Mikroelektromechanické systémy, zkráceně MEMS, kombinují elektronické prvky s mechanickými na jednom polovodičovém čipu. K jejich výrobě se používají upravené postupy známé z produkce integrovaných obvodů, které se vyznačují vysokou sériovostí a nízkými náklady. MEMS se zvolna dostávají do našeho každodenního života, k jejich rozšíření ve větším měřítku je však potřeba ještě překonat několik problémů.
Achillovou patou většiny moderních přístrojů představují jejich snímací prvky. Ve srovnání s integrovanými obvody jsou objemné a podstatně méně spolehlivé; navíc i náklady na jejich výrobu jsou většinou vyšší než náklady na výrobu integrovaných obvodů.
Mozek na čipu
Problémy spojení starého mechanického světa s novým elektronickým by mohly vyřešit právě MEMS. Tyto systémy totiž nabízejí elegantní řešení, díky kterému je možné zvýšit spolehlivost a často i výrazně snížit cenu řady užitečných zařízení. Díky tomu, že je elektronická i mechanická část vyrobena na jedné polovodičové destičce, je možné přímo propojit inteligenci elektroniky s čidly a výkonnými nástroji.
Tímto způsobem vzniká vlastně celý autonomní systém lokalizovaný na jediném čipu, vybavený „mozkem“, „smysly“ a „svaly“. Snímače dokáží zjišťovat mechanické, teplotní, biologické, chemické, optické a magnetické vlastnosti okolí. Elektronika získané údaje zpracuje a rozhodne, jakou akci je potřeba provést - může jít například o přesun, změnu orientace, regulaci, čerpání nebo filtrování. MEMS se tak díky svým schopnostem mohou uplatnit například při identifikaci DNA či manipulaci s genetickou informací, jako skenovací tunelovací mikroskopy nebo zdroje vysokofrekvenčních signálů v komunikacích. Samozřejmostí by se mohlo stát také využití těchto technologií k detekci nebezpečných chemických a biologických látek nebo k průběžné kontrole při výrobě léčiv.
Možnosti uplatnění MEMS zmíněné v předešlém odstavci jsou do značné míry hudbou budoucnosti. V současnosti se MEMS využívají především v automobilovém průmyslu. Zejména díky nim mohou být nejnovější automobily vybavovány airbagy. Zatímco čelní pohlcovače nárazu pracovaly celkem spolehlivě i se staršími snímacími prvky, pro novou generaci montovanou na bocích a stropech to už nestačí. Je totiž třeba podstatně přesněji vyhodnocovat hrozící nebezpečí nárazu vozidla. Vyšší spolehlivost MEMS přitom není vykoupena vyššími náklady, ba naopak – nové airbagy jsou levnější a lépe nastavitelné.
I v dalších oborech se blýská na lepší časy. Zkušenosti výzkumníků ze San Antonia například zaplašily obavy z toho, jak budou MEMS fungovat ve vakuu. Kovové součástky se totiž ve vakuu mají obecně tendenci „slepovat“ k sobě, na úrovni milimetrů a jejich zlomků však k uvedenému jevu nejspíš nedochází.
Naopak napětí potřebné k rozkmitání oscilátoru je s využitím nové technologie podstatně nižší a zesílení signálu vyšší. Elektromechanické oscilátory díky tomu vyžadují podstatně nižší provozní napětí. Zatímco v atmosféře je k jejich rozkmitání potřeba 100-150 voltů, ve vakuu postačí pouhá desetina. Zesílení je dokonce vyšší více než stonásobně.
Nasazení MEMS při výzkumu vesmíru může snížit náklady spojené s těmito projekty. Podstatně menší rozměry ve spojení s nižší energetickou náročností sníží hmotnost družic, a tím zlevní jejich vynášení na oběžnou dráhu. Miniaturizace také umožňuje větší redundanci jednotlivých prvků. Tímto způsobem se snad zvýší spolehlivost automatických družic a sond, které se dokážou lépe vyrovnat s nepředvídatelnými potížemi. Kromě původně plánovaného vesmírného nasazení mohou zkušenosti s prací ve vakuu vést k výrobě MEMS určených pro pozemské podmínky. Zřejmě nejznámějším příkladem zařízení, které by následně mohlo být zdokonaleno, je žárovka..
Zdroje energie
I když u MEMS není velikost tím nejdůležitějším faktorem, řada výzkumných projektů si vytkla za cíl vyrobit miniaturní stroje zaujímající objem jednoho krychlového milimetru. Pokud má jít o plně autonomní mechanismy, měly by mít k dispozici i zdroj energie odpovídající velikosti. To je prozatím jeden z nejtvrdších oříšků, které musí výzkumníci v oblasti MEMS rozlousknout. Přístupů existuje celá řada – od miniaturizace klasických nebo solárních baterií přes vodíkové palivové články až po využití radioaktivity.
