Идеология и принципы функционирования (Микро- и наноэлектромеханические системы - Идеология и принципы функционирования)

Московский государственный технический университет имени Н.Э.Баумана

Факультет «Машиностроительные технологии»

Кафедра «Электронные технологии в машиностроении»

РЕФЕРАТ

«Микро- и наноэлектромеханические системы:

Идеология и принципы функционирования.»

Группа: МТ11-81

Студент: Куликова Л. А.

Преподаватель: Сидорова С.В.

2015 г

Введение

Наноэлектромеханические системы (НЭМС) (англ. Nanoelectromechanical systems (NEMS)) характеризуются малыми размерами, при этом их размеры соответствуют функциям, выполняемым устройствами. Граничные размеры варьируются от нескольких сотен до единиц нанометров. Новые физические свойства, появившиеся благодаря малым размерам, играют ведущую роль в операциях, выполняемых этими устройствами, поэтому для их изготовления требуются новые подходы. В настоящее время можно выделить две основные тенденции в создании НЭМС: уменьшение размера существующих микроэлектромеханических систем (МЭМС) и разработка принципиально новых молекулярных двигателей и молекулярных электромеханических устройств. Первый подход связан с большими сложностями, поскольку методы, используемые для создания МЭМС (электронная литография, ионное травление и др.) имеют ограниченное разрешение, поэтому их проблематично использовать для создания нанообъектов. Как ожидается, НЭМС произведут революцию в области метрологии, особенно – при измерении чрезвычайно малых сил и смещений на молекулярном уровне. Уже в настоящее время на основе НЭМС созданы нанорезонаторы с фундаментальной частотой колебаний выше 10 ГГц что еще не так давно казалось недостижимым. Такие резонаторы уже нашли применение в качестве кантилеверов сканирующей зондовой микроскопии, нановесов и наносенсоров биологических молекул и ДНК. Другим очевидным преимуществом НЭМС является их чрезвычайно низкое энергопотребление. К одному из важнейших классов НЭМС можно отнести также и наноактюаторы – молекулярные моторы. Очевидно, что для движения какого - либо объекта нужно подвести к нему и затратить некоторое количество энергии, точно так же как для человека необходима еда, чтобы двигаться и жить. В микро- и наносистемах вместо электромагнитного принципа преобразования энергии, используемого повсеместно в «макроэлектронике», часто используют пьезоэлектрический или электростатический эффекты; в зависимости от выбора принципа работы наноустройств подвод энергии к микро- или наноэлектромеханической системе может осуществляться также электрически, термически или химически. Электрические наноактюаторы управляются наиболее просто – приложением внешней разности потенциалов или электромагнитного поля. Исследователи из Беркли (США) создали электрический наноактюатор, очень похожий на обычный электромотор. Вращающаяся часть, называемая ротором, – крошечная золотая пластинка размером около 250 нм, которая закреплена на оси – углеродной нанотрубке. Вокруг ротора расположено три электрода – два по бокам и один снизу. Подавая на электроды переменное электрическое напряжение с амплитудой около 5В, ученые заставляют наномотор вращаться. В основе работы тепловых актюаторов лежит обычно эффект теплового расширения или деформации контакта двух материалов (часто – пары металл-диэтектрик) за счет различия в коэффициентах теплового расширения. Разогрев элементов проводят, пропуская через них электрический ток или нагревая окружающую среду. Такие актюаторы могут создавать достаточно большие силы, однако эффективность использования энергии весьма мала. Увеличение разницы коэффициентов теплового расширения материалов позволяет несколько повысить КПД, однако общая эффективность этих устройств обычно не превышает 0,1%. Если для ученых создание НЭМС является сложнейшей задачей, решение которой, по-видимому, станет делом ближайшего будущего, природа уже на протяжении миллионов лет легко создает различные наномеханические устройства. Многие известные биологические системы – вирусы, бактерии, одноклеточные микроорганизмы и др. – имеют различные приспособления, позволяющие им перемещаться в зависимости от поведения окружающей среды, в том числе под действием электрических импульсов нейронов. Поэтому одним из актуальных направлений в области создания НЭМС является не разработка принципиально новых, а подражание уже известным природным молекулярным моторам. Химическое управление такими наноактюаторами осуществляется при помощи изменения состава окружающей среды, ее кислотности и других факторов. Иногда используют свет, который, воздействуя на молекулы, приводит актюатор в движение. К химическим наноактюаторам относятся и так называемые биологические молекулярные моторы. Примером такого мотора может быть EcoR124I – крошечное устройство, способное выталкивать и втягивать сделаный из молекулы ДНК стержень со скоростью почти 190 нанометров в секунду, а общее перемещение может достигать 3 микрометров. Диаметр этого стержня – всего 2 нанометра. Вместо «нанобатарейки» такой молекулярный мотор использует молекулы АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты) – стандартный источник энергии, которым пользуются живые клетки. Существует много других наноактюаторов, сделанных из биологических молекул, полимеров, кремния и других материалов.

