دانلود مقاله MEMS چیست؟

1- 1 - MEMS چیست؟

سیستم های میکرو الکترو مکانیکی (MEMS) نوعی سیستم هستند که اندازه فیزیکی خیلی کوچکی دارند. این سیستمها دارای اجزای الکتریکی و مکانیکی هستند. هرچند که بعضی اوقات دارای قسمتهای غیر متحرک غیر الکترونیکی ( مثل قسمتهای شیمیایی، بیو شیمیایی و نوری ) نیز هستند. برای ساخت این ادوات خیلی کوچک، از تکنیک ها و موادی که در ساخت مدار های مجتمع بکار می روند، استفاده می شود.

همان طور که در شکل 1 – 1 مشاهده می شود، MEMS در واقع یک پل بین رشته های میکرو الکترونیک و مکانیک است.و وسیله ای برای برقراری ارتباط و برهمکنش بین دنیای الکترونیک و دنیای اطراف است.

MEMS اصطلاحی است که اولین بار در اواخر دهه 1980 در آمریکا برای نامیدن این سیستم ها معمول شد. این رشته از تکنولوژی، در اروپا به Microsystems و در ژاپن به Micromechartonics معروف است. با وجود این هنوز بر سر معنای این اصطلاح اتفاق نظر وجود ندارد. به هر حال تصویری که از MEMS وجود دارد، یک واحد کامل است که هم قسمتهای الکتریکی و هم میکرو ساختارهای مکانیکی دارد. اندازه این اجزاء نیز بین چند نانومتر تا چند میلی متر متفاوت است، بعضی میگویند که اندازه یک واحد MEMS باید کمتر از یک سانتی متر مکعب باشد. اما این تعریف، هنوز مبهم و ناقص است. چیزی که در مورد ادوات MEMS مشترک است، این است که آنها در مقایسه با ماشین های عادی، یک یا چند تا از این ویژگی ها را در کوچک سازی سیستم (Miniaturization) دارند: تعداد اجزاء، پیچیدگی کار، مجتمع سازی سیستم و قابلیت تولید انبوه.

موج MEMS با توسعه تکنولوژی میکرو ماشینینگ سیلیکونی به پیش می رود. تکنولوژی میکرو ماشینینگ سیلیکونی در بیشتر موارد از تکنولوژی Micro fabrication استفاده می کند، که همان تکنولوژی ساخت مدارهای مجتمع است. اما در ضمن با تکنولوژی های دیگر مثل Micro EDM , Liga نیز تقویت شده است، دو خاصیت مهم در میکرو ماشینینگ سیلیکونی هست که از تکنولوژی مدارهای مجتمع به ارث برده شده است : یکی کوچک بودن اندازه و دیگری تعداد زیاد این صفات ویژه باعث می شوند که ماشین ها و سیستم های معمولی در مواردی، نتوانند با میکرو ماشینینگ سیلیکونی رقابت کنند.

تکنولوژی MEMS با حوزه های مختلفی مرتبط است. هم از آنها استفاده می کند و هم در آنها کاربرد دارد، مانند شیمی، فیزیک، مهندسی، زیست شناسی وپزشکی. از آنجائی که برای کنترل و یا خواندن سیگنال حاصل از قسمت مکانیکی، یک مدار الکترونی نیز لازم است، امروزه معمولاً این دو قسمت را با هم روی یک ویفر می سازند، این کار باعث افزایش دقت، کاهش هزینه و کاهش اندازه فیزیکی سیستم می شود. افزایش دقت به خاطر کاهش نویز، و نیز کاهش مقاومت و خازن پارازیتیک خط انتقال بین دو قسمت است.

امروزه می توان سیستم های MEMS را قبل از ساخت با کامپیوتر، شبیه سازی کرد و صحت کار سیستم را ارزیابی کرد. تولید نرم افزارهای MEMS CAD Tools با عث می شوند که طراحی و ساخت ادوات جدید با سرعت خیلی بیشتری انجام شود.

ادوات MEMS، در زمینه های مختلفی مثل پزشکی، حمل و نقل، خودکار سازی، ماشین آلات، انواع سنسورها، سیستم های نظامی و صفحات نمایشگر کاربرد دارند.

در سال 1997 تخمین زده می شد که بازار جهانی MEMS، حدود 2 میلیارد دلار باشد. تا سال 2000 بازار جهانی MEMS به حدود 14 میلیارد دلار و ارزش اثر آن بر بازار به طور کلی 100 میلیارد دلار بوده است. پس می توان گفت که MEMS آینده بسیار خوبی دارد.

