Микроэлектромеханические системы — это микроминиатюрные устройства, которые сочетают в себе элементы электроники и механики и широко применяются в системах мониторинга различных физических параметров. Например, это резонаторы, гироскопы, микромоторы, акселерометры или микромеханические переключатели.

Применение МЭМС позволяет существенно снизить габариты элементов сенсорики и одновременно на порядки повысить точность и надёжность измерения значений параметров. Технология МЭМС позволяет производить как достаточно простые и недорогие, миниатюрные изделия при достаточно больших объёмах выпуска, так и сложные, специализированные, высокоточные, сверхминиатюрные и высоконадёжные изделия для различных сфер применения, таких как автомобильная электроника, авиационная техника, автономные робототехнические комплексы, миниатюрные бытовые электронные устройства, а также военная, медицинская, научная и другая специализированная техника.

В Южном федеральном университете данное направление активно развивают сотрудники Передовой инженерной школы «Инженерия киберплатформ». На базе Школы разворачивается полный цикл разработки МЭМС, включая проектирование, моделирование, производство и тестирование опытных партий изделий для решения широкого круга задач. Это микропереключатели для защищенных сетей, микромембраны, многоосевые микро- и наномеханические акселерометры и гироскопы, а также переключатели с емкостным принципом коммутации. Важнейшей задачей коллектива является не просто разработка технологий создания таких устройств, а выстраивание тесного эффективного взаимодействия с предприятиями реального сектора экономики РФ, при котором решения, разрабатываемые в университете, максимально быстро внедряются в производственный процесс. В результате такого взаимодействия с АО «Элемент» проект ПИШ «Исследование и разработка технологии инкапсуляции МЭМС элементов в слоях кремниевой пластины»(№ 24-91-23005) в апреле 2024 года был поддержан в конкурсе на получение грантов Российского научного фонда по выполнению ориентированных и прикладных научных исследований в рамках стратегических инициатив Президента Российской Федерации в научно-технологической сфере в области производства приборов микросистемной техники (МЭМС, МОЭМС, МАС) и миниатюрных электронных модулей на основе микроэлектронных технологий. Проект реализуется совместно с Новосибирским заводом полупроводниковых приборов Восток (НЗПП-Восток, входит в группу компаний «Элемент»).

«Проект представляет собой прикладное исследование, целью которого является разработка технологии инкапсуляции элементов МЭМС в слоях кремниевой пластины, обеспечивающей высокий потенциал коммерциализации разработок и импортозамещение критически важных решений в области производства миниатюрных сенсоров. Микроэлектромеханические системы составляют основу систем сенсорики мобильной, потребительской, автомобильной, промышленной, бортовой аппаратуры гражданского и специального назначения – акселерометры, гироскопы, датчики деформации, вибрации и т.п», – рассказал участник проекта, руководитель дивизиона «Электроника» ПИШ ЮФУ Алексей Коломийцев.

Как пояснил руководитель проекта, инкапсуляция – это процесс создания «вакуумной камеры» над каждым миниатюрным элементом МЭМС в процессе изготовления. Грубо говоря, подвижные элементы МЭМС, которые перемещаются в вакуумной среде, испытывают меньше сопротивления, соответственно более остро реагируют на изменения измеряемых величин (существенно повышается добротность колебаний). На сегодняшний день для производства микроэлектроники и МЭМС в 99% случае используют именно кремниевую технологию, так как это экономически целесообразно и технологически выгодно.

Необходимость разработки миниатюрных электростатических МЭМС обуславливается потребностью развития производства и модернизации существующих технологий для обеспечения конкурентоспособности и развития отечественной промышленности, возможностью создания отечественной технологии, обеспечивающей выпуск широкой номенклатуры изделий для применения в автомобильной промышленности и при создании бортовой аппаратуры, обеспечением технологического суверенитета РФ в области микроэлектроники и радиоэлектроники.

Проект рассчитан на три года, в рамках которых будет разработана технология изготовления МЭМС емкостного типа с инкапсуляцией на уровне пластины; произведена апробация технологии, проведены исследования основных характеристик МЭМС, а также исследования устойчивости предложенной структуры к влиянию внешних факторов, потенциально воздействующих на разрабатываемое устройство.

Несмотря на то что проект только стартовал, на сегодняшний день коллективом уже проделан большой объем экспериментальных исследований отдельных технологических операций, применяемых при изготовлении МЭМС: фотолитографии, плазменного и жидкостного травления, нанесения металлов и диэлектриков и пр. Как итог, в результате выполнения всех работ технология будет внедрена на площадке Новосибирского завода полупроводниковых приборов Восток для организации производства сенсоров. Технология инкапсуляции будет универсальной для различных конструкций МЭМС. Начинать планируется с резонаторов и одноосевых акселерометров.
Текст: Юлия Сопрунова