субота, 03. децембар 2011.

MEMS i ostala prašina– tamna strana nauke




ISTRAŽIVANJE POD SPONZORSTVOM PENTAGONA



N aziv pametna prašina izmislio je pre 14 godina  Kris Pister, profesor  na Univerzitetu  Kalifornija (Berkeley). Osnovna zamisao   čestica "pametne prašine", je stvaranje elektronskog   centralnog   nervnog  sistema zemlje. U sistemu ostalih elektronskih uređaja,  pametna prašina bi obavljala zapažanja i prenosila mase podataka o ljudima, gradovima, prirodi i okolišu u realnom vremenu.
Ovaj naučnik oduševljeno priča  o  projektu na kom radi  preko deset godina.   " Trebalo je vremena za to, ali pametna prašina je napokon ovde".  ,Kao i svaki naučnik i Pister izjavljuje da radi za dobrobit čovečanstva .. " Više informacija je bolja informacija", izjavljuje on. Kad me ljudi pitaju koji mi je posao, ja im odgovorim da spašavam svet", zaključio je Kris Pister.
Hartwell tvrdi slično.  Motivi implementacije pametne prašine su altruistički a prva primjena HP-ove tehnologije "središnjeg nervnog sistema za Zemlju" navodno će biti komercijalna. U sporazumu s kompanijom Royal Dutch Shell ova kompanija planira instalirati milion monitora veličine kutije šibica za pomoć u naftnim istraživanjima i merenjima vibracija i pokreta. Tim senzorima koji su već razvijeni, pokrit će se područje od 6 kvadratnih milja.
Sam broj umreženih senzora je ono čime se projekat pametne prašine razlikuje od ostalih pokušaja za prikupljanje podataka o svetu, izjavila je profesorica sa Univerziteta California u Los Angeles-u, Deborah Estrin. Tendencija istraživača pametne prašine je beleženje   podataka  u milijunima, milijardama i trilijunima.
Projekt je rađen pod sponzorstvom Pentagona  pa ideja postavljanja trilijuna senzora za praćenje širom sveta poprima i drugačije značenje.   Reč je o vrlo malim, neprimetnim senzorima koje je teško otkriti. Mišljenja da ova tehnologija ne doprinosi trenutnoj političko-ekonomskoj  situaciji su smešna. Ni jedan naučni projekat, ni bilo koje vreme, nisu pogodni. Kao što reče neko, đavo nije izvan već u čoveku.
Koga interesuju detalji neka pročita  stručni prilog  koji sledi.
(Kompletan tekst iz časopisa Mikro: 6/2006, strana: 44)
 
MAŠINA U ZRNU PESKA

Mehanika u čipu

Regulacija na nivou mrava: minijaturni senzor za pritisak, koji su razvili v Siemensu





N apredak minijaturizacije u proizvodnim procesima u poslednje dve decenije, koji je omogućio dolazak sve bržih procesora i memorija sa sve većom gustinom, prevazišao je i najoptimističnija očekivanja inženjera koji su počeli razvoj integrisanih veza (IC). Oblikovanje čipova uvek se temeljilo na minijaturizaciji. Intelovi procesori su narasli sa oko 29 hiljada tranzistora u čipu 8088 na 55 miliona u čipu P4. Stručnjak Stiven Plejn (Stephen Plain) kaže da integrisane veze uprkos svom našem trudu da im damo »pamet« samo slepo obrađuju bitove podataka u nešto što je smisleno ljudima i takođe mašinama. Uprkos svojoj iznenađujućoj računarskoj veštini, integrisane veze ne mogu da utiču na fizičko okruženje bez pomoći mehaničkih senzora i pogonskih uređaja. Zato su stručnjaci izmislili sredstvo koje to može – mikroelektromehaničke sisteme (MEMS), koji su u stanju obradu informacija koristiti na aktivniji način. Kombinovanjem integrisanih veza sa mehaničkim uređajima na minijaturnom nivou, MEMS-ovi su, na primer, stekli sposobnost otvaranja vrata. »Mikroelektromehanički sistemi«,« naglašava Pejn, »oslobađaju računarske moći i puštaju ih u svet u kome živimo«.


