ИННОВАЦИИ 3 Микротехнологии и микроэлектромеханические системы — перспективное научно-инновационное направление Ðàññìàòðèâàþòñÿ ôàçû ðàçâèòèÿ ìèêðîòåõíîëîãèé êàê îñíîâû ìèêðîñèñòåìíîé òåõíèêè. Àíàëèçèðóåòñÿ ñîâðåìåííîå ñîñòîÿíèå âîïðîñà. Ôîðìóëèðóþòñÿ ïåðñïåêòèâû è íåêîòîðûå áëèæàéøèå çàäà÷è â îáëàñòè ðàçâèòèÿ ìèêðîñèñòåìíîé òåõíèêè. Îïèñûâàþòñÿ ãëàâíûå ÷åðòû íåîáõîäèìîé èíôðàñòðóêòóðû îòðàñëè П Ю.Р. Нурулин çàì. äèðåêòîðà Èííîâàöèîííî-èíâåñòèöèîííîãî êîìïëåêñà Ñàíêò-Ïåòåðáóðãñêîãî ãîñóäàðñòâåííîãî ïîëèòåõíè÷åñêîãî óíèâåðñèòåòà (ÑÏáÃÏÓ), Ñàíêò-Ïåòåðáóðã, ä-ð òåõí. íàóê Е.Н. Пятышев çàâåäóþùèé ÍÈË ìèêðîòåõíîëîãèé è ìèêðîýëåêòðîìåõàíè÷åñêèõ ñèñòåì ÑÏáÃÏÓ, Ñàíêò-Ïåòåðáóðã, êàíä. ôèç.-ìàò. íàóê озитивные изменения, происходящие в последнее время в политике государства, демонстрируют осознание руководством страны стратегической значимости научно-инновационного потенциала и его влияния на рост конкурентоспособности отечественной экономики на мировых рынках. Работы по созданию национальной инновационной системы, активно ведущиеся с 2002 года, уже реализуемые некоторые национальные проекты, работы по развитию особых экономических зон и других элементов инновационной инфраструктуры — все это показывает готовность государства инвестировать средства в создание условий для реализации и коммерциализации научных результатов, получаемых учеными страны. В существующих условиях жестких финансовых ограничений логичным является выделение наиболее приоритетных и значимых для государства направлений развития науки и техники и соответствующих критических технологий с целью концентрации на них основных ресурсов. Это повышает роль отечественной науки в развитии инновационного сектора экономики страны и обеспечивает прорыв на при- оритетных направлениях развития науки, технологий и техники. Начиная с 1996 года перечни таких технологий и приоритетных направлений утверждаются правительством и служат ориентиром для развития научного процесса во всех отраслях знаний. Анализ выделенных приоритетных направлений и критических технологий федерального уровня показывает, что для инновационно-технологического развития страны работы в области микротехнологий и микроэлектромеханических систем (МТ и МЭМС) являются весьма существенными. Следует подчеркнуть, что сегодня во всем мире использование научных результатов, полученных в области МТ и МЭМС, находится на начальной стадии и служит основой инновационной деятельности, при этом исследования российских и зарубежных ученых в этой области в настоящее время равноценны, по крайней мере, по качеству выполненных разработок. В хронологическом плане МЭМС можно рассматривать как очередной этап развития микротехнологий, начало которым положила микроэлектроника (рис. 1). Еще в 1994–1996 годах ведущие индустриальные страны объявили технологии микросистем облас- От редакции Инновации, инновационная деятельность во многом предопределяют эффективность развития национальных экономик, их успешное интегрирование в мировую экономическую систему. Неслучайно на 48-м Конгрессе ЕОК данной теме было уделено много внимания (наш журнал публиковал обзоры материалов этого конгресса, посвященные инновационному менеджменту), а 50-й Конгресс ЕОК, состоявшийся в конце мая нынешнего года в Амстердаме, прошел под девизом «Инновации — путь к успеху». В международном стандарте ИСО 9000:2005 инновационные процессы названы одним из необходимых условий постоянного совершенствования деятельности современных предприятий. В связи с этим мы решили ввести в журнале «Компетентность» новую рубрику «Инновации». Êîìïåòåíòíîñòü 5–6 /34–35/2006 4 