Лаборатория. Почему пыль — главный враг МЭМС и зачем Политеху чистая комната
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
Эта комната за стеклянными стенами совсем небольшая, всего несколько квадратных метров. Но стоит она вместе с оборудованием порядка 10 млн рублей.
Прежде чем войти в чистую комнату, сотрудники ТПУ переодеваются в специальный костюм: комбинезон, маска, перчатки — и становятся похожими на врачей, работающих с опасными инфекциями.
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
— 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.
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!
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
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.
— 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.
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.
— 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