Zvuci iz mikrosveta: MEMS mikrofoni s mogućnošću neposrednog povezivanja mikrovezama







U ređaji zasnovani na tehnologiji MEMS na osnovnom nivou su zapravo hibridi, koji sadrže kako mikroelektronske komponente tako i mehaničke pokretne delove. Tehnologija MEMS je sledeći prirodni korak u tehnologiji čipova, u kojem obe tehnologije koriste razvoj proizvodnih procesa u industriji poluprovodnika. Veliki napredak u fotolitografiji omogućio je oblikovanje mehaničkih delova unutar čipa sa velikom preciznošću. S obzirom na činjenicu da se za oblikovanje MEMS-ova upotrebljavaju već isprobani postupci izrade integrisanih veza, nove mikrouređaje je moguće upotrebljavati odmah, što znači da srazmerno brzo počinju da se vraćaju sredstva uložena u razvoj. Za izradu MEMS-ova koriste se nešto izmenjene metode fotolitografije. U osnovnom postupku se na osnovni silicijumski ili sličan materijal (poluprovodničku osnovu) nanosi materijal osetljiv na svetlost, koji se potom maskira (prekrivaju mu se delovi koji moraju da budu zaštićeni) i ispostavljaju se delovanju svetlosti.
Na sobnoj temperaturi



Od tehnologije integrisanih veza do mikromašinstva: primeri inteligentnih mikrouređaja za obradu fizičke, mehaničke, optičke, hemijske i biološke energije (6 DOF – 6 sloboda kretanja, LIGA - modeliranje litografskim galvanskim oblikovanjem, HAR – High-Aspect Ratio)



Z a osvetljavanje osetljivog materijala danas se upotrebljava ultraljubičastaa svetlost, koja ima kraću talasnu dužinu nego obična svetlost i zato se preciznije usmerava. Po osvetljavanju se poluprovodnička osnova »razvije« sa sačuvanim željenim uzorkom, koji istraživači žele na integrisanim vezama. Nezaštićeni delovi osnove se zatim izlažu delovanju hemikalija, koje ih nagrizaju i tako na kraju oblikuju štampani mikroelektromehanički sistem. Proizvođači MEMS-ova obično koriste višestruke tehnike fotolitografije, kod kojih se osnovni poluprovodnički materijal (za hemijsko nagrizanje), na svetlo osetljivi materijal (za svetlosno razgrađivanje) i maskirni materijal (za zaštitu delova osetljivog sloja) nanose sloj po sloj. Na kraju postupka odstrane se maskirani delovi osetljivog materijala i ostanu samo planirani elektromehanički delovi. Postupak je u osnovi isti kao pri izradi mikroprocesora, osim da se pri proizvodnji MEMS-ova radi o višem stepenu konstrukcije. U standardnoj fotolitografiji MEMS-ova se upotrebljavaju tri sloja polisilicijuma, ali su proizvođači razvili i postupak sa pet slojeva.




Kombinacije bez granica: neke od mnogobrojnih vrsta MEMS konstrukcija
Š to se tiče razvoja MEMS-ova stručnjaci najviše očekuju od dve nove tehnologije – duboke rendgenske litografije i postupka elektrotaloženja. Rendgenska litografija se koristi za izradu minijaturnih mehaničkih delova i čak motora. Postupak je razvijen u Nemačkoj, a zatim poboljšan na Viskonsinskom univerzitu u Medisonu. U postupku, koji podseća na ultraljubičastu fotolitografiju koriste se rendgenski zraci sa talasnom dužinom od samo 0,01-10 nm. Na svetlost osetljivi sloj se nanosi u bitno debljem sloju nego kod standardne ultraljubičaste fotolitografije, što omogućava izradu srazmerno visokih vertikalnih površina. Tim postupkom mogu da se izrađuju uređaji visoki do 1 cm, što je dosta više nego kod izrade klasičnih poluprovodničkih delova sličnim postupkom. Druga važna prednost pomenutog postupka je mogućnost izrade na sobnoj temperaturi, umesto pri visokim temperaturama kao kod tradicionalne fotolitografije. Prednost je takođe mogućnost korišćenja drugačijih

Pamet u prašini



Od senzora pritiska do skladišta podataka: udeo pojedinih vrsta MEMS uređaja na tršištu