ИННОВАЦИИ Рис. 1. Ýòàïû ðàçâèòèÿ ìèêðîòåõíîëîãèé тью своих приоритетных стратегических исследований. Причиной этому является высочайшая степень влияния микротехнологий на уровень развития всех составляющих информационно-управляющих систем, которые по Норберту Винеру состоят из объекта управления, сенсорной подсистемы, подсистемы анализа и принятия решений, активаторной (воздействующей, исполнительной) подсистемы (рис. 2). В общем случае входными или выходными величинами подсистем являются не только электрические сигналы (ток и напряжение), но и механические — давление, сила, перемещение, скорость, ускорение. При этом если механическая величина является входным сигналом, а электрическая — выходным, то устройство называется датчиком соответствующей физической величины (sensor), если наоборот — активатором (actuator). Микроэлектронная «революция» второй половины двадцатого века затронула в основном только центральное звено системы — подсистему анализа информации и принятия решений. Остальные подсистемы развивались эволюционным путем, обусловленным Êîìïåòåíòíîñòü 5–6 /34–35/2006 спецификой разнообразных объектов управления. Коренным отличием подсистемы анализа является унификация аппаратурных решений, их инвариантность к техническим областям применения: независимо от структуры объекта и особенностей задачи управления современные информационно-управляющие системы строятся на базе ограниченного числа типов микропроцессоров. Сегодня существует огромное разнообразие способов построения измерительной и исполнительной подсистем в каждой технической отрасли, для каждого объекта и задачи управления. Это относительное отставание в подходах к созданию подсистем сбора информации (сенсоров) и воздействия на объект (активаторов) является слабейшим звеном систем управления. Для прогресса в этой области необходимо изыскать при производстве компонентов сенсорных и активаторных подсистем единообразные способы изготовления с ограниченным набором технологических приемов. Технология микросистем, выросшая на основе микроэлектронных технологий, решает эту задачу и может обеспе- ИННОВАЦИИ чить массовый выпуск разнообразных механических, электромеханических, оптических, химических и других компонентов для сенсорных и активаторных подсистем, органично сопрягающихся с микроэлектронной подсистемой в единую микроэлектромеханическую систему автоматического управления. Задача в области микротехнологий заключается в разработке таких конструкторско-технологических подходов и наборов операций, которые позволили бы унифицировать все многообразие решений изготовления сенсорных и активаторных устройств в различных отраслях техники, сохраняя при этом такие важнейшие характеристики, как микроразмеры элементов и массовость промышленного выпуска изделий. Технологии микроэлектроники строятся на последовательном чередовании структурных и топологических операций. Структурные операции — нанесение на поверхность кремниевой пластины сплошных слоев диэлектрика, металла, введение легирующих примесей и т.п. Топологические операции — формирование из созданного в процессе структурных операций слоя дискретных фрагментов заданной формы и расположения. Эти операции включают в себя создание рисунка методами литографии и перенесение его на слой методами травления. Все операции (и это 5 очень важно) проводятся одновременно над большим количеством элементов и заготовок микросхем: в одном чипе (микросхеме) может содержаться свыше миллиона элементов, на одной кремниевой пластине — несколько десятков или сотен чипов, а в технологических установках могут обрабатываться одновременно