лекция миниатюрных ружей и револьверов в Тульском музее оружия рядом с обычной зажигалкой 124 Если Вы заг
Работа добавлена на сайт samzan.net:
МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
(Microelectromechanical Systems)
Почему бы нам не сверлить отверстия, резать или спаивать, штамповать или Формовать предметы на бесконечно малом уровне?
Ричард Феинман. « Там внизу много места». 1959 г.
Рис. 1. Коллекция миниатюрных ружей и револьверов в Тульском музее оружия рядом с обычной зажигалкой
124
Если Вы загляните в Тульский музей оружия, то найдете в нем не только богатейшее собрание экспонатов на военную тему. Как известно, Тула — это родина не только самоваров. пряников и оружия. Здесь, если верить Н.С. Лескову, жил удивительный мастер Левша, сумевший подковать английскую блоху, здесь же сегодня живут мастера, создающие миниатюрные копии обычных и необычных предметов Поэтому в музее Вас будет ждать сюрприз — коллекция действующего (!) микроскопического оружия, рассмотреть которую можно только под микроскопом. Вес самого маленького револьвера составляет всего 5,5 г.
Поэтому кажется просто невероятным, что его барабан способен вращаться, а сам револьвер вполне может стрелять крошечными пулями калибра 1,5 мм (рис. 1).
Но сегодня уже и эти экспонаты не удивят ученого: значительно более сложные микроразмерные механические устройства производятся в промышленных масштабах и окружают человека повсюду — мы просто не можем их увидеть! Причем особый интерес представляют не столько просто механические, сколь микроэлектромеханические системы или МЭМСы, способные на микроуровне преобразовывать механическую энергию в электрические или оптические сигналы и наоборот. Создание МЭМСов стало возможным только в последнее время, преимущественно благодаря стремительному развитию полупроводниковых технологий.
ЧАНОТЕХНОДОГИИ
В конце 50-х годов прошлого XX в. известный физик Ричард Фейнман публично пообещал 1000 долларов (немалая по тем временам сумма) тому, кто создаст электрический мотор размером менее 1/64 дюйма (примерно 0,4 мм). Вызов принял молодой ученый Уильям Мак- леллан, который вручную собрал требуемое устройство с помощью пинцета и оптического микроскопа. Сейчас микромоюр Маклеллана можно увидеть в музее Калифорнийского технологического института. Интерес к микроэлектромеханическим системам постепенно охватывал все больше университетов и компаний, и уже к середине 80-х годов прошлого века успехи в области разработки МЭМС привели к созданию первых коммерческих продуктов на их основе
Рис. 2. Почти невидимый невооруженным глазсм клещ с удивлением взирает на микроскопические шестеренки, изготовленные в METU (Турция)
Как правило, к МЭМС относят механические устройства размером от миллиметра до микрометра (рис.2). Важно отметить, что на таком масштабе обычные законы макромеханики не всегда применимы. Поскольку oi ношение поверхности к объему для МЭМС на порядки больше, чем для макроскопических механических устройств, особое значение приобретают поверхностные эффекты, связанные с трением, электростатикой и смачиваемостью Основным материалом для изготовления МЭМС является кремний, что связано с его хорошими механическими свойствами и воспроизводимой технологией структурирования методом литографии, разработанной для создания современных интегральных схем и изделий наноэлектроники. Все это позволяет интегрировать МЭМС с уже существующими электронными компонентами. В то же время, несмогря на массовое производство последних, монокристаллический кремний остается весьма дорогим материалом, поэтому МЭМС нередко изготавливают на основе полимеров Иногда для производства МЭМС используют и металлы (золото, никель, алюминий, хром, титан, вольфрам и другие). Как правило, производство МЭМС оказывается дешевле традиционной сборочной технологии, применяемой при создании макроскопических механических устройств, посколь-
АЗБУКА ЛАЯ ВСЕХ
ку при создании МЭМС расходуется меньше материала, а промышленное производство МЭМС является параллельным процессом, при котором за один производственный цикл на одной кремниевой пластине можно произвести сразу сотни готовых устройств Кроме того, при создании сложных устройств, состоящих из множества компонентов, МЭМС-технология позволяет повысить надежность (поскольку все компоненты интегрированы в одной плате) и эффективность (т.к. компоненты расходуют мало энергии вследствие своего микроскопического размера и близкого расположения элементов).
Чрезвычайно малый размер позволяет использовать МЭМС в различных миниатюрных устройствах, начиная о г механических часов и заканчивая имплантатами для человека Можно выделить несколько применений МЭМС, получивших наиболее широкое распространение.
