فناوری MEMS چیست؟

در واقع « MEMS » ، « ریزفناوری‌ ها » یا سیستم‌ های میکرو‌ الکترو مکانیکی در واقع تلفیقی از اجزای مکانیکی ، حس‌ گر‌ ها ، بازو های مکانیکی و اجرای الکترونیکی هستند که بر روی لایه‌‌ ای از ماده استراتژیک « سیلیکون » قرار دارند.این ساختار مکانیکی بسیار کوچک در ابعاد « میکرون » بر پایه تکنولوژی « تراشه‌ های الکترونیکی » استوار است.

امروز در کشور های پیشرفته جهان ، توسعه تلفیقی سیستم‌ های مکانیکی و الکترونیکی در ابعاد بسیار کوچک مورد نظر است ، زیرا این بخش مهم علمی موجب افزایش سرعت و کم حجم شدن ابعاد صنایع در بخش صنعت خواهد شد.

فناوری « MEMS » یا فناوری سیستم‌ های میکرو الکترو مکانیکی ، در صنایع مختلف و اثرگذار جهان از جمله صنایع خودرو سازی ، موشکی ، تراشه‌ ها و نظامی کاربرد بسیار زیادی دارند.امروزه لزوم توسعه این فناوری باعث شده است تا بسیاری از کشور های جهان برای توسعه این فناوری و تولید محصول اقداماتی انجام و در این راستا سرمایه‌ گذاری‌ هایی صورت دهند.

کشور های ژاپن و کره جنوبی که از پیشگامان توسعه این فناوری در جهان بودند ، امروزه تولیدات بسیاری در زمینه صنایع خودرو سازی و محصولات الکترونیکی « ریزفناورانه » دارند.

در حالی که بر اساس آمار های ارائه شده نیاز به « MEMS » روز به روز در حال گسترش است ، بازار این فناوری در سال 2011 از مرز 11 میلیارد دلار گذشت ، ضمن این‌ که نکته قابل تأمل دخالت تنها چند کشور در صادرات محصولات این فناوری است.از دیگر موارد برجسته در این موضوع نیاز روز افزون به این فناوری با توجه به این مسأله که بشر دریافته است باید نیاز های خود را بدون ایجاد آلودگی و اشغال فضای بیهوده توأم با سرعت بیشتر برطرف کند.

به طور کلی مطالعه و ارزیابی عملکرد برای توسعه تولید و تجاری‌ سازی محصولات بر پایه ریزفناورانه می‌ تواند الگویی مفیدی برای شکل‌ دهی یک مدل توسعه در کشور ما باشد ، زیرا تجارت پر سود این فناوری و آینده صنعتی دنیا و ارتباط آن با این فناوری کتمان ناپذیر است ؛ ضمن این‌ که برطرف کردن نیاز های اصلی صنعتی کشور در گرو توسعه این فناوری است.

ویژگی های فناوری MEMS

در حالی كه قطعات الكترونیكی با استفاده از روال ساخت مدار مجتمع (IC) ساخته می‌شوند (همانند فرآیندهای CMOS ، Bipolar و یا BICMOS)، عناصر میكروماشینها از طریق فرآیندهای ماشین كاری میكرونی ( Micromachining ) تولید می‌شوند به این ترتیب كه بر حسب مورد، قسمتهایی از ویفر (Waf ER) برداشته‌شده یا لایه‌های جدیدی به آن اضافه می‌شود MEMS. با تلفیق میكروالكترونیك سیلیكونی با فناوری ماشین كاری میكرونی، نوید تحول را در تقریبا" هرنوع محصولی می‌دهد تا به این ترتیب به "نظام روی یك تراشه" جامة عمل بپوشاند. MEMS فناوری واقعاً توانایی است كه با درك و كنترل قابلیتهای "میكروسنسورها" و "میكرو محركها" و به همراه آوردن توانایی محاسبات دستگاههای میكروالكترونیكی, موجب پیشرفت در تولیدات هوشمند می‌شود. MEMS  همچنین فناوری بسیار گسترده و مستعدی است، چه در كاربرد و چه در نحوة ساخت و طراحی ابزارها.

فناوری MEMS امكان تلفیق میكروالكترونیك را با درك فعال و اعمال كنترلی  فراهم كرده، فضای طراحی و كاربرد را بسط می‌دهد.

مدارهای پیوستة میكروالكترونیكی (IC) می‌توانند بعنوان مغز متفكر سیستمها باشند و MEMS با اضافه‌كردن "چشم" و "بازو" ، این قدرت تفكر را توسعه می‌‌دهد تا این میكروسیستمها بتوانند محیط اطرافشان را حس كرده و كنترل نمایند.

این حسگرها در ساده‌ترین حالت خود با كمك اندازه‌گیری پدیده‌های مكانیكی، گرمایی، زیستی، شیمیایی، نوری و مغناطیسی، اطلاعات را از محیط جمع‌آوری می‌كنند. پس از اخذ اطلاعات از حس‌كننده‌ها, دستگاههای الكترومكانیكی به كمك قدرت تصمیم‌گیری خود، محركها را به پاسخ‌‌هایی چون : حركت، جابجایی، تنظیم‌كردن، پمپ‌كردن و فیلتركردن وادار كرده, محیط را به سمت نتایج موردنظر هدایت می‌كنند. از آنجا كه دستگاههای MEMS همانند ICها با تكنیكهای ساخت ناپیوسته  ساخته می‌شوند، می‌توان ‌سطح بسیار بالایی از كاركرد، اطمینان و پیچیدگی را  با هزینه اندك بر روی تراشة كوچك سیلیكونی  شكل داد.