до сотен пластин. Итоговая производительность одной технологической линии может достигать нескольких миллионов изделий в неделю, обеспечивая весьма низкую стоимость одиночного изделия, несмотря на огромные вложения в технологию и разработку. В этом суть групповых интегральных технологий. Для производства сенсорных и активаторных устройств необходимы модифицированные технологические приемы микроэлектроники при сохранении ее двух кардинальных особенностей: микроразмеров элементов устройств и одновременно макроколичества обрабатываемых изделий. Первая особенность позволяет изготавливать прецизионные уникальные изделия, размеры и взаимное расположение элементов которых воспроизводятся с микронными и субмикронными точностями. Вторая — групповые методы обработки — делает эти устройства дешевыми и доступными для массовых применений. В 70-е годы прошлого века начались исследования по использованию Îáúåêò óïðàâëåíèÿ Èíôîðìàöèîííî-óïðàâëÿþùàÿ ñèñòåìà Ñåíñîðíàÿ ïîäñèñòåìà Ïîäñèñòåìà àíàëèçà è ïðèíÿòèÿ ðåøåíèé Àêòèâàòîðíàÿ ïîäñèñòåìà Рис. 2. Ñîñòàâëÿþùèå èíôîðìàöèîííî-óïðàâëÿþùèõ ñèñòåì (ïî Âèíåðó) Êîìïåòåíòíîñòü 5–6 /34–35/2006 6 ИННОВАЦИИ Åùå â 1994–1996 ãîäàõ âåäóùèå èíäóñòðèàëüíûå ñòðàíû îáúÿâèëè òåõíîëîãèè ìèêðîñèñòåì îáëàñòüþ ñâîèõ ïðèîðèòåòíûõ ñòðàòåãè÷åñêèõ èññëåäîâàíèé технологических приемов и методов микроэлектроники для создания интегрированных микроустройств, содержащих в одном чипе как электронные компоненты, так и компоненты, выполняющие механические функции. Курт Петерсон в статье «Кремний как механический материал», опубликованной в 1982 году [1], впервые обратил внимание на уже состоявшееся появление нового научного и прикладного направления — использование приемов полупроводниковой микротехнологии (и кремния как материала) для создания неэлектронных устройств. С тех пор МЭМС стали общепризнанной базой для решения различных задач самых разных научно-технических областей. Некоторые из примеров зарубежных разработок в области МЭМС приведены ниже. Датчики давления атчики давления — первое микромеханическое изделие, выполненное методами микроэлектронной технологии (1968 г.). Сейчас только на рынке США представлено 14 тысяч различных конструкций датчиков давления, реализующих восемь основных методов преобразования. Объем производства — свыше 500 млн датчиков в год, почти 90 % из них составляют датчики, изготовленные методами микротехнологии. Микромеханические конструкции имеют высокие метрологические характеристики, малые габариты и продолжают активно совершенствоваться. Характерные размеры чипов — единицы миллиметров. Одновременно на пластине изготавливаются до тысячи чипов. Ä Êîìïåòåíòíîñòü 5–6 /34–35/2006 Области применения: автомобильная, авиакосмическая промышленность, энергетика, химия, фармакология, медицина и др. Акселерометры кселерометры — второе по успешности внедрения микромеханическое устройство. Области применения: навигационные системы, системы безопасности, сертификация грузоперевозок, медицинская техника, спорт. Наиболее массовое применение — в автомобильных системах безопасности. Кроме того, в сочетании с микрогироскопами микроакселерометры служат основой построения инерциальных навигационных систем, широко применяющихся в системах вооружения и позволяющих многократно повысить точность поражения целей при стрельбе артиллерийскими и авиационными управляемыми снарядами. À Тепловые машины римером работ в данном направлении может служить газотурбинный двигатель — электрогенератор. В ближайшем будущем предусматривается создание газотурбинного двигателя мощностью до 30– 60 Вт размерами 10×3 мм с диаметром рабочего колеса турбины 2 мм. Частота вращения — до 2,5 млн об/мин, расход топлива — до 10 г/ч. Отношение тяги к весу в десять с лишним раз выше, чем у самых совершенных турбин обычных размеров. Области применения: системы автономного энергоснабжения для транспортных средств, робототехнических устройств и других объектов, индивидуальное энергоснабжение «электронной амуниции» солдат, туристов, геологов и т.