Акселерометры Пожалуй, наиболее коммерчески успешными устройствами на основе МЭМС в настоящее время являются миниатюрные устройства для измерения ускорений. В час гности, их широко используют в устройствах контро. шрутощих раскрытие подушек безопасности в автомобилях при авариях
Микрозеркала Устройства, использующие системы подвижных зеркал шириной всего 10 мкм, предложила компания Texas Instruments. Угол наклона каждого зеркала независимо управляется МЭМС-устройст вом, благодаря чему можно либо отражать, либо блокировать свет. Подобные системы используются в проекторах для графических презентаций. В свою очередь, благодаря совмещению акселерометров на основе МЭМС для регистрации внешних вибраций с МЭМС-микрозеркалами для коррекции лазерного луча, компания Xerox создала лазерные принтеры с чрезвычайно высоким разрешением печати.
Микрокашътярные устройства Кремниевые чипы с микроскопическими каналами могут быть использованы для адресной in vivo доставки контролируемых количеств лекарственных препаратов В частности, специально для больных сахарным диабетом было разработано
125
Рис. 3. Устройства на основе МЭМС: а — подвижное соединение микрошестеренок; б— микродинамометр, позволяющий измерять как тангенциальные, так и нормальные силы, а также оценивать микротрение. Подвижный стержень и дуговая шкала отмечены стрелкой; в— микроактюатор; г— приводной микромеханизм; д— оптический переключатель. Зубчатый кремниевый диск может быть механически выставлен в 4 положения, условно соответствующих сигналам (0,0), (1,0), (0,1) и (1,1) (два положения отмечены стрелками); информация считывается неподвижным сфокусированным лазерным лучом; е— передаточное микроустройство, преобразующее вращательное движение в поступательное; ж— подвижное кремниевое микрозеркало (показано стрелкой), которое может изменять угол наклона за счет поступательного движения поршня, приводимого в движение передаточным устройством (е); з—оптический затвор; и—трехцилиндровый паровой двигатель: вода внутри каждого цилиндра нагревается электрическим током, и образовавшийся пар выталкивает поршень, при охлаждении жидкости поршень втягивается обратно в цилиндр под действием капиллярных сил.
Адаптировано на основе микрофотографий с сайта Sandia National Laboratories (http://www.mems.sandia.gov)
НАНОТЕХНОЛОГИИ
интегрированное МЭМС-усгройство, объединяющее сенсор на глюкозу и диспергатор инсулина. Микрокапиллярные устройства на основе МЭМС могут использоваться в струйных принтерах для нанесения чернил на бумагу.
Ьиомедипинские имплантаты. Недавно были созданы кремниевые МЭМС-устроисгва, содержащие звуковой сенсор и микропроцессор, который раскладывает звуковые волны на Фу- рье-гармоники. Устройство имплантируется непосредственно в человеческое ухо, после чего полученные Фурье-компоненты напрямую передаются слуховому нерву, благодаря чему глухие люди обре'.ают возможность слышать. В наст оящее время разрабатываются аналогичные устройства для восстановления зрения Как ожидается, рынок биомедицинских импланта- тов на основе МЭМС в ближайшее время будет стремительно расти.
Помимо перечисленных устройств, на основе МЭМС созданы оптические переключатели и затворы, сенсоры напряжений и давления, гироскопы и даже виброчувствительные джойстики в новых игровых приставках NiN- tendo. Размер МЭМС уменьшается от года к году, открывая новые перспективы для их использования, и лишь наше воображение способно подсказать нам, какие еще удивительные МЭМС-устройства появятся на свет в олижайшем будущем (рис. 3). Уже ссготня множество элементов конструкции МЭМС лежит в нанодиапазоне, открывая тем самым новую эру микросистемотехники — эру наноэлектро- механических систем и наноактюатороь
Литера тура
- Poole С. P., Owens F.J. Introduction to Nanotechnoiogy. Wiley-Interscienee. 2003. P. 400.
- http://www.mems.sandia.^ov
АЗБУКА ДЛЯ ВСЕХ
2. ОРГАНИЗАЦИОННОЭКОНОМИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРЕДПРИЯТИЯ [3] 2
3. Неосторожность в праве и ее виды
4. Мы многонациональный народ Российской Федерации соединённые общей судьбой на своей земле утверждая права
5. на тему- ldquo;Актинідія коломікта астрагал шерстистоквітковийrdquo; Актинідія коломікта ~ ctinidi colomict Mx
6. Тема 1 Соціальна профілактика як аспект соціальної політики держави ПЛАН Сутність соц
7. Основные виды страховани
8. Китайская хохлатая1
9. Многофазные цепи и системы
10. ТЕМА Строение вегетативной нервной системы
11. фотография переводится как светопись что отражает основополагающую роль света в процессе фотографиров
12. Вычисление случайных величин
13. поместье для обозначения особого вида условного землевладения выдаваемого за выполнение государственной
14. тематикаrdquo; це слова всесвітньо відомого математика Михайла Кравчука
15. . Перетворення Галілея і Лоренца як альтернативні наслідки принципу відносності і симетрій простору і часу
16. тема надзора за исполнением налогового законодательства законностью и полнотой мер принимаемых органами
17. Песчаная россыпь
18. Проектирование кодопреобразователя
19. Интеллектуальные элиты и их роль в современной элитной конфигурации
20. Художественный анализ стихотворения «Быть знаменитым некрасиво»