18+
18+
Лаборатории ТПУ, Образование и наука, ТПУ, мэмс политех чистая комната лаборатория микроэлектромеханические системы Гироскопы акселерометры Лаборатория. Почему пыль — главный враг МЭМС и зачем Политеху чистая комната

Лаборатория. Почему пыль — главный враг МЭМС и зачем Политеху чистая комната

Лаборатория
НИ ТПУ
В нашем спецпроекте рассказываем о том, чем занимаются и как устроены главные экспериментальные пространства томского Политеха

В Томском политехе есть чистая лаборатория для исследования микроэлектромеханических датчиков. Нет, это не означает, что все остальные лаборатории — грязные. Просто здесь создают такие точные и миниатюрные приборы, что любая пылинка может привести их в негодность.

Гироскопы и акселерометры размером в 10 раз меньше миллиметра называются МЭМС — микроэлектромеханические системы (MEMS). Они умеют отслеживать местонахождение и движение любого объекта без связи со спутником. Область применения таких датчиков очень широка, потребность в них огромна, а для производства нужна стерильная чистота.

Чистая лаборатория

Чистая комната, необходимая для работы с МЭМС-датчиками

Эта комната за стеклянными стенами совсем небольшая, всего несколько квадратных метров. Но стоит она вместе с оборудованием порядка 10 млн рублей.

Лаборатория оборудована электронным микроскопом, термовакуумной камерой, устройством для разваривания контактов в датчиках — всё российского производства

Прежде чем войти в чистую комнату, сотрудники ТПУ переодеваются в специальный костюм: комбинезон, маска, перчатки — и становятся похожими на врачей, работающих с опасными инфекциями.

Чтобы зайти в чистую комнату, необходимо надеть специальный костюм

Невидимая глазом пылинка или чешуйка кожи исследователя — и работа испорчена. Крошечный датчик — «вестибулярный аппарат» умного устройства — не сможет выполнять свои функции. А областей применения у микроэлектромеханических систем — так расшифровывается аббревиатура МЭМС — множество. Начиная от гироскопов в смартфонах, которые переворачивают изображение при наклоне экрана, заканчивая имплантируемыми устройствами, которые измеряют давление и другие показатели здоровья. Спрос, соответственно, тоже высок, но в России их до сих пор почти не производят.

Маленькие, точные, дешевые, отечественные

Тамара Георгиевна Нестеренко, руководитель лаборатории

— За рубежом MEMS-датчики начали выпускать с середины 90-х годов: сначала акселерометры, потом гироскопы, потом другие датчики, — говорит руководитель лаборатории, доцент ТПУ Тамара Нестеренко. — Сейчас их каждый год продают на десятки миллиардов долларов. А мы в России как-то отстали. Хотя потребность есть, к тому же не для всех целей можно использовать зарубежные датчики. Поэтому одна из целей нашей работы — импортозамещение.

ГДЕ ИСПОЛЬЗУЮТ МЭМС?

Беспилотник в воздухе. Чтобы ориентироваться в пространстве, он должен непрерывно контролировать свое положение при помощи гироскопа, акселерометра, магнитометра. Для этого обычно используются почти невесомые МЭМС.

Бурение скважины или погружение на дно океана. Здесь тоже необходима точная ориентация в пространстве, только дело осложняется тем, что на глубине невозможно принять сигнал GPS или сориентироваться при помощи видеодатчиков. МЭМС справляются с этой задачей.

Сотрудники МЧС в разрушенном, задымленном здании. Датчик, прикрепленный на теле или одежде, поможет не только определить местонахождение человека, но и его положение в пространстве: движется или остается на месте, стоит или упал.

Политехники работают над созданием МЭМС-датчиков с 2011 года. Начинали с самого простого, постепенно усложняли. Выиграли и выполнили 4 гранта по федеральной целевой программе на разработку различных устройств.

МЭМС в корпусе. Это — достаточно крупный датчик

Последняя работа — интеллектуальный инерциальный модуль, в который входит несколько трехкомпонентных датчиков. Гироскоп реагирует на наклон и повороты, акселерометр измеряет ускорение, а магнитометр работает как компас. Все датчики вместе позволяют определять местоположение подвижного объекта в пространстве в любой момент времени.

