— Товарищ Лебедев, вам слово, — пригласил Шокин.
— В 1954 году в научной литературе появились сообщения об открытии пьезорезистивного эффекта в полупроводниках, в частности, в кремнии и германии. Тогда, если помните, мы как раз начинали наши работы по освоению полупроводниковой электроники, — напомнил присутствующим академик Лебедев. — Прочитав об этом открытии, мы провели масштабный поиск по всем доступным источникам информации, — он сделал небольшую паузу, слегка выделив слово 'доступным'. Хрущёв понял, что Сергей Алексеевич намекал на присланные документы. — Мы нашли упоминания о так называемых микроэлектромеханических системах, или MEMS, как их называют в некоторых странах Запада. В Европе МЭМС принято называть микросистемами (MST), в Японии — микромашинами. У нас в ходе разработок утвердилась аббревиатура МЭМС.
Под МЭМС обычно подразумеваются устройства, которые соседствуют с интегральными микросхемами, работают под их управлением, но заняты не вычислениями, а взаимодействием с физическими проявлениями окружающей среды. Это могут быть датчики или микроскопические исполнительные механизмы, в западной литературе их обычно называют 'актюаторы'.
Изучение вопроса показало, что эта технология имеет очень широкие перспективы применения. Концепция МЭМС построена на интеграции на кремниевой подложке с помощью технологий, аналогичных используемым в производстве микроэлектроники, микромеханических структур датчиков и других измерительных компонентов, исполнительных управляющих элементов и электронных устройств для сбора, анализа, контроля и формирования управляющих сигналов. Эти технологии во многом сходны с теми, что используются для производства микросхем. Поэтому интегральные МЭМС-устройства обеспечивают высокий уровень функциональности, надёжности при относительно низкой цене.
Хотя техника и приборы специального назначения допускают сравнительно высокую цену, то обстоятельство, что МЭМС-технологии позволяют достичь низкой цены, значительно расширяет возможности развертывания сенсорных сетей там, где прежде системным интеграторам это могло показаться избыточным.
МЭМС-датчики давления и движения — акселерометры, гироскопы — моделируют процессы, параметры которых регистрирует микромеханическая структура. Движущаяся структура этих приборов не связана с объектом, поэтому они классифицируются как бесконтактные устройства. Если подвижная структура тщательно спроектирована и полностью защищена корпусом, то миниатюрный датчик высоконадёжен и может функционировать в различных средах и фазовых состояниях, при различных перепадах температур, различных условиях вибрации, при воздействии ударных волн, влажности, загрязнений, электромагнитных помех, радиации. При этом обеспечивается надёжная и точная работа в динамическом режиме, при быстром, скачкообразном, периодическом или апериодическом изменении параметров.
Пока мы только осваивали технологии производства микросхем, налаживали производство высокочистых реактивов, технологического оборудования и сам процесс выращивания кристаллов кремния, наши производственные усилия были сосредоточены на традиционных интегральных схемах, а все разработки по МЭМС велись на лабораторном уровне. Тем не менее, мы понимали значимость этого направления, поэтому работы были развёрнуты не в одной организации, а сразу в нескольких. Наилучших успехов добились три из них — НИИ-35, НИИ-160 и НПО 'Научный центр'. Анатолий Фёдорович, расскажите о ваших работах.
Директор НИИ-35 Трутко достал из кармана спичечный коробок, открыл его и выложил на лист бумаги перед собой несколько крошечных прямоугольных пластиковых корпусов:
— Первыми мы сумели сделать датчики движения, основанные на конденсаторном принципе. Подвижная часть системы — классический грузик на подвесах. При наличии ускорения грузик смещается относительно неподвижной части акселерометра. Обкладка конденсатора, прикрепленная к грузику, смещается относительно обкладки на неподвижной части. Емкость меняется, при неизменном заряде меняется напряжение — это изменение можно измерить и рассчитать смещение грузика. Откуда, зная его массу и параметры подвеса, легко найти и искомое ускорение.
— Это получается, к вашему датчику ещё и отдельный процессор нужен? — тут же уточнил Первый секретарь.
— Нет, процессор не нужен, — ответил Анатолий Фёдорович. — Можно обойтись намного более простой специализированной микросхемой, 'заточенной' для решения очень ограниченного числа задач. Эта микросхема уже выдаёт результаты измерения в готовом виде на исполнительные механизмы, в систему управления, использующую гироскоп, и на радиопередатчик для трансляции на пульт управления.
Каждый чувствительный элемент представляет собой подпружиненную массу в виде гребенки, которая может совершать ограниченные перемещения внутри другой, неподвижной гребенки. Изменение ёмкости вследствие увеличения и уменьшения расстояния между 'пальцами' гребенок пропорционально линейному ускорению.
Чувствительный элемент изготовлен по технологии 'кремний-на-стекле', структура из кристаллического кремния расположена в полости между двух стеклянных пластин.
