Лекцию о микроэлектронике в МИЭТ провел аспирант Егор Зуев

В МИЭТ рассказали о перспективах рынка микросистемной техники

Лекция о микроэлектронике прошла в Национальном исследовательском университете МИЭТ в рамках проекта "Университетские субботы". Аспирант кафедры микроэлектроники Егор Зуев рассказал слушателям о перспективах развития рынка микросистемной техники. Сетевое издание M24.ru приводит текстовую версию лекции.

- Позвольте представиться, меня зовут Зуев Егор Вячеславович. Я аспирант кафедры микроэлектроники. Сегодня я проведу для вас мастер-класс на тему "Космическая Одиссея. Ориентация в пространстве". Для начала предлагаю отвлечься от темы космоса и спуститься на Землю. Скажите, пожалуйста, кто-нибудь из вас слышал когда-нибудь о микромеханических датчиках, системах, МЭМС-устройствах? Где мы с ними сталкиваемся каждый день? Нет, не знакомо это для вас? Тогда я предлагаю посмотреть небольшой учебный фильм, чтобы вы вошли в курс дела. Уже после этого мы с вами более предметно поговорим.

Демонстрируется учебный фильм "Введение в МЭМС".

Ну что, стало понятнее, о чем мы сегодня будем говорить, и что такое микроэлектромеханические системы и датчики? Давайте теперь более подробно рассмотрим принцип работы микромеханического акселерометра. Из фильма понятно, что акселерометр – это прибор для измерения ускорения. Итак, что же лежит в основе микромеханического акселерометра? Обыкновенный электрический конденсатор. Из школьного курса физики ясно, что конденсатор – это прибор, который что способен накапливать электрический заряд, совершенно правильно.

Может быть, формулу емкости мне кто-то на память скажет? Давайте хотя бы подумаем, отчего у нас будет зависеть емкость конденсатора? От каких параметров? От площади обкладок, от расстояния между обкладками и от диэлектрика.

Зачем нам это нужно? Представим, что мы одну обкладку конденсатора зафиксируем жестко, а вторую – подвесим на каком-то гибком подвесе, пружинке и т.д., чтобы она могла свободно перемещаться. И теперь мы начнем придавать какое-то ускорение системе. Что будет происходить? Правильно, обкладочка будет перемещаться, она же имеет какую-то массу, а поле силы тяжести Земли на всех действует, мы же все притягиваемся к Земле. Следовательно, она будет совершать какие-то колебания. Расстояние между обкладками у вас будет изменяться, будет изменяться расстояние, будет, соответственно, изменяться и емкость. Мы фиксируем изменение емкости и уже можем использовать для наших целей.

Или второй пример. Возьмем два конденсатора и точно так же нижние обкладки зафиксируем жестко, а верхние обкладки расположим на кристалле, который подвешен на торсионах, чтобы верхняя обкладка могла делать колебания. Теперь мы возьмем эту систему и также расположим ее параллельно полю силы тяжести Земли. Расстояние между обкладками одинаковое, емкости одинаковые, а теперь представьте: мы эту систему с вами перевернем, что у нас произойдет? Совершенно верно.

А теперь давайте подумаем, где мы используем это каждый день? Вот классический пример. У каждого из нас есть устройство, которое мы каждый день используем, где применяется этот эффект. Что мы крутим-вертим каждый день? Планшет, мобильный телефон. А зачем мы его вертим? Для изменения ориентации дисплея. Там работает именно такой эффект.

Здесь, как было сказано в фильме, очень сильный удар, больше допустимого, резкое изменение емкости - и что? Срабатывают подушки безопасности в автомобиле.

Или второй пример. Вы, наверное, машину еще не водите. Но по утрам ваш папа выходит, а его машину кто-то закрыл. И что он делает? Он подходит и начинает стучать по колесу этой машины. Зачем? Чтобы сработала сигнализация. Там стоит датчик удара, при каком-то сильном воздействии его емкость изменяется, и компьютеру выдается команда о включении сигнализации. Сейчас я продемонстрирую более подробно, как работает датчик акселерометра.

Вот смотрите. Это я кручу как будто планшет или телефон. Видите, графика изменяется? А вот удары. Вот так работает датчик акселерометра.

Второй прибор, о котором я бы хотел вам рассказать, называется датчик угловой скорости. Как же он устроен? В основе датчика угловой скорости лежит кремниевый кристалл, внутри которого протравлено кремниевое кольцо и подвешено торсионно. Под микроскопом виден сам кристалл с кольцом, вот он под увеличением. Зачем это нужно, и как работает прибор? Если взять еще более сильный микроскоп, то можно увидеть: я здесь попытался изобразить фрагмент кольца и фрагмент торсиона. Еще на кремниевое кольцо напылен проводник токопроводящий. Зачем это нужно? Поместим кольцо и кремниевый кристалл между двумя постоянными магнитами, чтобы кольцо постоянно находилось в поле действия магнитного поля. Зачем? Из школьного курса физики вспомним два опыта. Первый: у нас здесь проводник с током, рядом мы поставим магнитную стрелку. Начинаем пропускать ток через проводник - что происходит с магнитной стрелкой? Она как-то изменит свою ориентацию в пространстве. О чем это говорит? Это говорит о том, что электрический ток способен порождать магнитное поле.

Теперь возьмем второй опыт. Возьмем катушку, к ней подсоединим амперметр и в эту катушку провода начнем помещать и вытаскивать магнит. Что будет происходить со стрелкой амперметра? Она тоже будет отклоняться. О чем этот опыт говорит? О том, что магнитное поле способно порождать поле электрическое.

