2.3. Микро- и наносистемная техника
В условиях современной информационно-технологической революции в мировой практике сформировался ряд "критических" направлений науки и техники, определяющих сохранение за государством, обладающим данной технологией, потенциальной независимости, как с позиций обеспечения своей безопасности, так и конкурентоспособности наиболее наукоемких отраслей промышленности.
Критические (называемые также "generic" – родообразующие) технологии признаются наиболее существенными для инновационной экономики. Они включают в себя программное обеспечение, биотехнологию и науки о жизни, энергетику, информацию и коммуникации, автоматизированное производство, материалы, транспорт, проблемы городского хозяйства и строительства. Одной из таких "критических" технологий является микроэлектроника. Как известно, особо тонкой и скрупулезной работой всегда славились ювелиры и золотых дел мастера. Были, правда, еще механики, способные научить железную нимфозорию танцевать кадриль, а также любители, готовые эту нимфозорию, сиречь блоху, подковать. Но все это было просто игрушками и украшениями, до тех пор, пока электроника не стала настолько миниатюрной и мощной, что научилась управлять тысячами различных устройств и обрабатывать информацию от миллионов сенсоров. Умным и маленьким микрочипам понадобились глаза и уши, а также руки и ноги, и технологи всерьез занялись миниатюризацией сенсоров, двигателей и механизмов.Микроэлектроника и микротехнология, то есть сверхминиатюрные электронные приборы и способы их реализации на микроуровне, начиная со второй половины XX столетия доминировали в обеспечении научно-технического прогресса при создании наукоемкой конкурентоспособной продукции гражданского и специального назначений.
Анализ современного состояния в области техники новых поколений и "критических" технологий в ряде наиболее развитых стран позволяет сделать заключение о том, что в последние десятилетия быстро прогрессирующим направлением является микросистемная техника [1].
Отличительная особенность микросистемной техники – системная интеграция классических принципов электроники, физики твердого тела, жидкости и газа, механики, оптики, электротехники, теплотехники, химии и биологии, реализуемая в технических решениях на микроуровне. Изготовление микро-электро-механических систем (МЭМС) стало вполне самостоятельной отраслью промышленности и сегодня их можно встретить не только в исследовательских лабораториях, но и в быту, и на производстве. Устройства микроэлектромеханических систем действуют как и устройства макроразмеров и даже выглядят также – с моторами, передачами и рычагами, изготовленными из стекла, керамики или металла [2, c. 32].Традиционные технологии изготовления микродеталей имеют жесткий предел мелкости, определяемый размером обрабатывающего инструмента.
Главные орудия производства микромеханических устройств – это свет и химические реакции. Проецируемые на кремниевую пластину и (вейфер), как на экран, различные изображения с фотографической точностью формируют нужные структуры, причем и проявка, и нанесение фоточувствительного слоя могут быть многократными, так же как и растворение лишнего материала, и наращивание новых слоев кремния и его соединений, а также металлических проводников.
Следует отметить, что микротехнология как бы выросла сама в процессе фотографирования, проявления, травления, окисления, легирования, напыления и десятков других операций, применяемых одновременно к сотням одинаковых механизмов. Толщина этих шестеренок составляет всего 1 микрон (тысячная доля миллиметра). Свет посредством процессов, схожих с фотографическими "рисует" на поверхности то, что химия потом растворяет, а физика – видоизменяет.
Химия вместе с фотолитографией сегодня творит чудеса, и так же как при изготовлении микропроцессоров, детали микромеханизмов наращиваются послойно, скрепляясь между собой тонкими перемычками из диоксида кремния. И только когда «выращены» все шестеренки и закреплены все оси, система «размораживается» с помощью кислоты и приходит в движение.
Современная микромеханика не просто эксплуатирует разработанные микроэлектроникой технологии, но и поставляет жизненно необходимые компоненты для микропроцессорных устройств.
