Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2012 №10

Развитию МЭМС в России необходим положительный импульс

Урманов Денис


Спектр областей, в которых востребованы технологии и устройства, объединяющие в себе микроэлектронные и микромеханические компоненты, в последнее время стремительно расширяется. Несмотря на то, что российский рынок нишевых МЭМС объективно обладает хорошим потенциалом, ситуация с разработкой, производством и развитием подобной микросистемной техники в нашей стране далека от желаемой. Восполнить данный пробел, наверстать упущенное и выйти на мировой уровень призывает «Русская Ассоциация МЭМС», поставившая перед собой задачу развития российского МЭМС-кластера и обеспечения взаимодействия между отечественными и мировыми разработчиками, производителями и потребителями МЭМС. В статье представлена «Концепция по развитию производства современных МЭМС-изделий в России», выработанная Ассоциацией.

Актуальность проблемы

Микросистемная техника за последние десять лет стала одним из наиболее динамично развивающихся направлений мировой индустрии. Основой для столь стремительного скачка послужили разработка и производство различных миниатюрных датчиков инерциальной и внешней информации, микродвигателей и преобразователей. Новые технологии МЭМС позволили значительно уменьшить массо-габаритные показатели, энергопотребление и стоимость датчиков, что сделало привлекательным применение микросистемной техники в различных областях народного хозяйства.

Проблема разработки и производства новых МЭМС-устройств является, безусловно, актуальной для российского прецизионного микроэлектронного приборостроения и может быть решена с помощью применения новых технических решений и методик проектирования на основе новых математических моделей функционирования и программных продуктов. Достижение высоких точностей МЭМС-изделий ставит перед разработчиками комплекс новых актуальных задач: учет физических свойств новых конструкционных материалов; изучение влияния инструментальных погрешностей при изготовлении чувствительных элементов и условий функционирования на погрешности измерений датчиков; развитие и улучшение отечественной технологии МЭМС, сокращение сроков проектирования и изготовления прототипов новых МЭМС; комплексная проверка проектов до начала фактического производства при помощи современных электронных средств.

Современные направления развития МЭМС

За последние несколько лет в мировой прессе опубликовано немало статей о возможностях и перспективах развития рынка МЭМС-изделий. К ним, как правило, относят небольшие устройства, объединенные с полупроводниковыми приборами и одновременно сочетающие характеристики электронных схем и механических компонентов. Благодаря уникальному сочетанию малых габаритов и энергопотребления, универсальности и относительно небольшой цене МЭМС сегодня стремительно завоевывают все новые и новые сферы применения. И хотя уже говорят, к примеру, о микро- и нанопомпах, которые, будучи вживленными в тело человека, в зависимости от сигнала, полученного по Wi-Fi, подают пациенту необходимую дозу инсулина, наиболее активным сегментом данного рынка по-прежнему остаются инерциальные датчики (датчики угловой скорости, гироскопы, инклинометры и акселерометры). В оборонной и аэрокосмической областях использование инерциальных измерительных устройств (ИИУ) и других систем, основанных на высокопроизводительных гироскопах, было распространено для навигации, управления полетом или стабилизации функций в течение десятилетий. Но сегодня открылись интересные возможности для применения инерциальных систем в гражданской промышленности, медицине, индустрии развлечений. Необходимо также упомянуть рынок различных мобильных устройств (сотовые телефоны, планшетные компьютеры и др.) как один из наиболее динамично развивающихся в отношении потребления МЭМС-акселерометров, гироскопов, микрофонов и других микросистемных компонентов. При этом основной функцией данных устройств в мобильных «девайсах» является определение ориентации смартфона и «планшетника» в гравитационном поле Земли. Это позволяет миллионам пользователей по всему миру видеть, как на небольших экранах поворачиваются изображения, перемещаются карты, крутятся стрелки компаса и т. д. Благодаря применению современных МЭМС-сенсоров жизнь человека в целом стала более разнообразной, и большая часть человечества с восхищением принимает возможности, которые были недоступны ранее (iPhone, iPad, «умные дома» и другие блага цивилизации).

