrony, díky
čemuž získává měď záporný náboj. Nikl je naopak vzhledem k úbytku elektronů
nabit kladně, díky čemuž je měděná vrstva přitahována k niklové, dokud se
nedotknou a dokud se nevyrovná náboj na obou plochách. Tento cyklus by měl bez
přestávky probíhat alespoň polovinu poločasu rozpadu použitého izotopu, tedy
zhruba 50 let. Takto získanou mechanickou energii je možné využít buď k výrobě
elektřiny, nebo přímo jako pohon mechanických prvků. Jediným problémem je
relativně nízký výkon, což by ovšem v případě energeticky nenáročných MEMS
neměl být příliš velký handicap.

Chytrý prach
Zatím jako pohádka může znít představa počítače skládajícího se z milionů
jednotek velikosti zrnka prachu pracujících na principu distribuovaných
výpočtů. Tuto představu se snaží uvést do praxe výzkumníci z Kalifornské
univerzity v Berkeley. Vyvíjejí totiž tzv. "inteligentní prach" síť výpočetních
jednotek vybavených senzory a vzájemně spolu komunikujících (podrobněji viz CW
31/2003). Objem takových částic přitom nepřesahuje 1 krychlový milimetr.
Vědci počítají se specializací miniaturních jednotek na různé úkoly napájení,
zpracování informací, zjišťování parametrů prostředí a vzájemné propojení.
Výroba inteligentního prachu by měla být natolik jednoduchá a levná, že by
takto zkonstruované monitorovací přístroje šlo vypouštět pomocí práškovacího
letadla nebo jimi natírat stěny, podlahy a stropy střežených objektů.
K dosažení vytčeného cíle vede ovšem ještě poměrně dlouhá cesta. Je třeba
vytvořit specializované procesory s minimálními energetickými nároky, zvolit
vhodnou formu komunikace a také samozřejmě získat spolehlivé zdroje energie a
vyřešit způsob její distribuce.
O perspektivnosti MEMS je každopádně přesvědčen i Bill Gates, který tuto
technologii propagoval při svých dvou posledních návštěvách Prahy.

MEMS a nanotechnologie
Oblasti MEMS s nanotechnologií se vzájemně v mnohém prolínají. Liší se
především velikostí autonomních jednotek a z toho vyplývající použitelnosti a
možnosti nasazení obou technologií. Významným rozdílem je i míra různorodosti
výrobních postupů. Hlavním posuzovacím kritériem nanotechnologií je velikost.
Technologie schopné vyrábět součástky o velikosti několika nanometrů teprve
vznikají, což je jeden z důvodů jejich velké různorodosti. Naproti tomu v
případě MEMS není velikost nejdůležitější. To, co řadí miniaturní stroje do
kategorie MEMS, jsou především obdobné výrobní postupy.

Informace na webu
http://www.memsnet.org/ vstupní brána do světa MEMS
http://www.smalltimes.com/ časopis věnovaný miniaturizaci
http://news.nanoapex.com/ zprávy ze světa nanotechnologií
http://mems.sandia.gov/ MEMS v jaderném výzkumu USA
http://www.trimmer.net/ rejstřík odkazů a informací zaměřených na MEMS
http://www.darpa.mil/mto/mems/ stránka o MEMS spravovaná armádou USA









Komentáře
K tomuto článku není připojena žádná diskuze, nebo byla zakázána.