Вернемся к кристаллу, к кольцу. По форме торсионов, вот этих пружинок, на которых подвешено кольцо, я думаю, понятно, что кольцо способно совершать колебания в пространстве. Теперь представьте: всю эту конструкцию, как я сказал, - кольцо с двумя магнитами - начинаем вращать с какой-то угловой скоростью, придавать вращение объекту. Что у нас будет? Кристалл из-за того, что он жестко закреплен, будет вращаться со всей системой. А кольцо, из-за того что оно на пружинках, инертно. Это как в автобусе: мы едем, автобус резко затормозил - наш корпус подается вперед. То же самое. Кольцо из-за инертности будет отставать от всей системы. Я думаю, это понятно. И что получается? То же самое. Кольцо с проводниками напыленное - это наша катушка, а это постоянный магнит, и на проводниках будет наводиться ЭДС-индукция, которую мы регистрируем. Примерно так работает датчик угловой скорости. Сейчас я это продемонстрирую наглядно.

Смотрите, летит самолет или ракета, и какая-то вибрация пошла, какая-то зона турбулентности, датчик говорит нам о том, что что-то не в порядке. Так работает датчик угловой скорости.

Третье устройство, которое я хотел бы вам продемонстрировать, называется сканирующее зеркало. Для начала вспомним, опять из школьного курса физики, понятие резонанса. Резонанс – это то такое? Все верно. Микрозеркало. Пластиночка, на которой напылено зеркальное покрытие, которая может совершать колебания. У нас есть генератор, который позволяет получить сигналы определенной амплитуды и частоты, усилитель, вибростенд и источник лазерного луча. Давайте посмотрим, что сейчас будет. Смотрите все на точку на потолке. Вот я включаю вибростенд. Видите, что произошло? А сейчас я буду частоту увеличивать. Наша с вами задача – получить резонанс. Мы закрыли четверть круга.

Давайте подумаем, где такая вещь может применяться, использоваться? Строительная индустрия – правильно – лазерные уровни, длинномеры. Каждый день вы в супермаркете пробиваете товары - тоже к лазерному лучу подносим. Да, правильно, такие вот сканеры. Когда самолет садится в аэропорту, есть такое понятие глиссада. Самолет должен заходить на посадку с определенной скоростью и высотой. И вот мы разместим три лазерных луча, допустим, зеленый, красный и желтый. И если пилот летит, и на него смотрит красный луч, он понимает, что находится выше уровня глиссады, ему надо спуститься. Или, наоборот, на него смотрит желтый луч, он понимает, что он ниже уровня глиссады, ему надо подняться. Если он поднялся и попал в зону действия зеленого луча, он понимает, что снижается с правильно скоростью и высотой.

Вернемся теперь опять к теме космоса. Суть в том, что в космосе используются те же самые приборы, датчики – акселерометры, датчики угловой скорости, различные датчики давления, датчики магнитного поля и т.д. Другой вопрос, что одно дело, когда у нас бытовая электроника (компьютеры, планшеты, мобильные телефоны) - к ним одни требования предъявляются. Совершенно другое дело, когда у нас датчики в космосе. К ним предъявляются совершенно другие требования по прочности, надежности, рабочим температурам. В космосе, насколько мы знаем, еще солнечная радиация. Датчики должны выдерживать это все. Поэтому, если для мобильного телефона датчик имеет такой размер, что его сложно рассмотреть, то для космоса у нас будут использоваться датчики более крупные, железные и надежные.

Второй момент. Редко когда в ракете, самолете, космическом корабле будет использоваться один датчик – один акселерометр или один гироскоп. Как правило, используются системы из датчиков. У нас же трехмерное пространство, поэтому нам нужно как минимум три датчика, чтобы иметь полную картину об объекте. Поэтому ставятся три акселерометра, три гироскопа, три магнитометра. И каждый по своей оси (это, понятно, x, y, z). Эта система датчиков уже будет называться навигационной системой или гирокомпасом. Такая система уже способна выдавать корректные данные о перемещении объекта, будь то ракета, самолет или космический аппарат.
Наша кафедра микроэлектроники как раз и занимается разработкой таких навигационных систем - микромеханических датчиков для ориентации различных космических объектов, самолетов в пространстве.

Раздаточный материал относительно нашей кафедры можете взять, если будет интересно посмотреть, что там преподается. Вообще на выходе с нашей кафедры вы получаете диплом инженера-конструктора, вы будете уметь делать все базово. Что вам более интересно, вы узнаете в процессе обучения. Программы 3D-моделирования... Опять-таки, каждое современное электронное устройство содержит у нас в своем составе обязательно печатную плату с деталями – все это на нашей кафедре преподается.

Что самое интересное, мало нарисовать устройство на компьютере, нужно еще уметь делать его руками. Поэтому специально для студентов у нас читаются различные технологические курсы, где студентов на настоящем измерительном оборудовании учат, как работать с различными приборами, как испытывать наши системы. Поэтому очень интересно.

Сейчас у нас свободное время, вы можете попробовать различные датчики, задать вопросы, с лазером поиграть.

И вторая часть: мой коллега покажет вам различных роботов, которые работают на основе микромеханических датчиков – акселерометров, гироскопов и др. Если есть какие-то вопросы, я готов ответить. Вот, с микроскопом тоже можете поиграть.