Новые исследования и разработки в области МЭМС-технологий и создания микросистем

Российские научные центры и вузы активно развивают микросистемную технику. Создаются новые датчики, акселерометры и даже МЭМС-генераторы энергии, что критически важно для импортозамещения в электронике.

Применение новых технологий микроэлектромеханических систем (МЭМС) позволило значительно уменьшить массогабаритные характеристики, энергопотребление и стоимость датчиков различного назначения, что расширило область применения микросистемной техники. Развитие сенсорных систем обеспечило возможность совершенствования разнообразных изделий в таких областях, как телекоммуникации, робототехника, транспорт, электронное машиностроение, авиация и др. Для достижения высоких характеристик МЭМС-изделий требуется решить новые задачи, связанные с учётом физических свойств новых материалов, влиянием инструментальных погрешностей изготовления чувствительных элементов и условий функционирования на погрешности измерений датчиков.

Проблема разработки и производства новых МЭМС-устройств является актуальной для российского прецизионного микроэлектронного приборостроения и может быть решена с помощью применения новых технологий, технических решений и методик проектирования. В настоящее время в связи с актуальностью решения задач в области импортозамещения электронной компонентной базы для отечественной микроэлектроники отрасль испытывает особую потребность в изготовлении как сенсорных изделий, обеспечивающих высокоточное измерение физических величин (скорости потока газа и жидкости, давления, ускорения, температуры, магнитного поля и др.), так и других типов электронных устройств на базе технологии МЭМС.

В Центральном научно-исследовательском институте химии и механики (ФГУП «ЦНИИХМ») в рамках выполнения инициативной ОКР «Разработка высокоточных миниатюрных микромеханических датчиков линейных ускорений» создана линейка микромеханических акселерометров полностью российского производства с диапазонами чувствительности ±10 м/с², ±100 м/с², ±300 м/с² широкого круга применений. Изделия формируют выходной аналоговый сигнал, пропорциональный действующему вдоль оси чувствительности ускорения. Они могут быть использованы в качестве прецизионных инклинометров, в составе систем ориентации, стабилизации и навигации различной техники. Устройства являются функциональными аналогами линейных микромеханических акселерометров иностранного производства фирм Safran SA, Murata Electronics Oy, Analog Devices, Tronics.

В составе акселерометра применяется маятниковый кремниевый чувствительный элемент, изготовленный по технологии МЭМС, обеспечивающий возможность достижения высоких эксплуатационных характеристик в сочетании со стойкостью и прочностью к воздействию внешних воздействующих факторов. Гарантировано функционирование в диапазоне температур –60…+85 °C. Изделие оснащено встроенным датчиком температуры, который может быть использован для термокоррекции. Особенности конструкции изделий и технологии их создания позволяют добиться высокой прочности к ударным воздействиям.

В Новосибирском государственном техническом университете НЭТИ работают над созданием электростатических МЭМС-источников питания (микрогенераторов), преобразующих энергию механических колебаний в электрическую энергию и позволяющих заменить традиционные батареи и аккумуляторы, которые требуют периодической замены или подзарядки. Работа ведётся в рамках проекта «Исследование принципов построения электростатических МЭМС-преобразователей энергии вибрации в электрическую энергию» при поддержке Российского научного фонда и правительства Новосибирской области.

Создаваемые источники питания позволят упростить обслуживание и значительно расширить области применения беспроводных устройств. Они теоретически могут использоваться, например, в качестве источников питания для имплантированных кардиостимуляторов. Кроме того, микрогенераторы способны работать при низких температурах, при которых ёмкость батарей и аккумуляторов сильно уменьшается.

Актуальность проекта обусловлена, во-первых, тем, что в окружающей среде много так называемого энергетического мусора: это различные шумы, вибрации. Во-вторых, существует потребность в автономных источниках питания для различных датчиков, которые проблематично и/или экономически нецелесообразно запитывать проводным способом. Поэтому возникла идея энергетический мусор преобразовывать в электрическую энергию и подзаряжать аккумуляторы, от которых эти датчики питаются.

Разрабатываемое устройство основано на преобразовании энергии механических вибраций, присутствующих в окружающей среде, в электрическую энергию с помощью электростатического МЭМС-преобразователя. В основе работы электростатических МЭМС лежит конденсатор переменной ёмкости, в котором и происходит преобразование механической энергии в электрическую.