Не таким массовым, но при этом, пожалуй, наиболее важным является растущий рынок МЭМС-систем в сфере безопасности (рис. 1, 2). Многие европейские компании уделяют развитию данного сегмента все больше внимания, поскольку, по данным статистки, каждые 15 с где-то в мире погибает один рабочий (в результате несчастного случая на работе или профессиональной болезни); в год по всему миру в результате производственных травм гибнет около 1 млн человек; каждый год регистрируется около 160 млн новых случаев профессиональных заболеваний.

Виды деятельности, связанные с профессиональным риском

Рис. 1. Виды деятельности, связанные с профессиональным риском
Производственные условия с повышенным уровнем

Рис. 2. Производственные условия с повышенным уровнем

Улучшить ситуацию могли бы специальные МЭМС-сенсоры, способные в режиме реального времени объективно оценивать самочувствие работника (уровень АД, степень усталости, стрессовые состояния и т. д.), контролировать состояние оборудования и рабочей амуниции (повреждена защитная одежда, ремень безопасности порван и т. д.), оценивать потенциальную опасность образования экстремальной ситуации на производстве (близость высоковольтной ЛЭП, резкое снижение/повышение температуры окружающей среды и т. д.). Подобные интеллектуальные системы смогут обнаруживать предпосылки для возникновения опасных ситуаций на самых ранних стадиях (рис. 3).

Интеллектуальные системы безопасности человека

Рис. 3. Интеллектуальные системы безопасности человека

Другим важным трендом ближайших годов для развития рынка МЭМС станет энергосбережение. Это связано с высокими темпами роста населения Земли, которое, по различным прогнозам, к 2030 г. составит 8,4 млрд чел., и соответствующим бурным увеличением потребления электроэнергии промышленностью, транспортом, жилыми и офисными зданиями и др. (к 2030 г. ожидается, что уровень потребления энергии составит 30 000 ТВт·ч, что в четыре раза больше, чем в 1980 г.).

Оптимизация потребления энергии в Европе в настоящее время ведется по трем направлениям:

  1. Повышение эффективности использования природных энергетических ресурсов, таких как газ, нефть, лесные массивы и т. д.
  2. Разработка и изготовление электробытовых устройств с минимальным уровнем энергопотребления.
  3. Разработка и изготовление интегрированных систем с минимальным уровнем энергопотребления за счет объединения.

Решать поставленные задачи планируется за счет активного использования различных микросистем (в том числе МЭМС), используя при этом последние достижения в таких областях, как микро- и наноэлектроника, новые материалы, нанотехнология, биотехнология и фотоника.

МЭМС в России

Согласно данным различных маркетинговых исследований, в настоящее время наибольший интерес у российских заказчиков вызывают различные инерциальные датчики и системы. Причем отечественные предприятия интересуют как сами указанные продукты (в готовом виде), так и технологии по их проектированию, моделированию, производству и испытанию. Вызвано это тем, что в России не производятся миллионные партии «умных» устройств, в каждом случае речь идет о разработке и производстве относительно небольших объемов МЭМС-сенсоров, отвечающих требованиям, указанным в проектном техническом задании.

Популярность инерциальных сенсоров в нашей стране объясняется тем, что их можно использовать для различных приложений в виде отдельных компонентов или в составе комплексных систем. Это востребовано в индустриальной, гражданской, военно-морской, шельфовой, аэрокосмической, оборонной и других сферах. Так, например, на гражданском рынке подобные системы могут быть полезны для:

  • сельского хозяйства;
  • автономных подводных аппаратов;
  • грузовых транспортных судов;
  • здравоохранения;
  • высокоскоростных поездов;
  • строительных инклинометрических систем;
  • дистанционно управляемых аппаратов;
  • спутникового управления связью;
  • стабилизации оптических систем;
  • инструментов обзора;
  • контроля вибрации;
  • автоматических наземных аппаратов;
  • гражданских самолетов и вертолетов;
  • беспилотных летательных аппаратов (МЧС) и др.

Таким образом, видно, что российский рынок нишевых МЭМС-сенсоров и инерциальных систем обладает хорошим потенциалом, и поэтому вполне понятно растущее стремление различных отечественных предприятий как минимум использовать в своих изделиях МЭМС-сенсоры, а как максимум — организовать производство современных МЭМС на своей базе.

