Глава 15.Наноприборы и наномашины

Итак, в предыдущих главах мы рассмотрели физические основы нанотехнологий. Теперь коснемся описания более сложных устройств – наномашин, т.е. устройств, сконструированных из определенных молекул или элементов нанометровых размеров. Кроме того, рассмотрим основные проблемы, связанные с изготовлением этих миниатюрных устройств.

15.1. Микроэлектромеханические устройства (mems)

Формально MEMS не попадают под предмет нанотехнологий, тем не менее полезно обсудить их, поскольку они дают представление о методах и подходах, которые могут зачастую применяться и в наноэлектронике.

Главным преимуществом MEMS-устройств являются миниатюрность, простота изготовления и размещения больших количеств таких устройств на одном кристалле ИС, хорошая совместимость с изделиями микроэлектроники.

Вообще, простота и невысокая себестоимость при крупносерийном производстве MEMS-устройств, к примеру, позволила создать датчики нанометровых размеров для активации устройств AIR BAG в автомобилях. Для сравнения: ранее такое электромеханическое устройство обладало размерами банки с газированной водой, весило несколько сот граммов и имело высокую стоимость (примерно от 1500 USD).

Используемые в настоящее время датчики на основе MEMS-устройств имеют размеры с 50-копеечную монету и стоят несколько долларов. Необходимо заметить, что размеры и способы изготовления MEMS-устройств позволяют интегрировать их непосредственно в микроэлектронный чип.

Из рисунка 15.1 видно, что при резком замедлении автомобиля в случае столкновения горизонтальная балка MEMS-устройства смещается по инерции в сторону движения автомобиля и вызывает изменение общей емкости MEMS-системы. В результате с помощью управляющего блока инициируется импульс тока через нагревательную спираль, помещенную в капсуле с NaN₃ (азот натрия). Мгновенное нагревание спирали приводит к взрывообразному разложению содержимого капсулы согласно реакции: 2NaN₃→2Na+3N₂↑. Выделяющийся газообразный азот и надувает подушку безопасности.

Рис. 15.1. Схема срабатывания датчика подушек безопасности

(SRS Airbag) на основе кантилевера

Вообще, основой MEMS-устройств являются кантилеверы.

Кантилевер – закрепленная на одном конце консольная балочка микронных или субмикронных размеров, способная изгибаться под действием различных факторов.

Рис. 15.2. Пример частотной характеристики кантилевера

в зависимости от его длины

Наиболее простые MEMS-устройства состоят из набора кремниевых кантилеверов, имеющих различные отношения длины к ширине. Кантилеверы установлены в MEMS таким образом, чтобы они могли осциллировать под действием механических, тепловых или электрических воздействий. Очевидно, что наиболее желательной является линейная характеристика кантилевера.

Как видно из графика, приведенного на рис. 15.2, частота колебаний очень чувствительна к длине балочки. С использованием такой идеальной зависимости были разработаны специальные термические датчики посредством нанесения на кантилевер материала с коэффициентом теплового расширения существенно отличающимся от материала самого кантилевера. Чувствительность MEMS-датчиков находится обычно в микроградусном диапазоне.