п. Другим примером разработки в области тепловых микромашин может служить жидкостный реактивный микродвигатель (ЖРД). Его отношение тяга/вес в сто раз выше, чем у современных ЖРД. Габариты 12×12×2 мм, давление в камере сгорания — до 150 атм, тяга — до 1 кг. Ï ИННОВАЦИИ Миниатюризация тепловых машин, помимо резкого увеличения отношения тяги к весу, обеспечивает крайне малые постоянные времени регулирования, что в сочетании со встроенной электронной системой чрезвычайно повышает гибкость управления. Это позволяет создать матричные многодвигательные распределенные системы управляемой тяги для летательных и космических аппаратов новых поколений. Атомно-силовые и туннельные микроскопы применением средств микромеханики созданы наиболее совершенные инструменты нанотехнологии, позволяющие исследовать и модифицировать поверхности различных материалов (в том числе и биологических) с разрешением до единиц Ангстрем. Плотность записи информации этим способом достигает 100 Тбит/см2. Работа выполнена в Корнуэльском университете США. Весьма перспективными представляются работы по сочетанию микротехнологий с нано- и биотехнологиями, а также работы по созданию МЭМСустройств, работающих в СВЧ-диапазоне. На сегодняшний день в мире реализовано, включая экспериментальные образцы, огромное количество микроэлектромеханических устройств различного назначения. Можно утверждать, что в настоящее время мы находимся где-то на подъеме второй фазы развития микротехнологий — фазы сосредоточенных микроэлектромеханических устройств и систем (см. рис. 1). Однако наличие действующих образцов пока еще не привело к активному использованию МЭМС в качестве объектов инновационной деятельности. Тем не менее не вызывают сомнений широчайшие возможности применения сосредоточенных сенсорных и активаторных микротехнологических устройств в системах автоматического управления второго поколения. Уже сегодня своевременно подумать о следующей, третьей фазе развития микротехнологий. Ñ 7 Хотя этот вопрос оживленно обсуждается в научных кругах, для изделий третьей фазы еще не найдены общепринятые термины — их называют и «умные материалы», и «умные структуры», и «распределенные информационные системы» и др. [2]. Для подобных изделий (структур) характерным является их построение из однотипных элементов — триад, объединяющих в себе сенсорную, активаторную и управляющую компоненты. Такие триады являются аналогами биологических клеток в строении живых организмов и растений. Как и в организмах, клетки-триады «умной структуры» необязательно должны быть идентичными. Они могут иметь особенности, связанные со специализацией их функций (различные наборы сенсоров и активаторов, разные по вычислительной мощности и алгоритмам компьютеры). Общими чертами таких клеток, вытекающими из их триадного построения, являются: наличие определенных целей существования и деятельности; возможности и побудительные мотивы для достижения этих целей; способности к анализу ситуации, самостоятельному (хотя бы частично, на своем уровне компетенции) принятию решения и обучению (запоминанию результата анализа). Из этих свойств первое и третье определяются в основном системой и алгоритмами