Кремний – не единственный претендент на основной материал микромеханики: фотоотверждаемые полимеры, оказывается, можно использовать не только в качестве зубных пломб, но и при изготовлении объемных микроконструкций. В этом случае формирование твердой основы механизма происходит путем сканирования объема полимера сфокусированным лазерным лучом. Для того чтобы избежать частичной полимеризации материала по всей длине светового луча, используют специальные химические реакции, протекающие наиболее интенсивно в присутствии двух лазерных лучей с разными длинами световых волн. Таким образом, полимеризация, то есть затвердевание жидкою полимера, происходит только в областях пересечения двух световых потоков. Лазерная технология позволяет создавать микроизделия самой причудливой формы и допускает полную автоматизацию процесса, однако в этом случае уже невозможно одновременное изготовление большого числа микромеханизмов, как это происходит в случае использования метода фотолитографии. Еще шире круг обрабатываемых материалов и меньше размер готовых изделий становятся при использовании мощных ионных пучков. Используя поток протонов, можно делать механизмы с поистине манометровым размером. Только вот законы квантовой механики немного отличаются от законов классической, и поведение машин с шестеренками всего из нескольких миллионов атомов будет совсем не похоже на работу привычных часов.
Но любая микромеханика без встроенных микросенсоров будет слепа и сможет работать только по твердо заданной программе. И поэтому сегодня разного рода сенсоры активно интегрируются в состав микросхем. Уже имеются микропроцессоры, содержащие до 60 различных датчиков на одном базовом кремниевом кристалле. Причем изготавливается эта умная и чувствительная схема в едином технологическом процессе и является поистине интегральной, поскольку объединяет в себе не только тысячи резисторов и транзисторов, но и целую систему измерителей и исполнителей.
Такая система способна не только «чувствовать», но и перемещать небольшие массы на вполне заметное расстояние. Одними из наиболее массовых изделий такого рода являются датчики столкновения инициирующие надувание подушек безопасности в современных автомобилях. Микропроцессор постоянно анализирует сигнал от микроакселерометра, и если ускорение автомобиля превышает опасный предел, мгновенно принимает решение об активации системы безопасности. Самыми же популярными являются полупроводниковые интегральные датчики давления, используемые в медицинских тонометрах и автомобильной автоматике, а также датчики силы, помогающие взвешивать на весах продукты и прочие предметы. Например в институте теоретической и прикладной механики В. Анискин со своими коллегами В. Селезневым и А. Шиплюком получил патент на изобретение датчика термоанемометра. Основной рабочий элемент имеет диаметр всего три нанометра (10 в минус девятой степени метра). Благодаря этому масса оказалась в десятки раз меньше, чем у традиционных приборов, и существенно расширен диапазон измерений [3].Миниатюрная подводная лодка, изготовленная немецкой фирмой "Мкротек", пока плавает по моделям кровеносных сосудов, заполненным водой. В перспективе, когда у нее кроме гребного винта появится еще и миниатюрная фреза, такую подлодку можно будет использовать для очистки сосудов. Правда, пока это изделие не автономно, и для вращения винта используется внешнее переменное магнитное поле, однако корпорация "Тошиба" уже изготовила нормальный электродвигатель диаметром 0,8 мм и весом 4 миллиграмма для такого рода "субмарин", и теперь дело за миниатюрным, но мощным топливным элементом, использующим в качестве окислителя кислород, переносимый красными кровяными тельцами – эритроцитами. Исследователи из Калифорнийского университета в Беркли разработали роторный двигатель внутреннего сгорания мощностью 26 милливатт и диаметром ротора 1 мм, но все равно проблема горючего для таких микромашин остается крайне актуальной, поскольку энерговооруженность падает пропорционально микроскопическому объему, а проходимые расстояния остаются вполне макроскопическими. Над задачей питания микророботов специалисты трудятся постоянно, но здесь успехи пока не столь значительны, как в миниатюризации шестеренок. Сегодня уже не только фантасты, но и серьезные ученые рассуждают о том, что полезного может сделать маленький и умелый робот, плавающий по нашим кровеносным сосудам, блуждающий по пищеводу или ждущий факта оплодотворения в фаллопиевой трубе.
Все, что человек умеет делать самодвижущимся и самодумающим, базируется сегодня на электрических явлениях. Электрический ток в микропроцессоре выполняет логические операции, и он же – в электродвигателе – заставляет ротор крутится.
Искусственные мышцы пока малоэффективны, и вся искусственная механика оживает благодаря различным электростатическим и магнитным движителям. Миллионы миниатюрных двигателей, способных за считанные секунды изменить угол обзора космического телескопа или геометрию крыла самолета, кардинально улучшают все характеристики исходных устройств, заставляя разработчиков трудиться не покладая рук, а правительство – изыскивать дополнительные бюджетные средства. Сегодня ученые разрабатывают технологии изготовления и сборки микромеханизмов, а завтра – встроенные микрочипы не только станут кредитной карточкой, но и будут вести постоянный мониторинг нашего самочувствия, выдавая рекомендации по режиму дня и советуя, где лучше пообедать и в какой клинике подлечиться.
