МЭМС/НЭМС/МОЭМС

Концепция Индустрии 4.0 предусматривает сквозную цифровизацию всех технологических и физических процессов, их интеграцию в цифровую экосистему, насыщенную множеством разнообразных приборов, датчиков, актуаторов, объединенных в единую сеть посредством различных каналов связи. Особое значение в таких распределенных многоуровневых системах имеют микроэлектромеханические системы (МЭМС). Это сенсоры и актуаторы, изготовленные преимущественно на основе кремния с использованием групповых методов обработки на основе технологий микроэлектроники. В НОЦ ФМН ведутся активные разработки таких структур и технологий их изготовления для перспективных изделий, в частности, для аэрокосмической промышленности, создания беспилотных автомобилей, дронов и роботов. МЭМС устройства обладают колоссальным потенциалом миниатюризации, а применяемые технологии их массового производства легко интегрируются с процессами микроэлектроники, многокристальной сборки, «флип-чип» технологией и другими.

Для возможности сокращения жизненного цикла, а значит, стоимости разработки и изготовления перспективных изделий, учеными и инженерами центра выделяются группы МЭМС на основе конструктивной схожести их элементов. Для выделенных групп разрабатывается базовый процесс, позволяющий изготавливать большинство необходимых элементов и уточнять возможную индивидуализацию процесса для изготовления вспомогательных элементов. Это позволяет провести параллельную разработку и изготовление разнородных изделий.

В результате исследований выделено несколько классов изделий, схожих по конструктивному принципу, а именно: устройства поверхностной механики; оптические сенсоры и оптические переключатели; мембранные поверхностные и объемные сенсоры; СВЧ резонаторы и осцилляторы; поверхностные переключатели, состоящие из оптических модуляторов, СВЧ переключателей и устройства на их основе; микрофлюидные устройства. На основе сформированной онтологии командой НОЦ ФМН разработан базовый технологический процесс – поверхностная механика – для изготовления специального класса МЭМС изделий на основе обработки стеклянных и кремниевых подложек. Он предназначен для целого класса устройств со схожими конструктивными элементами: оптомеханические и инерциальные датчики (акселерометры и гироскопы), элементы поверхностной механики (термические, электрические и оптические переключатели).

20191226_124621_sm.jpg

Волоконно-оптический датчик вибрации с двумя каналами

Разработанный базовый процесс включает комплекс технологий изготовления высокоаспектных микроструктур (выше 1:15) на подложках диаметром 100 мм. Для волоконно-микрооптического датчика вибрации разработана специальная технология ступенчатого травления, что позволило в рамках одного процесса изготовить сквозные высокоаспектные каналы глубиной 500 мкм и глухие пазы глубиной 150 мкм. На базе разработанного процесса успешно изготовлены и переданы на испытания прототипы микрооптомеханических датчиков вибрации.

Super BOSCH.png

СЭМ-снимок кремниевой пластины после процесса BOSCH-травления

Разработана конструкция и изготовлены макеты кремневого пассивного микромеханического термоэлектрического переключателя с аспектным соотношением структур выше 1:20. Создание таких систем на основе МЭМС-технологии повысит энергоэффективность, надежность и скорость переключения электрического сигнала и увеличит степень интеграции компонентов.

MEMS chip.jpg

Пластина с термоэлектрическими переключателями

Отработаны режимы глубокого травления стекла по критерию максимального аспекта травления по критерию отсутствия дефектов на поверхности, благодаря которым достигнута глубина травления более 250 мкм. Это позволяет формировать бездефектные сквозные структуры в кварцевом стекле толщиной до 500 мкм, необходимые для создания акселерометров специального класса. Ведется разработка ступенчатого травления стекла методами групповой обработки МЭМС для формирования чувствительных элементов маятниковых кварцевых акселерометров. Данный процесс не имеет аналогов в РФ.

KUF_1622_1_sm res.jpg

Стеклянная пластина с вытравленными МЭМС-структурами


Ключевые публикации, посвященные МЭМС-разработкам НОЦ ФМН:

Digital design as a key approach to shortening MEMS development cycle
Mihail M. Andronic, Ilya A. Rodionov, Yuriy B. Tsvetkov
ITM Web Conf. Volume 35, 2020

ITM Web Conferences

Self-Controlled Cleaving Method for Silicon DRIE Process Cross-Section Characterization
Dmitry A. Baklykov, Mihail Andronic, Olga S. Sorokina, Sergey S. Avdeev, Kirill A. Buzaverov, Ilya A. Ryzhikov, A. Rodionov
Micromachines, 12(5), 534, 2021 (ImF 2,55)

MDPI        

Новости ФМН