Механическими датчики являются потому, что под действием ускорения или наклона в них перемещается крохотная подвижная масса, зафиксированная в жестком корпусе. Датчики так чувствительны, что фиксируют и измеряют перемещение этой массы на расстояние до десятков нанометров — размер нескольких атомов!

Сам датчик — темный квадрат в центре. Он соединен с корпусом тончайшими проволочками

Делают датчики из кремния. Для этого берут тонкую кремниевую пластину, размерами около 10-15 см. Модулей на ней поместится много, 100-150 штук. Их «эскиз» наносят на пластину, а затем лишний материал убирают методом плазмохимического травления. Потом эту пластину, имеющую подвижную массу, нужно скрепить с основанием из стекла, кремния или другого материала. Иногда требуется третий слой — получается этакая вафля. Соединить пластины вместе непросто: чуть промахнулись — брак. Если все получилось, микродатчик необходимо установить в жестком корпусе.

Ювелирная работа

Воздух в помещении очищается фильтрами и обеззараживающими лампами. Мебель тоже специальная, легко моющаяся

Многие из манипуляций, которые выполняют в чистой лаборатории, в прямом смысле можно назвать ювелирными: из-за драгоценных материалов и мельчайших масштабов. Контакты в МЭМС часто делают из золота — традиционного материала для проводников в микроэлектронике. Золотая проволока, которой механическая часть датчика приваривается к корпусу, имеет толщину от 30 до 50 микрометров.

Работы ведутся под микроскопом

— Золотую проволоку мы варим с помощью установки ультразвуковой сварки, под микроскопом, — рассказывает научный сотрудник лаборатории Алексей Коледа. — Руки трясутся. Сосредотачиваешься, дыхание задерживаешь. Кажется, технология всегда одна и та же — время, температура, промывка, чистка, а потом смотришь — одни гребенки подвижные, а другие нет. Иногда берем иголку и под микроскопом очень медленно пробуем: уберется — не уберется. Бывало, что хоп! — сковырнули и ничего не сломали.

Алексей Коледа, инженер Отделения электронной инженерии

Фабрика-лаборатория

В вузах России чистых лабораторий подобного класса пока больше нет, но вот в университетах Японии, мирового лидера в области электроники, они существуют уже давно. В одной из таких лабораторий Алексей Коледа с другим аспирантом ТПУ Евгением Барбиным прошел две шестимесячные стажировки.

— За рубежом есть так называемые большие фабрики, которые оснащены всем необходимым оборудованием. И есть маленькие организации, которые занимаются разработкой, как мы, — рассказывает Алексей. — Они сначала все исследуют, отрабатывают, вносят корректировки, а потом переводят технологический процесс на большие фабрики.

Алексей стажировался в лаборатории университета Тохоку, что в городе Сендай. Туда едут исследователи со всего мира: томичи во время стажировки работали вместе с коллегами из Германии, Израиля, США. Работали каждый над своими задачами, но не разобщенно. А за помощью всегда можно было обратиться к хозяевам лаборатории — японским ученым.

— Раз в неделю в лаборатории проводились собрания, на которых каждый рассказывал, что он сделал за неделю, — вспоминает Алексей. — Если есть какие-то проблемы, вопросы — пожалуйста, спрашивай, тебе люди тут же посоветуют. «А попробуйте использовать другой техпроцесс». «А возьмите, попробуйте вот это, я так делал и все получилось». К примеру, была проблема с подбором травителя для изготовления стеклянного основания. Но руководитель лаборатории профессор Танака достал свою статью, в которой изложен весь процесс изготовления стеклянной подложки. Мы повторили и сразу все получилось, идем дальше. А если бы мы пробовали сами, сколько бы мы времени потратили и материала испортили?