1- 2 - تاریخچه

ایده ساخت سیستم های خیلی کوچک در سال 1959 توسط فیزیکدان مشهور ریچارد فاینمن، در یک سخنرانی با عنوان There is a plenty of room at the bottom مطرح شد. او در این سخنرانی، ایده ها و چشم اندازهایی در مورد طرح کار، دانش، مهندسی و کاربردهای سیستم ها و ماشین های خیلی کوچک مطرح کرد. او در سال 1983 نیز سخنرانی دیگری را در این مورد ایراد کرد و پیش بینی های جالبی را ارائه داد، که بعضی از آنها تاکنون محقق شده اند و بعضی دیگر نیز موضوع تحقیقات هستند.

در سال 1982 کورت پیترسن از IBM، پس از چند سال پژوهش و آزمایش مقاله ای انتشار داد که در آن با بیان نتایج پژوهش هایش نشان داد که سیلیکون دارای خواص و قابلیتهای بسیار خوبی ( از جمله استحکام ) برای ساخت قطعات مکانیکی خیلی کوچک است. از آنجایی که در ساخت مدارهای مجتمع نیز به وفور از سیلیکون استفاده می شود و فرآیندهای لازم برای ساخت ادوات سیلیکونی ( مثل لیتوگرافی، Etching و ... ) وجود داشتند، این مقاله باعث شد که ساخت قطعات مکانیکی سیلیکونی، به سرعت رواج یافته و پیشرفت کند.

مقاله سال 1982 پیترسن از نظر بسیاری افراد، به عنوان نقطه آغاز رسمی تکنولوژی MEMS شناخته می شود. هرچند که قبل از آن نیز کارهای پراکنده ای در مورد ساخت سیستم های بسیار کوچک انجام شده و انتشار یافته بودند. پیترسن اکنون نیز زنده است و یکی از پرکارترین و مشهورترین پژوهشگران در زمینه MEMS به شمار می رود.

1- 3 – MEMS چه مزایایی دارد؟

سیستم های MEMS اندازه بسیار کوچکی دارند. این مهمترین مزیت MEMS است.

استفاده از MEMS به عنوان سنسور مفید است. چرا که به خاطر اندازه خیلی کوچکش، بسیار کمتر از ادوات بزرگ با محیط بر همکنش و تبادل انرژی دارد. در ضمن می توان از یک آرایه از سنسورها استفاده کرد، ( برای اثر Redundancy ) بدون این که حجم زیادی اشغال شود. استفاده از MEMS به عنوان محرک نیز مفید است. چرا که بخاطر اندازه خیلی کوچکش، حرکت اعمال شده توسط آن می تواند خیلی دقیق باشد.

در ضمن، کوچک بودن این ادوات باعث می شود که بتوان آنها را در جاهای خاصی، مثل خودروها و بدن انسان وارد کرد تا بعضی پارامترهای محیط را اندازه گرفته یا تغییر دهند.

از آنجائی که تولید MEMS شبیه تولید مدارهای مجتمع است، پس ادوات MEMS نیز در صورت تولید انبوه ارزان تمام می شوند. در ضمن در موارد خاص، اگر ادوات MEMS گران تمام شود نیز، در جاهای خاصی که اندازه و وزن کم بسیار مهم است ( مثل ماهواره ها یا سفینه های فضائی ) بازهم استفاده از MEMS توجیه دارد.

در ضمن همان طور که قبلاً هم ذکر شد، اگر قسمت های مکانیکی و الکترونیکی سیستم MEMS به طور یکپارچه روی یک ویفر ساخته شوند، دقت و حساسیت سیستم حاصله بسیار بیشتر از سیستم های بزرگ معمولی خواهد بود. ( به خاطر کاهش نویز و مقاومت و خازن پارازیتیک )

1- 4 – در چه جاهایی از MEMS استفده می شود؟

در وسایل نقلیه از فشار سنج های MEMS برای اندازه گیری فشار روغن موتور، فشار خلاء، فشار تزریق سوخت، فشار سوخت منتقل شده، فشار خط ترمز ABS، فشار تایرها و فشار هوای ذخیره شده برای کیسه هوایی  استفاده می شود. همچنین از شتاب سنج های MEMS هم می توان برای خواندن دمای روغن موتور، ضد یخ و دمای هوا استفاده کرد.

در صنعت نیز سیستم های خودکار و ابزار دقیق می توانند از ادوات MEMS مثل فشار سنج، دما سنج، شتاب سنج، سنسور فاصله (Proximity) استفاده کنند.

در سیستم های کنترل کننده در خانه و صنعت نیز می توان از MEMS استفده کرد. در اینجا هم سنسورها و هم محرک ها مورد نیاز هستند. از سنسورها برای اندازه گیری پارامترهای مختلف محیط اطراف و از محرکها برای تنظیم پارامترها استفاده می شود.

سیستم های نوری نیز از محرک های MEMS در جاهای مختلفی مثل آئینه و پروژکتورهای دیجیتال، فیلترها، مدولاتورهای نوری، ابزار خواندن خط نماد (Barcode) و ... استفاده می کنند.