U SAD je razvoj MEMS-ova u velikoj meri povezan sa vojnim istraživanjima. Agencija za napredne istraživačke projekte za odbranu (DARPA) razvija MEMS tehnologije pre svega za vojne potrebe, ali ih planira takođe i za komercijalnu upotrebu. DARPA u celini financira Aplikacioni centar za MEMS tehnologiju u Severnoj Karolini, koja angažuje mnogobrojne privatne kompanije. Neke projekte MEMS financira takođe Ministarstvo za odbranu SAD (DOD), jer ih smatra izuzetno važnim za vojne namene i idealnim za kombiniranu vojno-komercijalnu upotrebu. Koncentracija stručnjaka i stabilno financiranje omogućili su razvoj nekih izuzetno zanimljivih projekata. Među njima je, na primer, projekt »Pametne prašine« (Smart Dust), čiji je cilj korišćenje hiljada »inteligentnih« mikroskopskih uređaja za različite namene, po zamisli pronalazača Krisa Pisterja, inženjera elektrotehnike na Kalifornijskom univerzitetu u Berkliju. »Prašina« bi se koristila za nadzor pokreta neprijateljske vojske, otkrivanje hemijskih i bioloških agenasa te takođe fizičko deaktiviranje bombi u određenom trenutku ili u slučaju izostanka eksplozije pri udaru na cilj.





Tipična proizvodnja MEMS ogledalaca: 1. silicijumska ploača, 2. rast sloja silicijum dioksida za hemijsko nagrizanje, 3. nagrizanje rupica za povezivanje, 4. rast polisilicijumskog sloja u rupicama, 5. ispunjavanje rupica, 6. dodavanje čitavog sloja polisilicijuma, 7. nagrizanje fiksnih i pokretnih delova (vidi dole levo), 8. uklanjanje ostataka oksida (vidi dole desno)


P isterova pametna prašina su sićušni silicijumski senzori sposobni da obrađuju i zapisuju podatke, opremljeni maleckim mrežnim operativnim sistemom i osposobljeni za bežično komuniciranje, zahvaljujući kome zrnca treba da svoje podatke šalju nadzornoj službi na terenu. Istraživač i njegovi saradnici su zasad razvili i izradili modele »delića« velike po 16 mm3, a sada razvijaju verziju sa veličinom 1-2 mm3. Budučoj »prašini« namenili su različite zadatke, kao što su nadzor položaja neprijateljske vojske na »makro« planu, otkrivanje napredovanja bolesti u organizmu na »mikro« planu, nadzor temperature u telu i slično. Po mišljenju vojnih stručnjaka bi takva vojna upotreba MEMS uređaja bitno smanjila broj civilnih žrtava i promenila pojedine vojne strategije. DOD je između ostalog nagovestio razvoj maleckih hemijskih i bioloških senzora, koje bi potopili u sumnjivu tekućinu, prokrijumčarili u sumnjivo vozilo ili čak ugradili u građevinski materijal u cilju skupljanja potrebnih informacija, do kojih danes nije moguće doći. S obzirom na minijaturne dimenzije »prašina« bi se mogla koristiti i za štetne namene kao što je širenje hemijskih agenasa ili nadzor ličnog života pojedinaca.
poluprovodničkih materijala umesto silicijuma.

Tamna strana tehnologije



Stabilni uspon: prihod od prodaje MEMS uređaja u medicinskoj opremi, po proceni Cahners In-Stat/MDR

