Mikrosistemotechnika, mikromechatronika ir nanoinžinerija

         Šiandieninių mechatroninių sistemų matmenys yra sąlyginai dideli, pačios sistemos palyginti brangios ir ne pernelyg protingos. Rytdienos mechatroninės sistemos (robotai, manipuliatoriai, pavaros) turėtų būti mažos ir pigios, nors gal būt vis dar ne perdaug protingos. Vis dėlto, jei pavyktų pasiekti bent vabzdžio intelekto lygį, to pačiu metu sumažinant sistemų matmenis ir kainas, atsivertų milžiniškos tokių sistemų panaudojimo galimybės.

http://biorobots.cwru.edu/projects/c_mrobot/c_mrobot.htm

http://www.me.cmu.edu/faculty1/sitti/24779/

          Vienas tokių galimybių pasiekimo būdų yra mikrosistemotechnika, integruojanti mechaninius elementus, jutiklius, vykdyklius ir elektroniką ant bendros silicio plokštelės, naudojant mikromontavimo technologijas. Mikromechatroninės sistemos, gaminamos naudojant mikrosistemotechninę koncepciją, dažnai vadinamos mikroelektromechaninėmis sistemomis (Micro-Electro-Mechanical-Systems, MEMS). Elektroniniai komponentai tokiose sistemose gaminami naudojant įprastinius integruotų grandynų gamybos ciklus (CMOS, bipoliarinis, BICMOS), o mikromechaniniai – naudojant su integruotais grandynais suderinamus mikromontavimo procesus, kurių metu selektyviai ėsdinama silicio plokštelė arba ant jos esančios plonasluoksnės medžiagos, taip suformuojant mikromechaninių sistemų detales.

http://www.memsnet.org/mems/what-is.html

         Mikroelektroniniai grandynai – tai mikrosistemų „smegenys“, turinčios galimybes priimti sprendimus. Mikromechaniniai komponentai – tai „rankos“ ir „akys“, suteikiančios galimybę mikrosistemoms jausti aplinką ir ją keisti. Jutikliai gauna informaciją iš aplinkos mechaninių, temperatūrinių, biologinių, cheminių, optinių ir magnetinių fenomenų pagalba; elektronika šią informaciją apdoroja, priima sprendimus ir suformuoja valdymo signalus vykdikliams, kurie reaguoja judesiu, padėtimi, temperatūra ir kitais veiksmais, keičiančiais aplinką. Kadangi mikrosistemos gaminamos panašiomis technologijomis kaip ir integruoti grandynai, mažame silicio plokštelės gabalėlyje gali sutilpti didžiulės funkcinės galimybės ir didelis sudėtingų sistemų patikimumas, tuo pačiu išsaugant mažą sistemos kainą.

         Pagrindiniai šių gamybos procesų etapai yra medžiagų nusodinimas, litografija ir ėsdinimas. Nors medžiagų nusodinimo ir ėsdinimo procesų svarba kokybiškų mikrosistemų gamyboje yra neabejotina, vis dėlto daugeliu atvejų sistemos detalių dydį riboja turimos litografijos priemonės. Iki paskutiniojo 20-jo amžiaus dešimtmečio dominuojanti litografijos technika buvo optinė ultravioletinių (UV) spindulių litografija, kurios pagalba buvo galima suformuoti mažiausius 0,5 μm dydžio darinius: mažesnių darinių formavimą ribojo UV šivesios bangos ilgis (paprastai 300 – 400 nm) ir difrakcijos reiškiniai. Šiuo metu, naudojant taip vadinamą „gilaus UV“ techniką, yra pasiekta 50 nm darinių riba. Tačiau tai yra fizinė optinės litografijos galimybių riba.

        Siekiant įveikti optinės fotolitografijos apribojimus, šiuo metu kuriamos eksponavimo rentgeno spinduliais ir elektronų pluošteliu sistemos bei joms skirti rezistai. Ypač geras galimybes yra įrodžiusi elektroninė litografija. Naudojant ją yra realu gauti darinius, kurių matmuo mažesnis už 10 nm. Fiziškai elektronų pluoštelis gali būti sufokusuotas iki mažiau nei 0,5 nm, todėl minimalų realių darinių matmenį riboja naudojamų rezistų ir kitų medžiagų savybės. Tokių matmenų dariniai atveria visiškai naujas nanoinžinerijos galimybes: galima „prilituoti“ elektrinius kontaktus prie DNR grandinės, anglies (C₆₀) nanovamzdelio, sukurti nanometrinius Šotki barjerus, sudėtingų formų optinius bangolaidžius.

         a)                                                                          b)

Jussi Toppari „Molacular electronics and nanoscale photonics“, university of Jyvaskyla NSC, presented at NANO2007, Dortmund, Germany.

http://www.jyu.fi/science/laitokset/fysiikka/en/research/material/nanoele/

 Molekulinės elektronikos eksperimentai, naudojant elektroninę litografiją: a) – anglies nanovamzdelis kaip atminties elementas; b) – elektrinių fenomenų tyrimas DNR grandinėje.

 Nanotechnologiniai tyrimai bei jų metu gaunama informacija, kurdami ateities perspektyvą sistemotechnikai, koncentruojasi apie keletą tematinių grupių:

 gamyba – natūralių ir litografijos procesų kombinacija, sukurianti nanometrinius objektus;

pozicionavimas – navigacija pavyzdžio paviršiuje, vizualizavimas, matavimai, judinimas nanomanipuliatoriais;

in-situ modifikavimas – formos suteikimas, detalių ir medžiagų pridėjimas arba nuėmimas;

in-situ matavimai – analizė (topografija, cheminė sudėtis, matmenys ir kit.), kontaktų ir interfeisų makroskopiniams matavimams (elektriniams, magnetiniams, optiniams ir kit.) formavimas.

Mūsų turimi elektroninės litografijos, elektroninės mikroskopijos, atominių jėgų mikroskopijos, medžiagų nusodinimo ir ėsdinimo prietaisai išpildo didžiąją dalį technologinių poreikių, kuriuos formuoja minėtos tematinės nanotechnologinių tyrimų grupės. Todėl esame pasirengę priimti praktiškai bet kokį iššūkį, kurį kelia šiandienos technologinės pažangos tendencijos.

Panevėžio mechatronikos centras. (c) 2007