در پزشکی نیز می توان از ابزار MEMS در جاهایی که دخالت دست ممکن نیست، مثل : آندوسکوپی، جراحی از راه دور و جراحی های ظریف مثل جراحی چشم ( مثلاً آب مروارید ) استفاده کرد. همچنین می توان ادوات خیلی ریز MEMS را وارد بدن و دستگاه گردش خون کرد تا کارهایی مثل شناسایی بیماری و آزاد کردن دارو در مناطق خاصی از بدن را انجام دهند.

در موارد متعدد دیگر مثل چاپگر جوهر افشان و میکروسکوپ ها نیز از MEMS استفاده می شود.  هر کدام از  این موارد بعداً به طور مفصل توضیح داده خواهد شد.

2- فرآیند ساخت

فر آیند ساخت به چند دسته عمده تقسیم می شود:

ساخت مدار مجتمع ( IC Fabrication ) .

میکرو ماشینینگ توده ای ( Bulk Micro machining ) .

میکرو ماشینینگ سطحی ( Surface Micro Machining ) .

حکاکی عمیق یون واکنش زا ( DRIE = Deep Reactive Ion Etch ) .

میکرو ماشینینگ توده ای و سطحی در قسمت بعد توضیح داده خواهند شد.

فرآیند ساخت مدار مجتمع که در MEMS نیز استفاده می شود، خود به چند دسته تقسیم می شود :

لایه نشانی ( Deposition ) .

نقش نگاری ( Lithography ) .

روش برداشتی یا حذفی ( Removal ) .

یکی از نیازهای مهم در MEMS قدرت نشاندن لایه هایی از مواد با کیفیت خوب است. فن آوری لایه نشانی در MEMS به دو دسته تقسیم می شود :

لایه نشانی بر اساس واکنش شیمیایی .

لایه نشانی بر اساس واکنش فیزیکی .

در لایه نشانی بر اساس واکنش شیمیایی، ترکیبات گاز یا مایع با یکدیگر واکنش داده و نهایتاً یک لایه بر روی بستر رسوب می کند، چند روش وجود دارد که بر اساس واکنش شیمیایی عمل می کنند :

لایه نشانی بخار شیمیایی ( CVD ) .

آبکاری ( Electro deposition ) .

رشد لایه هم بافته .

اکسایش حرارتی .

در لایه نشانی بر اساس واکنش فیزیکی هیچ نوع واکنش شیمیایی اتفاق نمی افتد و مواد به صورت فیزیکی روی بستر نشانده می شوند. دو روش زیر بر اساس واکنش فیزیکی عمل می کنند :

لایه نشانی بخار فیزیکی ( PVD ) .

ریخته گری ( Casting ) .

در روش برداشتی یا حذفی که سومین روش از فرآیندهای ساخت MEMS می باشد، باید قسمت های اضافی بستر بر طبق الگوی مورد نظر زدوده شوند که خود به دو دسته تقسیم می شوند.

حکاکی تر ( Wet Etching ) .

حکاکی خشک یا حکاکی پلاسما ( Dry or Plasma Etching ) .

حال به شرح جزئیات روش های گفته شده می پردازیم :

2-1- روشهای لایه نشانی شیمیایی

2-1-1- لایه نشانی بخار شیمیایی ( CVD: Chemical vapor Deposition )

در این روش بستر در یک راکتور قرار گرفته و یک یا چند گاز مثل ( N2 ) وارد می شوند. این گازها تا رسیدن به حرارت لایه نشانی گرم می شوند و از این حرارت به بعد ورود این گازها قطع می شوند و از این به بعد گاز واکنش دهنده وارد می شود. در اثر واکنش این گازها با هم یک لایه بر روی بستر نشانده می شود. بسیاری از لایه های CVD یا به صورت Amorphous یا به صورت Polycrystalline هستند.

لایه نشانی بخار شیمیایی به دو صورت زیر انجام می شود :

CVD فشار پایین ( LPCDV : Low Pressure CVD ) .

CVD بهبود یافته یا پلاسما ( PECVD : Plasma Enhaced CVD ) .

فرایند LPCVD بهترین لایه ها از نظر کیفیت، ضخامت و مشخصه موادی خوب را تولید می کند. مشکل اساسی این روش نیاز به دمای بالای فرایند ( بیشتر از 600 درجه سانتیگراد ) و پایین بودن سرعت لایه نشانی است .

در فرایند PECVD، گاز به اجزای سازنده اش تجزیه می شود. پلاسما باعث افزایش سرعت فرایند می شود. پلاسما بوسیلۀ یک منبع RF گرم شده، باعث تشکیل یون هایی می شود .نیست و ممکن است شامل ترکها یا جاهای خالی باشد.شکل 2 – 1 یک راکتور LPCVD  را نشان می دهد .