Потенциал и перспективы развития микротехнологий огромны. Эти технологии позволяют дать "вторую жизнь" традиционным технологиям. Например, эквивалент кварцевого резонатора, изготовленный по полупроводниковой технологии и легко интегрирующийся в состав электронных микросхем.
Электростатические системы вместе с емкостными датчиками обеспечивают устойчивую автогенерацию электрических колебаний, а механическая консольная конструкция вибратора гарантирует стабильность генерируемой частоты. До последнего времени такие тактовые генераторы были внешними элементами и подключались к микропроцессорам уже на монтажной плате. Сегодня разработаны опытные образцы генераторов в интегральном исполнении. У них, в отличие от кварцевых резонаторов возбуждение колебаний происходит не за счет пьезоэффекта, а благодаря электростатическому притяжению. Причем данным микровибраторам, как и кварцам, присуща долговременная стабильность частоты.
Внедрение в практику изделий микросистемной техники для научно-технического прогресса может иметь более масштабные последствия даже по сравнению с "микроэлектронной революцией", обеспечившей стремительный рост количества и качества современных информационных и телекоммуникационных систем. Информационная и радиоэлектронная компоненты, присущие микро- (опто) электронике, в условиях развития микросистемной техники, обогащаются сверхминиатюрными источниками и преобразователями движения и энергии (микромеханизмы, микромашины), "умными" (адаптивно-сенсорными) конструкционными и функциональными материалами. Имеет место также тенденция интеграции микро- (опто) электроники и микросистемной техники с процессами биотехнологии и биодиагностики, что достигается применением операций микротехнологии для создания аналитико-технологических микрочипов, объединяющих на микроуровне электронно-оптические, механико-флюидные, электрофоретические и теплофизические компоненты.
Современный этап развития высоких технологий характеризуется новой научно-технологической революцией, реализуемой на наноуровне [4]. Основой построения как наноэлектромеханических систем (NEMS), так и других приборов молекулярного масштаба является нанотехнология – технология получения веществ и устройств с наперед заданными свойствами и молекулярной структурой путем их поатомной сборки.[5]
Но наноразмерные структуры, в частности NEMS, – будут строиться и действовать совершенно по-другому: они формируются и функционируют на основе других физических законов. На молекулярном уровне перестают действовать законы механики, используемые для расчетов узлов обычных машин. Законы сопротивления материалов и гидравлики уже не применимы – вместо этого вступают в действие законы квантовой механики, которые приводят к совершенно неожиданным, с точки зрения классической механики последствиям. Фундаментальным базисом "наноиндустрии" – междисциплинарного научно-технического прорыва, форсируемого развитыми странами, являются новые ранее неизвестные свойства материалов и систем.Они возникают при переходе к наномасштабам, обусловленные проявлением квантово-размерных, кооперативно-синергетических и, так называемых, "гигантских" эффектов, определяемых особенностями процессов переноса и распределения зарядов энергии, массы и информации при наноструктурировании[6]. Прикладные исследования с использованием наноматериалов и нанотехнологии обеспечивают создание изделий "наносистемной техники" (сверхпрочные, сверхлегкие, адаптивные, "умные" материалы; сверхвысокочувствительные сенсорные и сверхмощные сверхскоростные информационные системы; высокоэффективные механизмы и машины для генерации, преобразования и накопления энергии и движения, позиционирования и обработки с наноточностью).Эти технологические материалы по массо-габаритным, энергетическим и функциональным параметрам, надежности, стоимости, широте и эффективности применения настолько превосходят традиционные аналоги, что созданная без использования наноиндустрии продукция специального и гражданского назначений в ближайшем будущем окажется не конкурентоспособной.[7]
В настоящее время общепризнанно, что микро- и наносистемная техника имеет приоритетное значение для оборонной промышленности, обеспечения ядерной и экологической безопасности государства, развития биотехнологии и медицинского обслуживания населения.