Основные стуктуры

1. Наноэлектромеханическая структура, включающая: по меньшей мере один управляемый элемент, обладающий электрической проводимостью; по меньшей мере один входной электрод, находящийся в электрическом контакте с управляемым элементом; по меньшей мере один выходной электрод, пространственно отделенный от управляемого элемента, находящийся с ним в электростатической связи, где указанное пространственное отделение обеспечено при помощи либо изменения свойств части материала выходного электрода, где данное изменение вызвано локализованным химическим воздействием, опосредованным управляемым элементом, либо изменения свойств части материала управляемого элемента, где данное изменение вызвано локализованным химическим воздействием, опосредованным выходным электродом.

2. Структура по п.1, отличающаяся тем, что управляемый элемент выполнен в виде упругого элемента, способного изменять свою геометрию.

3. Структура по п.2, отличающаяся тем, что упругий элемент свободен совершать механические колебания на собственных частотах.

4. Структура по п.2, отличающаяся тем, что дополнительно включает средства детектирования электрического сигнала, находящиеся в сигнальной связи с как минимум одним входным или выходным электродом, а упругий элемент способен переходить в стабильный или кратковременный механический контакт с как минимум одним выходным электродом, при этом средства детектирования электрического сигнала обеспечивают как минимум детектирование изменений электрического сигнала, связанных с данным стабильным или кратковременным механическим контактом.

5. Структура по п.4, отличающаяся тем, что как минимум часть поверхности по меньшей мере одного выходного электрода покрыта изолирующим или проводящим слоем, так что данный изолирующий или проводящий слой предотвращает возможность непосредственного механического контакта между упругим элементом и данным выходным электродом.

6. Структура по п.3, отличающаяся тем, что дополнительно включает средства подачи постоянного напряжения смещения между упругим элементом и выходным электродом, или комбинацией выходных электродов, обеспечивающие контроль частоты резонансных механических колебаний упругого элемента или, в случае механического контакта упругого элемента с как минимум одним выходным электродом, контроль соотношения сил, прижимающих управляемый элемент к выходному электроду, и сил, стремящихся разорвать механический контакт управляемого элемента с выходным электродом.

7. Структура по п.4, отличающаяся тем, что пространственное отделение упругого элемента и как минимум одного выходного электрода, или свойства поверхности упругого элемента и данного выходного электрода, или напряжение смещения, приложенное между упругим элементом и выходным электродом, или комбинацией выходных электродов, заданы таким образом, что обеспечивается либо стабильный, либо кратковременный механический контакт упругого элемента с данным выходным электродом.

8. Структура по п.2, отличающаяся тем, что как минимум часть поверхности управляемого элемента химически или биологически функционализирована.

