Наноэлектромеханические системы (НЭМС)

НЭМС
Наноэлектромеханические системы
НЭМС
Микроэлектромеханические системы (МЭМС) – это уже
отработанная технология производства интегральных
устройств
с
механическими
и
электрическими
подсистема с микрометровыми размерами. Если
размеры системы уменьшаются меньше 1 микрона, то
такие системы стали называть по аналогии –
наноэлектромеханическими системами (НЭМС).
НЭМС – технология зарождающаяся, находится на
стадии научных исследований, в производстве
практически не задейстована.
НЭМС
Наномеханический резонатор
Способы изготовления
Две основные концепции изготовления НЭМС:
сверху-вниз(top-down) и cнизу-вверх (bottom-up)
Способы изготовления
Подход сверху-вниз(top-down):
• Фотолитография в глубоком ультрафиолете (EUV, >10 нм,
синхротроны или плазма, разогреваемая импульсом лазера)
• Электронно-лучевая литография (EBL, <10 нм, катоды
с горячей или холодной эмиссией)
• Рентгеновская литография (X-ray Lit., < 1 нм,синхротроны)
• Зондовая литография (Probe Lit., ~10нм,
сканирующий туннельный микроскоп)
• Нанопечатная литография (Nanoimprint, ~10нм, нанопечатные маски)
Способы изготовления
Зондовая литография
Способы изготовления
Нанопечатная литография
Способы изготовления
Подход cнизу-вверх (bottom-up):
Изготовление нанонитей др. наноструктур для НЭМС:
1. Бескаталитическое осаждения из газовой фазы (CVD).
2. Каталитическое осаждение из газовой и жидкой фазы
(VLS, SLS)
3. Темплатное изготовление (на основе матриц из нанопористого алюминия и трековых мембран)
4. Электроспинниг (электроформование).
Способы изготовления
Каталитический рост нанонитей (VLS и SLS)
Нанонити InP,
выращенные по
механизму VLS
Способы изготовления
Темплатный метод
Мембраны
нанопористого
алюминия
Способы изготовления
Электроспиннинг
Установка по изготовлению
нановолокон методом
электроспиннинга
Нанонити, полученные
с помощью
электроспиннинга
Способы изготовления
Электроспиннинг
Установка по изготовлению
нановолокон методом
электроспиннинга
Нанонити, полученные
с помощью
электроспиннинга
Применение НЭМС
Не смотря на то, что существуют НЭМС – нано-захваты или наноэлектромеханические реле, основное и самое перспективное
применение НЭМС – это датчики ультрамалых масс, сил,
смещений и заряда. Все эти высокочувствительные датчики
строятся по схожему принципу – используя в качестве основного
элемента механические нанорезанаторы различной конфигурации.
НЭМС - резонатор
Обобщенная схема работы датчиков на основе наномеханических
резонаторов
НЭМС - резонатор
Плюсы:
• Высокие частоты – возможность избавиться от
сторонних воздействий ( от тепловых колебаний
ћω≥kBT, где ω – частота резонатора, при 50 мК –
1ГГц);
• Высокая добротность (до 10000) и малое
энергопотребление (< 1 мкВт);
Минусы:
• Сложность сохранения точных геомет-рических
размеров. Сильно возрастает роль поверхностных
эффектов (из-за увеличения отношения
поверхность-объем);
• Необходимость охлаждения;
НЭМС - резонатор
Процесс изготовления
НЭНС-резонатора (подход
сверху-вниз, электроннолучевая литография):
НЭНС-резонатор (подход
снизу-вверх, нано
литография):
Характеристики НЭНС-резонаторов
Основные материалы, из которых изготавливаются наномеханические
резонаторы
Повысить резонансную
частоту можно используя
более толстые и короткие
балки из более упругих и
легких материалов
Измерение резонансной частоты НЭМС
Для измерения резонансной частоты часто
применяют ряд методик, таких как
магнитодвижущий, электродвижущий,
оптический методы.
При магнитодвижущем методе
детектирования в АЧХ
наблюдается провал на
резонансной частоте
Измерение резонансной частоты НЭМС
Электродвижущий метод
При магнитодвижущем методе
детектирования в АЧХ
наблюдается пик на
резонансной частоте
Измерение резонансной частоты НЭМС
Оптический метод
Параметры современных НЭМС
Параметры современных НЭМС
Измерение малых масс
Измерение малых сил и смещений
Применения
Количество материалов
и применяемые процессы, чтобы сделать
другие Microtechnologies значительно
превышает те, которые используются для
производства интегральных схем.
Применения: примеры
Оптический микрофотография
швейная игла.Игла на MEMS с
зеркалами оптического
коммутатора (слева),
разработанной Lucent.
Схема (справа) показывает,
как наклон зеркал направляет
сигнал от одного волокна к
другому, независимо от длины
волны света.
"Millipede" технология хранения данных,
разработанные IBM. Схематическое
изображение (слева) принципа
электромагнитного управления и
записи с помощью массива
микрокантилеверов для термической
записи и чтения наноразмерных бит
информации. Схематическое
изображение
(справа) микрокантилеверов: нагретый
зонд для написания битов, а затем их
считывания.
Моделирование с ANSYS
1. Построение 3D модели
2. Предварительная обработка в ANSYS
• задание граничных условий
• задание cвойства материалов и элементов
3. ANSYS решение
4. Задание с помощью MEMS Pro дополненых условий
в ANSYS
Моделирование с COMSOL Multiphysics
Моделирование с COMSOL Multiphysics
•
•
•
•
Исследование резонансных частот
Исследование влияния теплового стресса на резонансную частоту
Оптимизация дизайна
Расчет добротности резонатора
разный дизайн
Список литературы
1. “Наномеханические резонаторы” Гринберг Я.С., Пашкин Ю. А., Ильичев
Е. В., Успехи Физических Наук,т. 182, №4, 2012,
2. “Nanoelectromechanical systems”, K. L. Ekincia, M. L. Roukes, REVIEW OF
SCIENTIFIC INSTRUMENTS, 76, 061101, 2005.
3. “Nano- and Microelectromechanical Systems”, S. E. Lyshevski, CRC Press,
2001.