Тридцать лет назад советская педагогика запрещала ученикам приходить в школу с часами на руке. У меня этот предмет гордости хранился в кармане: старые отцовские механические часы на 12-ти камнях. И не путайте те камни с "камнями"-процессорами: не было тогда никаких процессоров и электронных часов тоже не было. А потому, открыв крышечку с нижней стороны часов и вооружившись "увеличилкой", я с удовольствием любовался внутренностями миниатюрного механического цифрового компьютера, вычисляющего точное время путем преобразования энергии заведенной пружины в ритмичное движение крошечных колесиков и шестереночек. В этом отношении электронные часы и компьютеры абсолютно непедагогичны: разве может увлечь ребенка невидимое движение невидимых электронов или еще более невидимых дырок?

В наши дни электроника изгоняет механику отовсюду, где требуется надежность, миниатюрность и дешевизна. Однако электроника бессильна захватить еще и те "экологические ниши", где от устройства требуется именно механическое движение. В свою очередь механика, подвергаясь сильному "давлению отбора" со стороны электроники, "мутирует" в сторону конкурентки и приобретает всё более электронные черты: высокую износоустойчивость, микроскопические размеры и смехотворную цену в расчете на один элемент. Такие современные механические устройства называются MEMS - microelectromechanical systems, т.е. микроэлектромеханические системы, или попросту микромашины. Их можно найти во многих высокотехнологичных продуктах: в ряде оптических устройств, в компьютерных игровых джойстиках, в сенсорах автомобильных воздушных мешков безопасности, в струйных принтерах, в проекционных дисплеях и даже в устройствах контроля доступа к ядерному оружию. А чтобы не тратить слишком много слов на описание того, что такое MEMS, как их делают и с чем едят, давайте разберемся в этом с помощью картинок, показывающих две микромашины, изготовленные в Sandia Labs.

На первом фото мы видим фрагмент храпового механизма. Ничего себе, аккуратная работа, но "ахов" и "охов" не вызывает, пока не узнаешь, что это - микрофотография, и что 20 таких шестереночек улягутся на диаметре типографской точки в конце этого предложения. Данная микромашина вполне работоспособна и отличается от предшественниц, пожалуй, только своей сложностью, обеспеченной новой пятислойной технологией изготовления. Но о каких слоях речь? Это просто: микромашины не собирают из готовых деталей, а целиком выращивают слой за слоем на кремниевой подложке, применяя технологии осаждения слоев поликремния (поликристаллического кремния) и двуокиси кремния, фотолитографии, травления и планаризации (сглаживания), наработанные в микроэлектронике. В конце изготовления микромашины все ее детали уже находятся на своих местах в правильном соединении между собой, но двигаться еще не могут, потому что как бы утоплены в толстом слое двуокиси кремния. Затем двуокись удаляют сильной кислотой - и микромашина готова. Толщина слоев поликремния - 1-2 микрона, и это - толщина шестерней, маховиков, шатунов, рычагов, собачек, храповиков, пружин и прочей механической бижутерии, имена которой уже забыты компьютерной публикой.

Двухслойная технология - это когда есть только два слоя поликремния: нижний играет роль неподвижной основы, а верхний образует движущиеся детали. Эта технология позволяет создавать простейшие сенсоры и актуаторы. Посредством трехслойной технологии можно делать шестерни, свободно вращающиеся на своих осях и образующие сложные зубчатые передачи, а также электромоторы, приводящие все это хозяйство в движение. Между прочим, трехслойная технология - это уже промышленный стандарт изготовления MEMS, но, к сожалению, не у нас. Добавление четвертого слоя поликремния позволяет сделать, например, шатуны, преобразующие возвратно-поступательное движение гребенчатого электродвигателя в непрерывное вращение шестеренок или колесиков. Ну а пятислойная технология, как на картинке, - это тот высший пилотаж, когда сложные взаимодействующие микромеханизмы сами располагаются на движущихся платформах.

Пока мы тут рассматриваем микрохраповичок, вокруг Земли летает Космический телескоп "Хаббл". Хороший инструмент, но уже сильно устаревший, без всяких там новомодных микромашин на борту. К середине десятилетия "Хаббл" хочет уйти на пенсию. А в 2008 году ему на смену будет запущен Космический телескоп следующего поколения (Next Generation Space Telescope - NGST), весящий 2700 кг и имеющий 8-метровое(!) главное зеркало. NGST позволит заглянуть в так называемую "Темную Зону" - в период между 100 млн. лет и 1 млрд. лет от рождения Вселенной, когда только начинался процесс образования первых звезд и галактик. Эта амбициозная цель будет достигнута отличной инфракрасной оптикой NGST, причем не только его гигантским главным зеркалом, но и "умными" вспомогательными зеркалами.

Фрагмент такого вспомогательного зеркала (точнее, его прототипа) мы видим на втором фото. Все зеркало будет представлять собой огромную микромашину, состоящую из 4 миллионов микроскопических зеркалец. Каждое микрозеркало имеет свой собственный приводной механизм, по команде компьютера отклоняющий это микрозеркало на угол 10 градусов от горизонтали независимо от его соседей. Зачем это надо? Если все 4 млн. микрозеркал лежат горизонтально, они образуют сплошное плоское вспомогательное зеркало, которое направляет на цифровую камеру свет, собранный главным зеркалом. Предположим теперь, что какая-то часть изображения вызвала особый интерес, и надо, например, определить ее спектр. Тогда компьютер отдаст соответствующим микрозеркалам приказ отклониться на заданный угол, они этот приказ выполнят и таким образом перенаправят на детекторы свет, пришедший именно от интересного объекта. Это MEMS-зеркало изготовлено по 4-слойной поликремниевой технологии, если не считать 5-го слоя - золотого, добавленного для хорошего отражения. И не забыть бы сказать, что площадь каждого микрозеркала, вроде того, которое мы видим на микрофотографии в откинутом состоянии, равна площади сечения человеческого волоса.

А теперь пора поставить точку диаметром в 20 микрошестеренок.

Иван ЖИЛИН,
sci@au.ru