Исследования в области МЭМС-технологий и микросистем активно проводят специалисты МИЭТ, которые разработали целый ряд датчиков физических величин на основе МЭМС-технологии, в том числе инерциальные датчики и датчики удара. Одним из путей реализации трёхмерной интеграции микросистем, который позволяет не только уменьшить массогабаритные параметры, но и улучшить характеристики и даже снизить себестоимость изделия, являются новые методы корпусирования. Новая научно-исследовательская лаборатория «Передовые технологии корпусирования и производства 3D микросистем» (НИЛ ТКПМ) создана на базе Института нано- и микросистемной техники (НМСТ) МИЭТ с целью проведения комплексных исследований и разработок в области технологий трёхмерной интеграции электронной компонентной базы. Основным технологическим партнёром лаборатории стал Зеленоградский нанотехнологический центр (ЗНТЦ), располагающий производственными помещениями с чистыми комнатами и современным технологическим оборудованием для сборки и монтажа широкого номенклатурного ряда микросхем.

Среди направлений исследований и разработок новой лаборатории – технологии корпусирования чувствительных элементов МЭМС и сенсоров; технологии корпусирования кристаллов СБИС, СнК; технологии создания гомогенных и гетерогенных трёхмерных микросборок и систем в корпусе; технологии прецизионного беспроволочного монтажа многовыводных бескорпусных микросхем с теплоотводящими элементами (процессоров, память, ПЛИС, СнК); технологии производства высокоинтегрированных интерпозеров с TSV; методология проектирования 3D микросборок и систем в корпусе с мультифизическим моделированием и интеграцией с PLM-системами.

Среди организаций, которые занимаются микросистемной техникой и МЭМС, стоит упомянуть также НПК «Технологический центр», специалисты которого ведут разработку дискретных и матричных преобразователей давления, ускорения и микрофлюидных систем, а также преобразователей магнитного и электрического тока. Кроме того, работы в области микросистемной техники и микродатчиков проводят группы исследователей из Санкт-Петербурга, Арзамаса, Ярославля, Москвы, Новосибирска, Ульяновска и других городов.

Руководителем секции выступит Тимошенков Сергей Петрович, доктор технических наук, профессор, директор Института НМСТ НИУ МИЭТ, а его заместителем – Дюжев Николай Алексеевич, кандидат физико-математических наук, директор ЦПК «МСТ и ЭКБ» МИЭТ.

Вопросы разработки МЭМС-датчиков и преобразователей (акселерометров, гироскопов, инклинометров), оптических МЭМС-систем, акустических микросистем, технологий создания микросборок, многокристальных модулей и систем в корпусе можно будет обсудить на заседаниях секции №8 «Микросистемы. Сенсоры и актюаторы» на Российском форуме «Микроэлектроника 2025».

***

Организаторами форума «Микроэлектроника 2025» выступают АО «НИИМЭ» и АО «НИИМА «Прогресс» при поддержке Министерства промышленности и торговли Российской Федерации, Министерства науки и высшего образования Российской Федерации. Генеральные партнёры – НИЦ «Курчатовский институт», Государственная корпорация по атомной энергии «Росатом», Фонд перспективных исследований (ФПИ). Стратегический партнёр – Группа компаний «Элемент». Официальный партнёр – ОАО «РЖД». Инновационные партнёры – Холдинг «Швабе», ООО «Лазерный Центр», Многопрофильный ИТ-Холдинг «Национальная компьютерная корпорация», ООО «Т8», АО «Крафтвэй корпорэйшн ПЛС». Стратегический информационный партнёр – Генеральное информационное агентство «ТАСС». Образовательный партнёр – Университет «Сириус». Спортивный партнёр – НИУ МИЭТ. Партнёры – ООО «ХайТэк», ООО «НМ-Тех», АО «Корпорация Роботов»,Т1 Интеграция, АО НИИТМ, АО «Концерн ВКО «Алмаз – Антей», АО «Уральское проектно-конструкторское бюро «Деталь», НИЯУ МИФИ, АО «Сигналтек», АО «Нанотроника», Российский научный фонд, АО «НПЦ «РПК», Группа компаний «Остек», Консорциум робототехники и систем интеллектуального управления, ООО «ФОРМ». Генеральный информационный партнёр – АО «РИЦ «ТЕХНОСФЕРА». Оператор Форума – Агентство деловых коммуникаций «ПрофКонференции».