کاربرد فناوری MEMS

فناوری MEMS توانایی كشفیات جدیدی را در علوم و مهندسی دارد، مثل:

 *میكروسیستمهای واكنشهای زنجیره‌ا‌ی پلیمراز (PCR) برای تقویت و شناسایی DNA

*میكروسكپهای تونل‌زنی پیمایشگر (STM) كه با فرآیندهای ماشینكاری میكرونی ساخته شده‌اند

*تراشه‌های زیستی  شناساگر عوامل خطرناك شیمیایی و بیولوژیكی

* فناوری جهشی میكروسیستمها جهت غربال‌ و انتخاب سریع دارو

ابزارهای MEMS در بازارهای مختلف صنعتی, تعیین‌كنندة كیفیت محصولات شده و پیش‌بینی می‌شود كه این فناوری سالانه 50% رشد داشته ‌باشد.

اگرچه وسایل MEMS خیلی كوچك اند (مثلا" MEMS دارای موتورهای الكتریكی كوچكتر از قطر موی انسان است) ولی اهمیت فناوری MEMS فقط به اندازة آنها مربوط نمی‌شود. علاوه بر این، MEMS فقط به پایه سیلیكونی محدود نمی‌شود، هرچند سیلیكون به دلیل داشتن خواص عالی  به یك انتخاب جالب توجه برای مصارف مكانیكی با كیفیت بالا تبدیل شده است. (مثلا" نسبت استحكام به وزن برای سیلیكون از خیلی از مواد مهندسی دیگر بالاتر است، كه  ساخت وسایل مكانیكی با  پهنای باند وسیع (band width) را ممكن می‌سازد). در عوض، MEMS  فناوری تولیدی است كه راه جدیدی برای ایجاد سیستمهای الكترومكانیكی ارائه می‌دهد با تكنیكهای تولید ناپیوسته ارائه می‌دهد، مانند روش تولید مدارهای مجتمع كه باعث تولید عناصر الكترومكانیكی در كنار قطعات الكترونیكی می‌شود.

مزایای فناوری MEMS

فناوری MEMS مزایای متعددی دارد: اول اینكه MEMS  فناوری گسترده‌ای  است كه بالفعل می‌تواند تأثیر مهمی بر  انواع تولیدات تجاری و نظامی بگذارد. هم‌اكنون MEMS در هر چیزی، از نمایش فشار خون گرفته تا سیستمهای تعلیق فعال خودروها active suspension ) systems   )مورد استفاده قرار می‌گیرد. لذا ماهیت فناوری  MEMS و كاربردهای متعددش، آن را از فناوریهای مرسوم حتی مدارهای مجتمع و ریزتراشه‌ها فراگیر تر نموده است.

دوم اینكه MEMS فاصلة بین سیستم‌های  مكانیكی پیچیده و مدارهای مجتمع الكترونیكی را پر می‌كند. حس‌كننده‌ها و محركها عموماً گران قیمت‌اند، به علاوه سیستم "الكترونیكی، محركها و حس‌كننده‌ها" در ابعاد بزرگ قابل اعتماد نیستند. فناوری MEMS امكان ساخت سیستمهای میكروالكترومكانیكی را با استفاده از تكنیكهای ساخت ناپیوسته  فراهم كرده موجب برابری قیمت و اعتبار حس‌كننده‌ها و محركها با مدارهای مجتمع می‌شود. جالب اینكه، انتظار می‌رود كارآیی دستگاهها و ابزارهای MEMS بالاتر از عناصر و سیستمهای مقیاس ماكرو و قیمت آن خیلی پایین‌تر از آنها باشد.

به عنوان یك نمونة جدید از فواید فناوری MEMS می‌توان به شتاب‌سنجهای MEMS  اشاره كرد، كه به سرعت جایگزین سرعت‌سنجهای مربوط به سیستمهای كیسة هوا در اتومبیل می‌شود. در روش مرسوم از چندین شتاب‌سنج حجیم شامل اجزای مختلف در جلوی خودرو استفاده می‌‌شود كه قطعات الكترونیكی سیستم در نزدیكی كیسة هوا قرار دارند و قیمت مجموعه بالغ بر 50 دلار است.

MEMS این امكان را فراهم كرده تا شتاب‌سنج و وسایل الكترونیكی با هزینه‌ای كمتر از 5 تا 10 دلار در یك ریزتراشة سیلیكونی تلفیق شوند. شتاب‌سنج MEMS خیلی كوچكتر، كارآمدتر، سبكتر و قابل اعتمادتر بوده و قیمتی بسیار كمتر از شتاب‌سنجهای مرسوم دارد. لذا انتظار می‌رود  ظرف چند سال آینده این شتاب‌سنجها جایگزین دستگاههای مشابه در كلیه خودروهای خارجی و داخلی گردند. بهای اندك عناصر شتاب‌سنج MEMS ، اجازة ساخت كیسة هوا برای حفاظت مسافرین در مقابل ضربات كناری را می‌دهد. ادامة پیشرفت در فناوری شتاب‌سنج MEMS در 5 سال آینده، امكان می‌دهد تا حس‌كننده‌ها, اندازه و وزن یك مسافر را تعیین كرده پاسخ بهینه را محاسبه كنند تا صدمات احتمالی ناشی از كیسه هوا كاهش یابد.