P oznati tehnološki guru Rej Kurcvejl (Ray Kurzweil) upozorava da bi minijaturni MEMS-ovi, kao i drugi proizvodi nanotehnologije, mogli postati opasnost u biosferi. Stručnjaci smatraju da bi osnovna upotreba »pametne prašine« ipak bila u dobre namene. »Potencijal za ugrožavanje privatnosti kod pametnem prašine niji ništa veća nego kod sadašnjih video kamera«, kaže Džon Kroford (Jon Crawford), potpredsednik kompanije Bow Technologies, koja je već prodala prve, nešto veće proizvode svoje tehnologije »pametnih čestica« u više od 50 ustanova i kompanija. Različite »varijante« prašine kompanije Bow Technologies sadrže magnetske, seizmičke, zvučne, svetlosne i temperaturne senzore. »Svaka tehnologija ima svoju tamnu stanu«, naglašava pronalazač »pametnog praha« Kris Pister. »Kada bi smatrao da su negativne strane mojeg projekta veće od pozitivnih ili su im približne, ne bi više radio na tom projektu«. Uređaji MEMS spadaju u računarsku industriju pre svega na području memorija i ekrana. Danas se tehnologije MEMS već koriste u uređajima za masovno skladištenje podataka – u vidu preciznijih pogonskih sistema za glave za čitanje-zapisivanje u tvrdim diskovima – a najavljena je i upotreba za izuzetno precizna mikroogledalca za holografske memorijske uređaje u bliskoj budućnosti.Kod displeja je osnovna namena MEMS-ova aktiviranje maleckih ogledala koja omogućuju stvaranje izuzetno oštre slike sa visokom rezolucijom. Sledeća generacija računara za nošenje na telu (engl. wearable computers) verovatno će obuhvatati naglavne displeje ugrađene u naočari. Tehnologija digitalne obrade svetlosti (Digital Light Processing, DLP) već se uveliko koristi za izradu malih displeja, koji su osnova čitave vrste lakih projektora. Utemeljena je na uređajima DMD (Digital Micromirror Devices - digitalni uređaji sa mikroogledalima), koja je u stvari inovativna upotreba tehnologije MEMS. DMD je u osnovi čip sa ugrađenih 500.000 odvojenih minijaturnih ogledalaca, koja su velika po jedva 16 mikrometara. Svako ogledalo se ponaša kao slikovni element (picture element – piksel), koji brine za jednu tačku na slici. Ugrađene veze savijaju ogledalca pomoću elektrostatičkog naboja i na taj način uzrokuju odbijanje svetlosti kada kod je određeni piksel osvetljen. Blizina veza omogućava brzo upravljanje ogledalaca, a sama proizvodnja DMD je srazmerno jeftina, jer se radi o elementima koji su omogućili brz razvoj DLP projektora.


Lakše, bolje, trajnije



MEMS za kliničko testiranje: prototip biotestera za merenje biomarkera u kapi krvi


Z a razliku od LCD projektora, kod kojih svetlost putuje kroz LCD i time slabi, kod tehnologije DLP svetlost se samo odbija i bez slabljenja usmerava prema projekcionom platnu. Stručnjaci su razvili i neke drugačije tehnologije MEMS za displeje. Kompanija Silicon Light Machines je patentirala tehnologiju GLV (Grating Light Valve - zaklopac za svetlosnu rešetku), u kojoj MEMS koriste kao osnovu za displeje sledeće generacije. Kod GLV se umesto odbijanja svetlosti sa ogledalaca upotrebljavaju minijaturne paralelne »trake«, obešene unutar čipa. Priključeni napon vuče određene trake nadole, koje zato lome zrake u nizove interferentnih obrazaca. Kompanija Iridigm Display razvila je sistem IMod (Interferometric Modulator), u kome za lom svetlosti upotrebljavaju pokretne minijaturne kvadratiće nazvane mikromostovi, koji se podižu i padaju za svaki piksel posebno. U kompanijama Silicon Light Machines i Iridigm Display se nadaju da će se njihovi uređaji pokazati boljim od DMD.
Po oceni američke vlade, područje nanotehnologije i tehnologije MEMS će kroz 10 do 15 godina donositi godišnji prihod od bilion (hiljadu milijardi) dolara. Već danas u to područje ulaže više od 100 kompanija koje su osnovale i Udruženje za nanoposlove (NanoBusiness Alliance) u Njujorku. Mnoge tradicionalne kompanije, kao što je na primer Boeing, već koriste nanotehnologije i tehnologije MEMS za dobijanje lakših, boljih i trajnijih proizvoda. Stiv Kenedi (Steve Kennedy), predsednik kompanije Siwave, specijalizirane za MEMS optičke prekidače, smatra da će rast prihoda od tehnologije MEMS u sledećih deset godina nadmašiti ukupnu rast u čitavoj ekonomiji. Profesor Čad (Chad) Mirkin je mišljenja da će potražnja za stručnjacima za područje nonotehnologije i MEMS-ova početi brzo da raste već u sledećih dve do pet godina. Mirkin pri tom objašnjava da će stručnjaka za same tehnologije biti dovoljno, jer se u osnovi
radi o procesima sličnim nekim drugim tehnologijama, ali će biti znatno veći problem naći stručnjake za prodaju, marketing i upravljanje na ta dva nova područja. Posebno kod nas, gde o nanotehnologiji razmišljaju samo retki, a o razvoju tehnologije MEMS ne razmišlja praktično niko.