— Где можно использовать такие датчики? — тут же спросил Первухин.
Из членов Президиума, не являвшихся учёными, Михаил Георгиевич был, пожалуй, наиболее компетентным в технических вопросах. Косыгин тоже хорошо разбирался в технике, но Первухин в этом вопросе его превосходил.
— Акселерометр — один из наиболее востребованных датчиков, — ответил Трутко. — В народном хозяйстве наибольший спрос мы прогнозируем для автомобилестроения — на наших акселерометрах можно строить системы безопасности для автомобилей, организуя по их сигналу выброс воздушных амортизационных подушек для защиты водителя и пассажиров. Также акселерометры уже сейчас востребованы для навигационного оборудования — курсовертикалей и систем инструментальной посадки; в системах курсоуказания; в промышленной и транспортной робототехнике, при создании геофизического и бурового оборудования; в транспортном оборудовании и беспилотных системах, а также в системах стабилизации камер, платформ и подвесов.
— Все сферы применения более чем ответственные, — заметил Первый секретарь. — Надёжность сумеете обеспечить?
— В том и дело, что надёжность МЭМС-компонентов уже сейчас намного выше, чем у более дорогостоящих и сложных механических датчиков, — пояснил Шокин.
— Это за счёт чего? — уточнил Косыгин. — Технология, как я понимаю, совершенно новая...
— В процессе производства МЭМС-компонентов одна из самых серьёзных проблем, которую пришлось решать — очень низкий коэффициент выхода годных изделий, — пояснил директор НИИ-160 Сергей Иванович Ребров. — В начале наших экспериментов КВГ не превышал 0,1 процента. Сейчас для компонентов на основе кремния максимум, что удалось добиться — 2 процента годных, значительно ниже, чем нам удалось достичь для обычных микросхем. Поэтому нам пришлось разрабатывать технологические цепочки со сквозным пооперационным контролем. В результате мы отбираем на выходе с производственной линии только действительно исправные компоненты, которые затем ещё неоднократно тестируются, прежде чем попадают в состав конечного изделия.
— Вот, кстати, из-за очень низкого выхода годных мы параллельно начали экспериментировать с альтернативным материалом, — заметил Трутко. — Сделали эластомер на основе кремния, характеризующийся отличными механическими и химическими свойствами, высокой термостабильностью и за счёт этого выдерживающий чрезвычайно большие механические и термические нагрузки. Его жёсткость на шесть порядков меньше, чем у кремния, поэтому структуры из него могут иметь большую толщину. Отклонение этих материалов под воздействием приложенного напряжения также значительно больше, чем у элементов кремниевых МЭМС. И наконец, в отличие от кремниевых устройств, для которых основной метод изготовления — химическое осаждение из газовой фазы, эластомерные структуры можно формировать более дешёвым методом центрифугирования.
(Реально существующая технология фирмы Solus Micro Technologies — см. Баринов. Волков 'Микромеханика вокруг нас')
— Кроме того, за счёт невысокой стоимости и малых размеров компонентов есть возможность предусмотреть многократное резервирование, — добавил Старос, выкладывая на стол небольшую электронную плату с несколькими квадратиками и прямоугольниками микросхем. — Вот, например, наша разработка для наземных роботизированных систем.
В общем металлокерамическом корпусе мы разместили гироскоп с осью чувствительности Z и два акселерометра с осями чувствительности X и Y. Таким образом получился функционально законченный гибридный блок, способный выполнять функции системы курсовой устойчивости для наземного транспорта. Логичным продолжением этой концепции стал парный модуль — с ортогональным расположением аналогичного блока датчиков. Применение этой пары сделало возможным создание недорогих многоосевых систем управления движением с 'горячим' резервированием внутри блока. Если один модуль выходит из строя, тут же автоматически подключается другой. Габариты платы позволяют разместить на транспортном средстве сразу несколько таких систем, если область применения очень ответственная.
Возможно также комплексное решение — инерциальный измерительный модуль, содержащий три оси гироскопа, три оси акселерометра, а также имеющие возможность интеграции в этот же блок электронного компаса — магнитометра, барометра и даже приёмника сигналов локальной, а в перспективе и глобальной радионавигационной системы. В подавляющем большинстве случаев заказчику достаточно информации о линейной и угловой скорости в трёхмерном пространстве.
— То есть, вот эта штука может в навигационных системах, к примеру, в авиации применяться? — уточнил Хрущёв.
— Совершенно верно, и не только. Основные области применения — экономичное навигационное оборудование; измерительные системы; роботизированное оборудование, как промышленное, так и складское и транспортное; самые различные беспилотные системы; инклинометры для тяжелых условий эксплуатации.
— А это ещё что такое? — спросил Первый секретарь, услышав незнакомый термин.