9. Структура по п.3, отличающаяся тем, что упругие элементы сгруппированы в массивы упругих элементов; упругие элементы в каждом массиве имеют общие входные и выходные электроды; дополнительно включены средства адресации упругих элементов или подгрупп упругих элементов; каждому упругому элементу или подгруппе упругих элементов в массиве соответствует своя частота резонансных колебаний; средства адресации задают при помощи входных и выходных электродов массив упругих элементов, к которому относится адресуемый упругий элемент или адресуемая подгруппа упругих элементов, и задают частоту переменного напряжения смещения, прикладываемого к комбинации входных и выходных электродов заданного массива упругих элементов, так что данная частота соответствует частоте резонансных колебаний адресуемого упругого элемента или подгруппы упругих элементов.

10. Структура по п.9, отличающаяся тем, что каждый упругий элемент, находясь в состоянии механического контакта с по меньшей мере одним выходным электродом, свободен совершать механические колебания на собственной частоте, отличной от собственной частоты этого элемента, находящегося в состоянии отсутствия механического контакта, а средства адресации задают частоту переменного напряжения смещения, прикладываемого к комбинации входных и выходных электродов заданного массива упругих элементов, так, что данная частота соответствует частоте резонансных колебаний адресуемого упругого элемента, находящегося в состоянии механического контакта, или так, что данная частота соответствует частоте резонансных колебаний адресуемого упругого элемента, находящегося в состоянии отсутствия механического контакта.

11. Структура по п.9 или 10, отличающаяся тем, что средства адресации задают напряжение смещения, прикладываемое к комбинации входных и выходных электродов заданного массива упругих элементов, так, что данное напряжение смещения представляет собой суперпозицию переменных напряжений, частоты которых различны и частота каждого из которых соответствует частоте резонансных колебаний одного из упругих элементов.

12. Структура по п.1 или 2, отличающаяся тем, что управляемый элемент представляет собой углеродную нанотрубку или углеродное нановолокно, или пучок углеродных нанотрубок или углеродных нановолокон.

13. Структура по п.1 или 2, отличающаяся тем, что в качестве материала, из которого выполнена как минимум часть выходного электрода, выбран материал на основе углерода.

14. Структура по п.1 или 2, отличающаяся тем, что управляемый элемент представляет собой многослойную углеродную нанотрубку, как минимум один внешний слой которой удален при помощи воздействия, опосредованного выходным электродом.

15. Наноэлектромеханическая структура, включающая: по меньшей мере один управляемый элемент, выполненный в виде упругого элемента, обладающего электрической проводимостью и свободного совершать механические колебания на собственных частотах; по меньшей мере один входной электрод, находящийся в электрическом контакте с упругим элементом; по меньшей мере один выходной электрод, пространственно отделенный от упругого элемента и находящийся с ним в электростатической связи; средства подачи напряжения смещения между комбинацией входных и выходных электродов; средства детектирования электрического сигнала, находящиеся в сигнальной связи с как минимум одним входным или выходным электродом, где средства подачи напряжения смещения обеспечивают возбуждение механических колебаний упругого элемента, причем амплитуда резонансных колебаний упругого элемента имеет величину, обеспечивающую переход упругого элемента в стабильный или кратковременный механический контакт с как минимум одним выходным электродом, а средства детектирования электрического сигнала обеспечивают по меньшей мере детектирование изменений электрического сигнала, связанных с данным стабильным или кратковременным механическим контактом.

16. Структура по п.15, отличающаяся тем, что упругие элементы сгруппированы в массивы упругих элементов; упругие элементы в каждом массиве имеют общие входные и выходные электроды; дополнительно включены средства адресации упругих элементов или подгрупп упругих элементов; каждому упругому элементу или подгруппе упругих элементов в массиве соответствует своя частота резонансных колебаний; средства адресации задают при помощи входных и выходных электродов массив упругих элементов, к которому относится адресуемый упругий элемент или адресуемая подгруппа упругих элементов, и задают частоту переменного напряжения смещения, прикладываемого к комбинации входных и выходных электродов заданного массива упругих элементов, так, что данная частота соответствует частоте резонансных колебаний адресуемого упругого элемента или подгруппы упругих элементов.