Industrijska grupa za MEMS
U SAD već nekolio godina deluje Industrijska grupa za MEMS (MIG), koja obuhvata velike kompanije sa već od 500 zaposlenih i godišnjim prihodom većim od 540 miliona dolara od tehnologije MEMS, manje kompanije sa manje od 500 zaposlenih i prihodom od MEMS-ova do 540 miliona te kompanija za podršku bez takvih tehnologija ali je njihov rad s time povezan (planiranje, testiranje, investicije, proizvodnja poluprovodnika i slično). MIG zasad uključuje tri osnivača (Honeywell, Intel i XACTIX) in 63 kompanije (među kojima Bosch, IBM, Philips, SolidWorks, Texas Instrumenst i Xerox). U nedaljno objavljenom godišnjem izveštaju MIG navodi da se razvoj takvih tehnologija u poslednje vreme sve više ubrzava, stvaraju se novi poslovi, nova radna mesta i nove vrste upotrebe. Uprkos praktično neograničenim mogućnostima još uvek se pojavljuju razne teškoće u prelasku novih i moćnih MEMS uređaja na komercijalnu upotrebu. Na osnovu istraživanja među 250 svetskih kompanija i 60 ustanova, koje ih podržavaju, u MIG-u su pripremili različite preporuke u smislu razvoja alata i metoda, infrastrukture, radne snage, standardizacije te takođe daljne komercijalizacije i opšteg rasta. U izveštaju se navode i najnoveji statistički podaci. Prihod u 2004..godini bio je oko 5,3 milijardi dolara, očekivani prihod u 2006 blizu 7,2 milijardi dolara, rast zaposlenosti od 2001. do danas je veći od 30 odsto. Od MEMS kompanija oko 54 odsto razvija odnosno prodaje pogonske uređaje.
Brže po količini, sporije po prihodu
Po proceni analitičke kompanije In-Stat, prošle godine je na tržište isporučeno 1,8 milijardi mikroelektromehaničkih sistema, dok je ukupni prihod dostigao sedam milijardi dolara. Novčana sredstva kompanija specijalizovanih za MEMS prošle godine su porasla za 43,9 odsto u poređenju sa prethodnom godinom. Od svih MEMS uređaja lani je bilo najviše mikrofluidnih, po količini 69 odsto, a po vrednosti 23 odsto. Uprkos još uvek visokom povećanju proizvodnje, prihod od prodaje MEMS uređaja se znatno smanjio. Razlozi nižeg rasta prihoda su slabljenje nekih ključnih segmenata tržišta, smanjenje prosečnih cena i povećanje zaliha. U sledećih pet godina In-Stat očekuje rast proizvodnje MEMS uređaja za 11 odsto, a rast prihoda za 6,8 odsto, zbog daljnog smanjivanja cena i dolaska novih uređaja, sa dodatnim pogodnostima kod kupovine. U industriji prevladava 20 najvećih proizvođača, koji zajedno drže 68 odsto ukupne prodaje. Do 2010. godine će automobilizam i računarstvo na vodećem mestu po prodaji MEMS uređaja prepustili mesto komunikacijama i industriji opšteg profila.

MEMS-ovi za vasionu
Jedna od vodeći laboratorija u razvoju MEMS tehnologija je ustanova Sandia National Laboratories u SAD (SNL), u kojoj su između ostalog razvili tehnologiju izrade mikromašina od višeslojnog polikristalnog silicijuma, idealnog materijala za mikroskopske elektromehaničke sisteme. Tehnologija nazvana SUMMiT (Ultra-planar, Multi-level MEMS Technology) omogućava dobijanje mikromehanizama čvršćih od čelika i krajnje prilagodljivih, kod kojih ne dolazi do zamora materijala. Četvoroslojna tehnologija (plus podloga) omogućava razvoj izuzetno kompleksnih mikromehanizama. U SNL između ostalog razvijaju sisteme za otkrivanje vasionskih tela koja odašilju izuzetno slabe signale. »Teleskop« s hiljadama mikro MEMS ogledalaca, na primer, biće sposoban da otkriva slabe signale iz prve milijarde godina po »velikom prasku«, u kojem je rođena vasiona. „Mi već danas izrađujemo minijaturna ogledalca koja mogu da se pokreću svako za sebe i sposobna su da izdrže veoma niske temperature i ekstremna stanja u vasioni“, kaže Erni Garsia (Ernie Garcia), inženjer u SNL. Ogledalca imaju prečnik manji od ljudske dlake i osetljivi su na infracrvene zračenje. Nasa planira lansiranje vasionskog teleskopa sledeće generacije (NGST) sa sistemom MEMS mikroogledalaca 2008. godine.


Нема коментара:

Постави коментар