— Угломерный прибор. Собственно, классические средневековые инструменты вроде секстанта — частные случаи инклинометра, — пояснил Старос. — Разница в том, что такой современный прибор уже может выдавать значения угла в виде цифрового кода. А это сразу открывает возможности для их использования, например, в системах управления станков с ЧПУ.
— Я всё же не понимаю, как можно в такую маленькую фитюльку засунуть гироскоп? — спросил Хрущёв. — Ведь в гироскопе используется принцип волчка? А разве можно сделать волчок таких маленьких размеров?
— Собственно, от гироскопа нам нужно получить управляющий сигнал достаточной точности и в заданном формате, а что там внутри — нам не так важно, — пояснил Старос. — МЭМС-гироскопы могут быть устроены идентично акселерометрам. Просто в них значения ускорений по осям пересчитываются в значения углов поворота — конструкция примерно та же, но на выходе другая величина.
Но у нас используется конструкция с чувствительным элементом индукционного типа, выполненным по технологии МЭМС. В его основе — вибрирующее кольцо. Диаметр кольца — 6 мм, толщина кремниевой структуры — 100 мкм, ширина каждого подвеса Z‐образной ножки — 60 мкм, на подвесе умещается три токоведущие дорожки.
(Устройство реального гироскопа VSG3 фирмы Silicon Sensing Systems Ltd — совместное предприятие BAE Systems UK и Sumitomo Precision Products, SPP, Амагасаки, Япония. Из статьи: А. Бекмачёв 'МЭМС-гироскопы и акселерометры Silicon Sensing: английские традиции, японские технологии')
— Товарищи! Это же настоящий прорыв в области навигационных систем! — обрадованно заявил министр обороны Гречко. — Так. Эти ваши микросхемы-гироскопы надо немедленно засекретить и запускать в производство для военной техники! Мы с их помощью огромные деньги для народного хозяйства сэкономим.
— А вот фиг тебе, Антоныч, — отозвался Первый секретарь. — Это — типичная технология двойного назначения, и для гражданского применения она ещё важнее, чем для военного, потому что прямой доход может приносить, и улучшит качество жизни советских граждан. Поэтому не кипятись, в военных разработках эти компоненты тоже использовать будем, но секретить их наглухо не дадим.
— Да неужели вы не понимаете, что такая микросхема значительно удешевит каждое изделие, где она будет применяться? — запротестовал Гречко.
— Мы это как раз очень хорошо понимаем, и именно поэтому монополию на эти микросхемы ты, Антоныч, не получишь, — ответил Хрущёв. — Свою долю военная промышленность иметь будет, но народное хозяйство имеет высший приоритет.
— А как такая конструкция изготавливается? — спросил Косыгин.
— Используются технологии, очень похожие на применяемые в производстве интегральных схем, — ответил Ребров. — Например, поверхностная микромеханическая обработка. Она совместима с полупроводниковой технологией, по сути при микрообработке используется обычная КМОП-технология. Трёхмерная структура образуется за счёт последовательного наложения основных тонких плёнок и удаления вспомогательных слоёв в соответствии с требуемой топологией. Точно так же напыляются слои материала, покрываются фоторезистом, засвечиваются по маске, затем вытравливаются, лишний материал удаляется. Преимущество данной технологии — возможность многократного удаления путём растворения вспомогательных слоёв без повреждения взаимосвязей базовых слоев. Оборудование несколько отличается, но технология сходная с обычной технологией микросхем.
Другой способ — кремниевая объёмная микрообработка. Он включает технологию глубинного объёмного травления. При таком процессе объёмная структура получается внутри подложки благодаря её анизотропным свойствам, т. е. различной скорости травления кристалла в зависимости от направления кристаллографических осей. Объёмную структуру можно получить и методом наращивания, когда несколько подложек сплавляются и образуют вертикальные связи на атомарном уровне.
— Даже по краткому описанию выглядит очень уж сложно, — покачал головой Косыгин. — Может, имеет смысл кого-то из союзников привлечь?
— Так уже привлекли. Восточных немцев с комбината WEB Robotron, и чехов, — доложил Шокин.
— Вы сказали, ещё есть датчик давления? А его куда можно использовать? — спросил Косыгин.
— Везде, где нужно недорого и постоянно контролировать давление, — ответил Шокин. — Основные области применения — контроль давления в шинах автомобилей и самолётов, любые гидравлические и пневматические системы, робототехника, медтехника. Датчики могут работать в сложных условиях, в воде, в масле.
— Все области более чем важные, Алексей Николаич, — заметил Хрущёв. — Молодцы, товарищи. Мне нравится. Это, как я понял, у вас самое начало промышленного освоения по этой тематике. Дальше у вас какие образцы планируются?
— Массивы управляемых микрозеркал, — ответил Ребров. — Это микросхема, у которой на поверхности размещена матрица из маленьких зеркал, которые могут поворачиваться под управлением ЭВМ. (DMD-чип)