Na Floridské univerzitě probíhá výzkum nanomembrán složených z nanotrubiček, které by se měly stát formami pro výrobu nanoelektrod baterií fungujících na klasickém principu anoda-katoda-elektrolyt. Postup výroby je poměrně jednoduchý. Nejdříve jsou vyrobeny formy v podobě nanotrubiček. Do nich se odlijí elektrody z požadovaného materiálu. Když látka ztuhne, jsou trubičky odstraněny. Vědci, kteří takto vyřešili problém výroby komponent, nyní pracují na technologii, jež umožní sestavit z elektrod miniaturní baterii a naplnit ji elektrolytem s dostatečně jemnou strukturou. Průběžné zkoušky ukazují, že takto vyrobené elektrody mají lepší elektromechanické vlastnosti, takže by měly mít životnost prodlouženu na 1 400 nabíjecích cyklů (oproti současným 500 cyklů). Výsledky tohoto výzkumu budeme znát zhruba do tří let.
Jinou cestou se vydali vědci z Cornellské univerzity v New Yorku. Vyvíjejí totiž radioaktivní zdroj energie, který nemusí být dobíjen a jehož životnost by měla být dostatečně dlouhá. Využívá kombinace radioaktivního izotopu (nikl s nukleonovým číslem 63) a měděného plíšku. Při rozpadu radioaktivního izotopu jsou průběžně uvolňovány elektrony, díky čemuž získává měď záporný náboj. Nikl je naopak díky úbytku elektronů nabit kladně, díky čemuž je měděná vrstva přitahována k niklové, dokud se nedotknou a dokud se nevyrovná náboj na obou plochách. Tento cyklus by měl bez přestávky probíhat alespoň polovinu poločasu rozpadu použitého izotopu, tedy zhruba 50 let. Takto získanou mechanickou energii je možné využít buď k výrobě elektřiny, nebo přímo jako pohon mechanických prvků. Jediným problémem je relativně nízký výkon, což by ovšem v případě energeticky nenáročných MEMS neměl být příliš velký handicap.
Chytrý prach
Zatím jako pohádka může znít představa počítače skládajícího se z milionů jednotek velikosti zrnka prachu pracujících na principu distribuovaných výpočtů. Tuto představu se snaží uvést do praxe výzkumníci z Kalifornské univerzity v Berkeley. Vyvíjejí totiž tzv. „inteligentní prach“ – síť výpočetních jednotek vybavených senzory a vzájemně spolu komunikujících. Objem takových částic přitom nepřesahuje 1 krychlový milimetr. Miniaturizace se ovšem netýká pouze rozměrů. S využitím inteligentního prachu poklesne i spotřeba energie – měla by se pohybovat v jednotkách nano- až pikojoulů na zpracování jednoho bitu informace.
Vědci počítají se specializací miniaturních jednotek na různé úkoly – napájení, zpracování informací, zjišťování parametrů prostředí a vzájemné propojení. Výroba inteligentního prachu by měla být natolik jednoduchá a levná, že by takto zkonstruované monitorovací přístroje šlo vypouštět pomocí práškovacího letadla nebo jimi natírat stěny, podlahy a stropy střežených objektů. Tyto druhy MEMS by mohly najít uplatnění i jako diagnostické přístroje, které bude pacient prostě polykat nebo které mu budou vpravovány přímo do krevního oběhu.
K dosažení vytčeného cíle vede ovšem ještě poměrně dlouhá cesta. Je třeba vytvořit specializované procesory s minimálními energetickými nároky, zvolit vhodnou formu komunikace a také samozřejmě získat spolehlivé zdroje energie a vyřešit způsob její distribuce.
Zařízení určené k testování MEMS součástek ve vakuu. Za takových podmínek lze u elektromechanických oscilátorů výrazně snížit provozní napětí a tím i energetické nároky.
Prototyp zařízení využívajícího k pohonu radioaktivní "baterii". Díky radioaktivnímu rozpadu a vzniku opačně nabitých a navzájem se přitahujících součástek může toto zařízení konat mechanickou práci.
Informace na webu
http://www.memsnet.org/ - vstupní brána do světa MEMS http://www.smalltimes.com/ - časopis věnovaný miniaturizaci
http://news.nanoapex.com/ - zprávy věnované nanotechnologiím
http://mems.sandia.gov/ - MEMS v jaderném výzkumu USA
http://www.trimmer.net/ - rejstřík odkazů a informací zaměřených na MEMS
http://www.darpa.mil/mto/mems/ - stránka o MEMS spravovaná armádou USA
PŘEDPLATNÉ
ČLÁNKY DO MAILU