управления, а второе — сенсорной (мотивы) и активаторной (возможности) подсистемами. Объединение клеток-триад в общую систему, при котором «результат больше, чем сумма компонентов» (одно из определений системы), может происходить только при согласованной, связанной деятельности всех элементов системы. Эти связи могут осуществляться как за счет центрального управляющего звена, так и за счет непосредственных связей между элементами (при достаточности таких связей для деятельности всей системы центрального звена может и не быть). На рис. 3 представлены области применения и технические особенности «умных структур» [3]. Êîìïåòåíòíîñòü 5–6 /34–35/2006 8 ИННОВАЦИИ «Умная пыль» то структура, характеризующаяся полным отсутствием механических связей между элементами, с активным (собственный привод, движитель) или пассивным (движение в потоке газа, жидкости) пространственным перераспределением элементов. Возможны эпизодические непосредственные информационные связи, наиболее вероятно общение и управление через центральное управляющее звено. В основном — асинхронная деятельность элементов. Области применения — наблюдение за погодой (пыль разбрасывается с самолета), аэро- и гидродинамические измерения в потоках, диагностические и ремонтные работы внутри трубопроводов, работающих двигателей, горячих зон, «тараканы» для уборки и сортировки мусора, поиск потерянных предметов и т.п. Ý «Умная поверхность» есткое, фиксированное расположение элементов в узлах сетки (необязательно на одной поверхности), исключающее пространственное перераспределение элементов в системе координат поверхности (возможно движение или деформация сетки не по инициативе элементов). Активные информационные связи между элементами и центральным звеном для обеспечения синхронной и согласованной деятельности — локальные и глобальные задачи управления. Области применения: «дельфинья шкура» (согласованные движения элементов гасят турбулентность и уменьшают аэро- или гидродинамическое сопротивление), активные акустические подавители шума, активные адаптивные оптические системы и радиотехнические антенны, диагностика состояния и очистка корпуса корабля от обрастания. Æ Îáëàñòè ïðèìåíåíèÿ Òåõíè÷åñêèå îñîáåííîñòè Ñëåæåíèå çà ïîãîäîé, âîçäåéñòâèå íà îáëàêà è èíûå àòìîñôåðíûå íåîäíîðîäíîñòè. Ñëåæåíèå çà ðàäèîàêòèâíîé îáñòàíîâêîé, íàáëþäåíèå çà ìåñòíîñòüþ. Ðàñïðåäåëåííîå âîçäåéñòâèå íà ëåòàòåëüíûå àïïàðàòû è áèîëîãè÷åñêèå îáúåêòû. Àêòèâíîå è ïàññèâíîå âîçäåéñòâèå ñ ýëåêòðîìàãíèòíûìè èçëó÷åíèÿìè ðàçëè÷íûõ äèàïàçîíîâ è íàïðàâëåíèé Îòñóòñòâèå ìåõàíè÷åñêèõ âçàèìîñâÿçåé ìåæäó ÷àñòèöàìè «ïûëè». Îòíîñèòåëüíîå ñëàáîå èíôîðìàöèîííîå âçàèìîäåéñòâèå ìåæäó ÷àñòèöàìè. Óïðàâëåíèå è ïåðåäà÷à èíôîðìàöèè ÷åðåç öåíòðàëüíîå çâåíî. Âîçìîæíîñòü ýíåðãîñáåðåæåíèÿ èç îêðóæàþùåé ñðåäû Èìèòàöèÿ «äåëüôèíüåé øêóðû». Óïðàâëåíèå ïîãðàíè÷íûì ñëîåì ëåòàòåëüíûõ àïïàðàòîâ. Àäàïòèâíûå ïîâåðõíîñòè èçëó÷àòåëåé è îòðàæàòåëåé âîëíîâûõ ïîëåé ðàäèîîïòè÷åñêîãî è àêóñòè÷åñêîãî äèàïàçîíà Ôèêñèðîâàííîå ðàñïîëîæåíèå ýëåìåíòîâ â óçëàõ ñåòêè. Àêòèâíûå èíôîðìàöèîííûå ñâÿçè ìåæäó ýëåìåíòàìè è öåíòðîì äëÿ îáåñïå÷åíèÿ ñîãëàñîâàííîé ðàáîòû Àäàïòèâíîå çàõâàòûâàíèå è ïåðåìåùåíèå ðàçëè÷íûõ îáúåêòîâ. Èçìåíåíèå êîíôèãóðàöèè êðûëüåâ, âèíòîâ, ðóëåâûõ ïîâåðõíîñòåé Àêòèâíûå ñèëîâûå ñâÿçè ìåæäó ýëåìåíòàìè, èçìåíÿþùèìè ðàçìåðû è ôîðìó ñòðóêòóðû â ñîîòâåòñòâèè ñ çàäàííîé öåëüþ Рис. 3. Îáëàñòè ïðèìåíåíèÿ è òåõíè÷åñêèå îñîáåííîñòè «óìíûõ ñòðóêòóð» Êîìïåòåíòíîñòü 5–6 /34–35/2006 ИННОВАЦИИ «Умная структура» иловые механические связи между элементами; пространственное перераспределение, перемещение элементов возможно не только по их