Особое значение имеет интеграция микро- и наносистемной техники при решении задач в области:
- микробиотехнологии, профилактики и лечении заболеваний, обеспечивая возможность сверхлокального проведения диагностических процедур и избирательного наноколичественного химико-фармацевтического воздействия;
- нанозондовой технологии и нанометрологии, требующих специальных устройств нанопозиционирования и нанолокализации воздействии;
- синтеза и анализа радиоактивных и высокотоксичных веществ, что при ужесточении требований к обеспечению безопасности определяет переход на использование сверхмалых количеств веществ в ограниченных объемах.
Страны, которые в современных условиях фактически определяют научно-технический прогресс, используют по отношению к микро- и наносистемной технике термин "критические технологии", тем самым придавая программам исследования и разработок статус "национальных".
Определяя возможное влияние развития направления "микро- и наносистемная техника" на научно-технический, образовательный и промышленный потенциалы России, следует отметить, что данное направление является:
- наукоемким, способствующим сохранению и развитию научного и промышленного потенциалов высоких технологий, научных и научно-педагогических школ.
- -стратегическим, определяющим траекторию развития страны в ближайшем будущем
На современном этапе развития инновационной экономики основными направлениями научных исследований и разработок являются:
- фундаментальные основы микро- и наносистемной техники, включая размерные эффекты и масштабирование, синергетические и ассоциативные явления и процессы;
- специальные технологии микросистемной техники, обеспечивающие v формирование или самоформирование 2D и 3D микрокомпозиций на основе конструкционных, функционально-активных и адаптивных материалов различной физико-химической природы;
- процессы нанотехнологии, обеспечивающие синтез нанодисперсных материалов, наноструктурированных композитов и нанослоевых композиций, нанолокализованное нанесение, удаление и модифицирование вещества, искусственную атомно-молекулярную сборку и самосборку;
- методы нанодиагностики, обеспечивающие активную метрику процессов синтеза наноматериалов и нанокомпозиций, контроль геометрии, структуры, состава, электрофизических и оптических параметров, химических и биологических свойств объектов наноразмеров;
- компоненты микро- и наносистемной техники, включая микроэлектромеханические, микрооптоэлектромеханические, микропневматические, микрофлюидные и микротеплофизические сверхминиатюрные сенсорные и исполнительные элементы для современных информационных, измерительных, телерадиокоммуникационных, химических и биомедицинских технологий;
- микро- и наномашины для высокоэффективных генерации, преобразования и передачи энергии и движения, а также реализации прецизионных высокоизбирательных технологических операций и диагностических процедур в условиях технических и биологических объектов.
Представленная ниже схема отражает влияние микро- и наносистемной техники на развитие научно-технологического и образовательного потенциалов.
|
Итак, рассмотренные выше технологии – это лишь отдельные составляющие технологического базиса инновационной экономики. Понимание ситуации, характера и перспектив этих технологий позволит более четко определить приоритеты политики инновационно экономического развития государства.[]9,10]
В России государство уделяет большое значение развитию бионанотехнологического развития
Библиографический список
1. Rubin M., Taylor E. The information sector and GNP: an input–output study // Information processing & Managament. 1981. Vol. 17, № 4. pp. 163–194.
2. Ананян М. Наноробототехника: аспекты технологии//Стандарты и качеcтво. 2003 № 5 С. 32-67.
3. Мегатренды мирового развития/Под ред. М.В. Ильина, В.Л. Иноземцева. М.: Экономика, 2001. 295с.
4. Горохов В.Г. Трансформация понятия «машин» в нанотехнологиях / В.Г. Горохов //Вопросы философии. 2009. №9. С.97-115.
5. Нанотехнологии в ближайшем десятилетии/Под ред. М.К. Роко. М.: Мир, 2002. 292 с.
6. Жоаким К. Нанонауки. Неведомая революция / К. Жоаким, Л. Плевер. – М.: Колибри, 2009. – 240 с.
7. Капица С.П. Синергетика и прогнозы будущего / С.П. Капица, С.П. Курдгомов, Г.Г. Малинецкий. – М.: УРСС, 2003. – 450 с.
8. Малинецкий Г. Доклад о перспективах РФ. 2009. Htpp://www.nanonewsnet.ru/articles/2009/georgii-malinetskii-doklad-o-perspektivakh-rf.
9. Имамутдинов И. Сотрем в нанопорошок / И. Имамутдинов // Эксперт. 2003. №33. С.54-59.
10. Медовнико Д. Без Белой книги / Д. Медовников // Эксперт. 2003. №33. С.59.