Знание-сила, 1997 № 01 (835)

Паровые двигатели микромира

Когда косые лучи предзакатного солнца наконец проникли в комнату, она постепенно начала заполняться жизнью. Первым зашевелилось странное создание, чем-то напоминающее гигантского муравья. Поводя длинными антеннами-усиками и неуклюже подергиваясь, оно потащило свое тело по гладкой поверхности стола. Неожиданно ему чуть ли не на голову откуда-то свалилось еще одно необычное существо тщедушного вида и стало предпринимать отчаянные попытки принять вертикальное положение. Три примостившиеся на противоположном краю стола металлические «бабочки», попав под луч света, начали медленно складывать и раскрывать свои красивые крылья. Тем временем на другом углу робот-убийца «Тэрбот-2» мертвой хваткой вцепился в какое-то подвернувшееся электронно-механическое создание.

«Тэрбот-2 — мой самый совершенный хищник, он способен буквально отрубить голову любой другой твари»,— комментирует происходящее хозяин этого странного зверинца, сотрудник Лос-Лламосской атомной лаборатории Марк Тидден. Им созданы и хищник, и его жертва, и упомянутый «муравей» семисантиметрового роста, и еще около семидесяти странных минироботов.

Причем «строительным» материалом стали детали весьма обыденных устройств: сломанных часов, раздавленных портативных магнитофонов и даже поздравительных открыток, в которые в Америке часто теперь вделывают микрочипы.

Населив всей этой «живностью» искусственный ландшафт, созданный из пластмассовых камней, различных деревянных препятствий и кремниевого «озера», ученый пытается «вывести» минироботов, которые в один прекрасный день смогут взять на себя вместо человека выполнение всей наименее приятной работы по дому, типа мытья окон и полов. Причем Тилден является своего рода еретиком среди других ученых, разрабатывающих минироботов.

Дело в том, что уже сейчас стало возможным использовать при конструировании минироботов микроустройства, которые изготовляются при помощи новейших технологий обработки кремния. Если раньше каждый сэкономленный сантиметр того или иного устройства стоил слишком дорого, то в последнее время ситуация стала меняться.

В самом скором будущем нас ожидает нашествие всевозможных механизмов, размером меньше пылинки. Некоторые из них, вполне возможно, смогут путешествовать по кровеносным сосудам человека.

Большинство микромеханизмов изготавливается точно таким же образом, что и микропроцессоры,— способом фотолитографии. Ультратонкие слои кремния, оксида кремния или металла окрашиваются веществом, называемым фоторезист, пластине придается желаемая форма, а затем ее поверхность экспонируется, что химически изменяет фоторезист. Неизменные участки фоторезиста затем подвергаются травлению и выводятся из, скажем, электронной схемы. Путем вытравления «приносимых в жертву» слоев оксида кремния инженеры могут создавать структуры, внизу которых существует зазор, например, консольную «балку», нависающую над углублением в кремниевой пластине, или поворотный зубец.

Именно такой процесс позволяет достаточно просто наладить поточное производство микроэлектромеханических систем. И поэтому они дешевы. Например, стоимость производства одного акселерометра микромасштаба поточного производства стоит около десяти долларов, а его большой, традиционный аналог уже обходится в сто раз дороже.

Несмотря на то что пока никому не пришло в голову использовать микромашины для изготовления микророботов, они широко применяются в устройствах, которые измеряют силу и давление, особенно если необходимо максимально уменьшить их размер и вес. Так, например, прибор для измерения кровяного давления фирмы «Lucas Nova Sensor» имеет в поперечнике всего 700 микрометров и крепится к заполненному солью катетеру, вставляемому в кровеносный сосуд. Немецкая компания «Microparts» тоже работает на рынке медицинских приборов и разработала ингалятор, в котором при помощи микроустройств для больных астмой лекарство распыляется капельками величиной менее 5 микрометров.

В то время как микросистемы широко применяются в датчиках, микродвигатели или микронасосы находятся на стадии освоения. Кроме нескольких узких областей, приводы на основе мнкротехнологии все еще исключение из правил.

Одной из таких специализированных областей применения новой технологии является манипуляция светом. В цифровом светопроцессоре фирмы «Texas instruments» (элементе проекторов и больших телевизоров) на микросхеме размером полтора на один сантиметр находится около пятиста тысяч алюминиевых зеркал, каждое из которых может двигаться независимо и управляется микромеханизмами. Используя при стандартных разрешениях цифровой светопроцессор, у которого нет строк развертки и видимых элементов изображения, можно получить изображение намного лучшее, чем в телевизорах с электронно-лучевой трубкой.

Еще одна впечатляющая область применения микроприводов — управление масштабным воздействием малых возмущений. Крыло самолета, например, создает и изменяет вихревые потоки во время полета. Микроустройства могут обнаруживать и видоизменять эти завихрения, используя небольшие закрылки, способные мгновенно опускаться. Набор таких приспособлений вполне способен изменить воздушный поток, создаваемый всем крылом.

Несмотря на близкое родство микроэлектроники и микромеханизмов их отношения сейчас выглядят, скорее как несчастный брак. Например, отдельные компоненты микромеханизмов — миниатюрные зубцы, необходимо подвергать высокотемпературной обработке. Без такой обработки они «заворачиваются, как картофельные чипсы», уверяет Пол Макуортер, руководитель отдела интеллектуальных микросистем Национальной лаборатории Сацдия, штат Нью-Мексико, одного из основных центров разработок в области микроэлектромеханических систем. Но при обработке почти готовых микроэлектронных схем в условиях высоких температур они разрушаются, так как плавятся алюминиевые соединения и выводятся химические примеси, добавляемые к полупроводникам, чтобы изготовить транзисторы и другие микродетали.

Макуортер и его коллеги разработали новую технологию, которая поможет решить эту проблему. Проложив «траншею» в кремниевой пластине, они построили микромеханизм внутри нее, а затем подвергли пластину тепловой обработке. После чего заполнили желобок двуокисью кремния до выравнивания поверхности. Затем изготавливается микроэлектронная часть, а в самом конце цикла оксид кремния вытравляется, и механическая часть выходит на поверхность.

Что нас ждет в будущем? Общий рынок микромеханизмов оценивается к двухтысячному году в четырнадцать миллиардов долларов (а рынок персональных компьютеров в 1996 году равнялся десяти триллионам долларов). Подобное расширение рынка будет в значительной степени обязано взрывообразному увеличению областей применения сегодняшних датчиков. Микромеханизм может стоить несоизмеримо меньше, чем все устройство, куда он входит, но его рабочие характеристики, размер и вес станут ключевыми для победы над конкурентами. Также будут появляться все более сложные датчики. Сейчас, к примеру, большое внимание уделяется разработке инерциальных систем управления автомобилем. Помимо акселерометров, для таких систем понадобятся гироскопы, которым необходимы постоянно вращающиеся или вибрирующие детали. Эти активные приборы помогут установить связь между датчиками и приводами.

В конце концов появятся и более сложные приводы на основе миниатюрных двигателей и моторов. Первоначально они скорее всего будут применяться в оборонной промышленности для управления орудиями.

Тем временем одним из самых популярных изображений мнкроустройств остается крошечный робот, свободно путешествующий по кровеносным сосудам человека. Насколько это реально — покажет время.

По материалам зарубежной печати подготовил

Кирилл КУЗНЕЦОВ.

Игорь Лалаянц