ПРИМЕНЕНИЕ МИКРОСИСТЕМНОЙ ТЕХНИКИ

Современное развитие микроробототехнических систем способно оказать существенное влияние на многие области деятельности человека. Как считают зарубежные эксперты, в промышленном производстве и медицине XXI в.
микророботы будут играть ведущую роль. Технологической базой микроробототехники является микроэлектромеханика - высокая технология двойного назначения, базирующаяся на использовании методов и средств микроэлектроники. В ведущих научно-исследовательских центрах мира выполняется ряд проектов, цель которых - создание миниатюрных роботов. Микросистемная техника в сочетании с современными технологиями позволяет как создать новые робототехнические и мехатронные системы со значительно улучшенными техническими характеристиками при приемлемой стоимости, так и модернизировать имеющиеся системы, причем до уровня образцов новых поколений.

Учитывая все возрастающую стоимость робототехнических и мехатронных систем, можно считать, что использование МЭМС является одной из возможностей решения проблемы дороговизны систем.

В настоящее время компоненты МЭМС находят применение в ряде важных систем промышленного и непромышленного назначения, а наиболее успешно они реализуются в научно-технических, исследовательских и космических проектах. Отметим лишь основные области применения МЭМС в приоритетных направлениях развития микросистемной техники:

минироботы, предназначенные для функционирования в труднодоступных и опасных местах, таких как завалы разрушенных строений, минные заграждения, шахты, подземные коммуникации, трубы;

инерциальные навигационные устройства, выполненные на одном чипе для систем наведения и персональной навигации;

миниатюрные роботы для движения внутри труб малых диаметров для доставки средств разведки, закладки спецсредств, заминирования;

микророботы для борьбы с генетическим, химическим и бактериологическим оружием;

системы электромеханической обработки сигналов для сверхмалых устройств радиосвязи с низким потреблением энергии;

распределенные необслуживаемые сенсорные системы непрерывного слежения, мониторинга обстановки, контроля безопасности;

системы, интегрированные в поток жидкости или газа, для аналитических микроинструментов, системы управления горением в двигателях летательных аппаратов;

взрыватели и предохранительные системы;

встроенные сенсоры и актюаторы для пороговых систем, срабатывающих при определенных условиях;

устройства хранения больших объемов данных с большой плотностью и низкой потребляемой энергией;

интегрированные микро-оптомеханические компоненты для систем распознавания, систем отображения информации и оптоволоконных переключателей.

Военные конфликты последнего времени характеризуются использованием большого количества высокоточного оружия. Применение беспилотных летательных аппаратов и спутников позволило создать информационное поле для мониторинга обстановки в районе операции и боя и наносить удары высокоточным оружием. Этому содействовало развитие радиоэлектроники и микросистемотехники и создание разведывательно-ударных комплексов на базе космических средств, воздушных и морских носителей.

В основе развития и практического применения технологий МЭМС лежат чисто экономические факторы. Известно, что массовое производство микросхем чрезвычайно дешево. В то же время классические промышленные технологии, такие как механообработка, литье, технология пластмасс и некоторые другие, используемые при изготовлении традиционных электромеханических устройств, характеризуются резким увеличением себестоимости производства по мере снижения линейных размеров и увеличения точности изготовления деталей механических систем. Этим и обусловлены попытки изготовления как отдельных деталей механической части, так и всего изделия в целом в едином технологическом производственном процессе, что при массовом производстве значительно уменьшает себестоимость всего электромеханического блока. Кроме того, результирующее изделие получается функционально полным с микрометровыми размерами и минимальным энергопотреблением.

Отдельные характерные примеры промышленных образцов изделий, полученных на основе технологий МЭМС, к примеру емкостной датчик акселерометра марки ADXL-50. Консоли датчика имеют длину 140 мкм. зазор между консолями составляет 2 мкм. Датчик расположен в центре платы акселерометра в окружении электронных блоков предварительной обработки сигнала и буферных каскадов. Вся плата акселерометра изготовлена в едином технологическом МЭМС процессе. Интересен тот факт, что в общепромышленном исполнении масса изделия составляет 50 г, в то время как для военных приложений тот же узел выполняется массой 5 г.

Основной целью японского проекта “Micromachine Technology Project” являлось развитие технологий для создания микроробототехнических средств, способных решать следующие задачи:

автономно передвигаться внутри кровеносных сосудов и органов живых организмов, осуществляя диагностику заболеваний и хирургические операции;

проводить диагностирование и ремонт сложного промышленного и транспортного оборудования в труднодоступных местах (внутри трубопроводов авиационных двигателей, оборудования атомных электростанций и химических производств).

Этот проект выполнялся в рамках многоцелевой программы “Industry Science and Technology Frontier Program”, руководство которой осуществлялось Агентством промышленных наук и технологий (AIST) Министерства внешней торговли и промышленности Японии (М1Т1). Головной организацией является Центр микромашин (ММС) в Токио.

На первом этапе этого проекта изучались фундаментальные закономерности микромира в области механики, гидродинамики, теплопередачи. Осуществлялась разработка новых материалов, в том числе с управляемыми свойствами. Исследовалась элементная база микроустройств, включая энергетические микроэлементы, и технология ее изготовления.

Для оценки состояния и перспектив развития микроэлектромеханиче-ских систем на основе зарубежных данных можно ввести коэффициент качества, позволяющий оценить уровни интеграции МЭМС и представляющий собой произведение числа транзисторов (Г) и числа механических компонентов (ЛУ). Проиллюстрированы возможности микросистемной техники, а также показаны примеры реализации серийно выпускаемого акселерометра, изготовленного по технологии с топологическими нормами 2-10 мкм, и возможные перспективы применения МЭМС для аэродинамического управления поверхностью крыла летательного аппарата (рисунок сверху).