собственной инициативе, но и под действием связанных с ними других элементов. Еще более активны информационные локальные и центральные связи. Необходимость определения не только локальных, но и глобальных координат элементов. Области применения: движущиеся устройства робототехнических систем («руки», «ноги», «схваты», инструменты), распределенная система реактивной тяги и управления летательных аппаратов, изменение конфигурации крыльев, винтов, рулевых поверхностей. Переход от сосредоточенных к распределенным информационным системам ставит ряд совершенно новых проблем для всего коллектива специалистов из различных предметных областей, совместно разрабатывающих новую смарт-систему. Касается это и вопросов разработки алгоритмов управления как отдельными элементами, так и всей системой в целом. Какую степень «интеллектуальности» и самостоятельности следует обеспечить элементам, нужно ли этим элементам для успешного выполнения их частных задач иметь информацию о состоянии «соседей» и знать глобальные цели всей системы? Совершенно очевидным является тот факт, что сосредоточение всех функций управления в центральном звене системы, состоящей из нескольких тысяч активных элементов, невозможно. Для решения такого рода вопросов были бы полезны знания Ñ 9 об алгоритмах поведения сообществ коллективных насекомых: пчел, муравьев, термитов. Они вообще не имеют центрального звена управления, у них не проводятся производственные совещания, планирование и подведение итогов деятельности. Каждый член сообщества выполняет свою локальную задачу, а все вместе они достигают совершенно другую, глобальную (системную) цель. Другим важным вопросом является эффективность того или иного физического воздействия отдельных элементов на систему или объект: полезно выявить те критические точки, слабые воздействия на которые приводят к сильным результатам. Одной из важнейших проблем для распределенных МЭМС (особенно для автономно движущихся элементов структур, таких как «умная пыль») является проблема энергетического запаса и его пополнения. Оптимальными могут быть решения, при которых элементы черпали бы энергию, необходимую для их жизнедеятельности, непосредственно из окружающей среды: солнечный свет, потенциальная энергия сброшенных с самолета пылинок, кинетическая энергия ветра, энергия турбулентных потоков, обтекающих частицу, вибрация устройства, на котором она размещена, временная и пространственная разность температур и внешние тепловые потоки, улавливание веществ из окружающей среды для получения из них химической энергии (аналог пищи для живых организмов). Таков далеко не полный перечень реальных перспектив и вытекающих из них задач в области развития микротехнологий и микроэлектромеханических систем. Список литературы 1. Peterson K., «Silicon as a Mechanical Material», Proceedings of the IEEE, v. 70, No. 5, pp. 420–457, May 1982. 2. Ïÿòûøåâ Å.Í., Ëóðüå Ì.Ñ. Ìèêðîòåõíîëîãèè è ìèêðîýëåêòðîìåõàíè÷åñêèå ñèñòåìû — íîâîå íàó÷íî-òåõíè÷åñêîå íàïðàâëåíèå. Íàó÷íî-òåõíè÷åñêèé âåñòíèê ÑÏáÃÒÓ. — 1999. — ¹ 3. 3. Ïÿòûøåâ Å.Í., Ëóðüå Ì.Ñ., Àêóëüøèí Þ.Ä., Ñêàëîí À.È. Ìèêðîòåõíîëîãèè: îò ìèêðîýëåêòðîíèêè ê ìèêðîñèñòåìíîé òåõíèêå // Äàò÷èêè è ñèñòåìû. — 2001. — ¹ 6. 4. Ïÿòûøåâ Å.Í. Òèïîâûå òåõíîëîãè÷åñêèå ìàðøðóòû ýëåìåíòíîé áàçû ìèêðîñèñòåìíîé òåõíèêè. Íàó÷íî-òåõíè÷åñêèå âåäîìîñòè ÑÏáÃÒÓ. — 2005. — ¹ 1. 5. Ïÿòûøåâ Å. Í., Ëóðüå Ì.Ñ., Ïîïîâà È.Â., Êàçàêèí À.Í. Ñïåöèôèêà òåõíîëîãèè ìèêðîìåõàíè÷åñêèõ óñòðîéñòâ. Íàíîè ìèêðîñèñòåìíàÿ òåõíèêà. Îò èññëåäîâàíèé ê ðàçðàáîòêàì. Ñá. ñòàòåé ïîä ðåä. Ï.Ï. Ìàëüöåâà. — Ì.: Òåõíîñôåðà, 2005. Êîìïåòåíòíîñòü 5–6 /34–35/2006
