Перспективы использования микроустройств в сенсорных сетях

Микросистемная техника (МСТ) — новое направление научной и технической деятельности, которое в последнее десятилетие быстро вторгается во все области производства. Делая упор на заслуги микроэлектроники и микротехнологий, МСТ завоевывает рынки, начиная от вооружений и энергетики и кончая биологией, медициной, от средств мобильной связи до различных устройств домашней техники. Микросистемная техника развивается на стыке огромного количества отраслей науки и техники. За истекшие десятилетия микроэлектронной технологией пройден путь от гибридных сборок, содержащих единичные полупроводниковые вентили, до процессоров, где число транзисторов на чипе издавна превысило миллион. Таковой быстрый рост способностей вычислительного ядра систем управления привел к тому, что наращивание этой подсистемы уже не приводит к адекватному повышению способностей системы управления в целом, ибо слабейшими (по габаритам, цены, энергопотреблению и др.) звеньями цепи оказываются сенсорная (измерительная) и активаторная (исполнительная) подсистемы. Потому предстоящий прогресс техники безизбежно связан с прогрессом сенсорных и активаторных подсистем, сначала на базе микроэлектромеханических дискретных частей, функционально и технологически совместимых с вычислительной подсистемой, а потом и методом полного слияния всех 3-х подсистем в едином микроустройстве.

Имеющиеся технологии МСТ употребляют в главном модернизированные технологические приемы микроэлектроники. Плюсами такового подхода к созданию микроустройств являются:

• Обеспечение очень высочайшей точности производства (наименее 1 мкм).
• Параллельное («групповое») изготовка большего количества схожих устройств, обеспечивающее низкую цена единичного изделия.
• Однотипное и одновременное изготовка механических, электронных и др. частей устройств со сложной топологией и всеохватывающей структурой.

В противоположность обыденным технологическим способам, усложнение геометрической конфигурации (в рамках планарности) не является ограничением и не ведет к удорожанию устройства. В текущее время более освоены датчики самых разных типов и предназначения, которые отличаются малыми габаритами и энергопотреблением, низкой ценой при довольно больших свойствах. Разработаны и интенсивно разрабатываются микродвигатели, насосы, элементы приводов, клапаны, также разные «экзотические» устройства нестандартных схем — шагающие микророботы, микромахолеты и т. д. Аэрокосмические внедрения — область, где малые габариты и масса являются одним из решающих аргументов в пользу МСТ — устройств. Конкретно для этой области еще в конце 60-х годов разработаны и освоены 1-ые маленькие кремниевые датчики давления и акселерометры. Датчики отличаются высочайшими динамическими чертами (собственные частоты датчиков давления — до 500 кГц), меньший поперечник датчика — до 0,4 мм, датчики владеют высочайшей устойчивостью к вибрациям и ударам. Разработаны и используются в аэродинамических исследовательских работах кремниевые зонды термоанемометры, датчики касательного трения. Предстоящим шагом развития является разработка многоэлементных (кластерных) массивов датчиков, выполнение «кластеров» на гибком носителе, обеспечивающем установку конкретно на обтекаемую поверхность либо снутри проточной части каналов (рис. 11.1).

Рис. 11.1 Многоэлементный массив датчиков на гибком носителе для аэродинамических исследовательских работ (Калифорнийский технологический институт).

В целях увеличения надежности авиационных ГТД ведется разработка датчиков, работоспособных в сложных критериях (при больших температурах, уровне вибрации и т. п.). Вышли на уровень летных испытаний исследования по активному управлению потоком с внедрением МСТ. Создание летательных микроаппаратов (ЛМА) авиационного и галлактического предназначения ведется целым рядом организаций в США, европейских странах, в Стране восходящего солнца и Китае. Создаются ЛМА для освещения тактической обстановки. Планируется выводить на орбиты малые (до 500 кг), микро- (до 100 кг) нано- (до 10 кг), и пико (до 1 кг) галлактические аппараты различного предназначения. Большая часть этих разработок базируется на использовании достижений микросистемной техники. Так для летательных микроаппаратов (ЛМА) создаются бессчетные микроаналоги обычных движков (электромоторы, ДВС, ЖРД, турбины) (рис. 11.2).

Рис. 11.2 Демо микро-ЖРД, разрабатываемый в Массачусетском технологическом институте

Лабораторией микротехнологий и МЭМС СПбГПУ накоплен опыт разработки разных микромеханических устройств, в т. ч. датчиков давления, термических преобразователей различного предназначения. Датчики давления – одна из первых микроэлектромеханических разработок нашей лаборатории, производилась для отдела промышленной вентиляции ЦАГИ. Нужно было создать датчики для установки конкретно на поверхность аэродинамической модели (т. н. «низкопрофильный датчик»). Датчик был выполнен по традиционной МЭМС — технологии: мембрана, сделанная жидкостным травлением с диффузионными тензорезисторами, соединенными по мостовой схеме. Датчики устанавливались на поверхность моделей при помощи клея. Для исследования нестационарных аэродинамических процессов в проточной части нагнетателей газоперекачивающих агрегатов (ГПА) разработаны и обширно применялись на модельных и натурных ступенях датчики пульсаций статического давления. Конструкция датчиков предугадывает установку на рабочие колеса и обеспечивает работоспособность датчиков при уровне ускорений до 30000 g (рис. 11.3).

Рис. 11.3 Кремниевые датчики давления для аэродинамических исследовательских работ

Термические преобразователи, разработанные по заказу ВНИИ Метрологии им. Менделеева для вторичного образца, по ряду характеристик имеют характеристики лучше, чем у имеющихся вторичных стандартов переменного напряжения. Разработанный чип применен для сотворения ряда макетов термических преобразователей: термоанемометра с косвенным обогревом, датчика отрыва потока, вакуумметра, инклинометра, микрорасходомера (рис. 11.4). Проработаны вопросы использования датчиков на базе термического преобразователя для систем определения характеристик движения ЛМА.

Рис. 11.4 Термический термоэлектрический преобразователь

Более сложные микроэлектромеханические структуры производятся для инерциальных вибродатчиков с электростатическим приводом. Датчики акселерометров и гироскопов разрабатываются для систем навигации быстродвигающихся объектов. Для контроля плотности корпусов употребляется вакуумметр, сделанный на базе термического преобразователя (рис. 11.5).

Рис. 11.5. Модуль блока инерциальной навигационной системы (разработки лаборатории МТ и МЭМС СПбГПУ).

Для этих и ряда других разработок сотворен ряд уникальных микротехнологий, обеспечивающий полный цикл операций. Накоплен значимый межотраслевой опыт сотворения изделий микросистемной техники — лаборатория ведет разработки в тесноватом содействии с ведущими кафедрами ряда технических институтов, лабораториями и предприятиями, специализирующимися в области микросистемной техники.