Что еще удивило Алексея в Японии — это возможность свободного доступа аспирантов и студентов к дорогому оборудованию и обучение методом полного погружения. Показали основные принципы работы на установке, а дальше сами. В Томске пока нет возможности наладить такую же работу со студентами, потому что чистая комната в ТПУ всего одна и оборудование слишком дорого досталось, чтобы доверить его людям без опыта. Но мечта, а главное, потребность, имеется.

В России пока нет массового производства МЕМS-датчиков, но они всем нужны. С некоторыми крупными заказчиками, такими как «Российские космические системы», ТПУ имеет научные связи. Сотрудники лаборатории специально выезжают в командировки в Москву, чтобы настроить технологические процессы производства датчиков на оборудовании заказчика.

Часто после того, как появляется информация о разработках Отделения электронной инженерии, много писем приходит с просьбами продать уже готовое. Но хотя принцип один, у разных потребителей свои требования. Одним нужно, чтобы датчики выдерживали большой диапазон температур, другим — чтобы имели высокую ударопрочность, третьим — чтобы сигнал был мощнее обычного. Таким образом, конструкцию и технологию изготовления нужно слегка менять под каждого потребителя.

— Нам не хватает такой лаборатории, как в Японии, — говорит Тамара Нестеренко. —
Вот мы бы туда обратились, либо сами приехали туда отрабатывать технологию, либо какую-то часть денег передали, чтобы это сделали там. Помню, в свое время в Томске мы обсуждали с представителями нескольких университетов идею сделать межвузовскую лабораторию. Пусть там будут не только МЕМS, но и оптика, и другие направления. Чтобы было много разного оборудования, и все пользовались бы им вместе. А сейчас у одного микроскоп, у другого какая-то установка — из этого ничего не соберешь.

Работа идет

Работают над МЭМС-датчиками в лаборатории около 10 человек. Это число меняется в зависимости от количества ученых, приглашенных на разные проекты, а также аспирантов. Коллектив здесь интернациональный. Так, в этом году здесь защищает диссертацию аспирант из Вьетнама Ло Ван Хао.

Аспирант ТПУ Ло Ван Хао

— Во время карантина он взял датчики, установленные в корпусе, и делал эксперименты дома, — рассказывает научный руководитель аспиранта Тамара Георгиевна Нестеренко. — Подает различное питание, проверяет нагрузки, снимает характеристики. Есть важный параметр — чтобы ноль не «плыл» от температуры. Когда нет никакого ускорения или скорости, датчик должен показывать ноль. А на самом деле, получить его трудно: мешает «шум», который к тому же может изменяться. Вот этот параметр долго исследуют.

Задач, которые выполняют в Отделении электронной инженерии, так же много, как и областей использования МЭМС-датчиков. Одна из идей, которая пока не получила финансирования, — разработать акселерометр для медицинского прибора в онкологии, позволяющего отслеживать дыхательные движения пациента и очень точно направлять фокус облучения на пораженные ткани, не затрагивая здоровые. Также требует внимания тема навигационных систем, которые должны быть специализированы под каждое конкретное устройство и цель. Работа идет, и чистая лаборатория в ТПУ очень востребована.

Текст: Катерина Кайгородова
Фото: Владимир Дударев

Тэги/темы:
Томские новости

В Томске пройдут лекции ученых Большого университета

21 января 2021
Томские новости

Форум молодых ученых U-NOVUS пройдет в Томске в 2021 году

23 января 2021
Томские новости

Продлен прием заявок на конкурс для педагогов им. Выготского

21 января 2021
Томские новости

Ученый Томского политеха предложил способ ликвидировать трещину на МКС

20 января 2021
Томские новости

В Томске изменились сроки приема документов в первые классы

13 января 2021
Томские новости

Томский губернатор и ректор ТГУ примут участие в Гайдаровском форуме

12 января 2021
Томские новости

Томские ученые помогли разработать сверхмалую антенную, которая может работать на частотах 5G

28 января 2021
Томские новости

Томские ученые: ледник Актру за год растаял на 10 метров

22 января 2021
Томские новости

В Томске начались нон-стоп чтения романа Достоевского

15 января 2021
Комментарии для сайта Cackle