Опыт показывает, что МЭМС-датчики нового поколения от известных мировых брендов (для гражданского и специального применения) в Россию, как правило, не поступают ввиду наличия разного рода ограничений. Кроме того, зарубежная МЭМС-продукция, доступная на отечественном рынке, в большинстве случаев не отвечает техническим требованиям заказчиков (по причине меньшей, чем требуется, точности, диапазона, стабильности измерений и т. д.). А имеющиеся образцы МЭМС-изделий российского производства уже не устраивают многих заказчиков из-за устаревших и не отвечающих современным требованиям массо-габаритных и точностных показателей, уровней энергопотребления, надежности, диапазона измерений, соотношения цены/качества и т. д.

Указанное выше отсутствие доступа к современным МЭМС порой заставляет российских проектировщиков опираться при разработке новых изделий на то, что, как говорится, есть под рукой. Это, в свою очередь, приводит к проектированию и выпуску отдельных изделий, заведомо уступающих по своим характеристикам зарубежным аналогам, использующим достижения современной МЭМС-индустрии в полном объеме. Подобная ситуация негативно сказывается на сбыте отечественной продукции не только на зарубежном, но и на внутреннем рынке, поскольку наши заказчики вполне закономерно хотят покупать ту продукцию, которая в полной мере отвечает всем современным требованиям (в том числе и по микросистемам).

Концепция по развитию производства современных отечественных МЭМС-изделий

Таким образом, возникает вопрос: что же можно сделать, чтобы исправить сложившуюся ситуацию и придать положительный импульс развитию российского МЭМС-рынка? Одним из ответов на него является «Концепция по развитию производства современных МЭМС-изделий в России», предлагаемая «Русской Ассоциацией МЭМС» (рис. 4). Она разрабатывалась путем проб и ошибок в течение нескольких лет и является плодом кропотливой работы, основанной на анализе современных рыночных реалий и перспектив развития российского и зарубежного МЭМС-рынка в ближайшем будущем.

Концепция развития российского рынка МЭМС

Рис. 4. Концепция развития российского рынка МЭМС

Суть концепции состоит в том, что становление системы разработки и производства МЭМС в нашей стране предлагается осуществлять поэтапно. Ниже представлено примерное содержание каждого из этапов.

Этап 1. Разработка и моделирование МЭМС

Данный этап является основополагающим в производстве МЭМС, так как в современной микросистемной индустрии львиная доля работ по моделированию конфигурации чувствительного элемента, структуры ASIC (микросхемы) и других технических характеристик будущего МЭМС-изделия осуществляется при помощи специализированных программных продуктов. Подобное программное обеспечение (ПО) для проектирования и моделирования микроэлектромеханических устройств на базе различных технологических процессов позволяет:

  • использовать обширные технические библиотеки моделей электромеханических, оптических, микрожидкостных, СВЧ и магнитомеханических компонентов, точность которых проверена лабораторными исследованиями;
  • сократить до минимума время изготовления прототипов МЭМС-изделий (от исходного технического задания (ТЗ) до готового устройства);
  • существенно снизить стоимость разработки и время выхода изделия на рынок;
  • получить предварительное представление о типовой технологической схеме производства того или иного МЭМС-изделия в зависимости от исходного ТЗ;
  • осуществлять работу в сквозной системе проектирования МЭМС-устройств (с функциями моделирования), что обеспечивает широкий доступ к МЭМС-технологиям оптимальным по стоимости и времени способом.

Чтобы описанные выше возможности по моделированию МЭМС стали доступны российским заказчикам, мы планируем уже до конца 2012 г. создать на базе Ассоциации первый российский «Дизайн-центр по разработке и моделированию МЭМС». В нем будет использоваться лучшее в своем классе ПО для моделирования микросистем, которое в руках опытных специалистов позволит решать задачи различного уровня сложности исходя из требований, изложенных в ТЗ заказчика.

В некоторых случаях (на первых порах) мы будем прибегать к услугам ведущих европейских дизайн-центров по разработке МЭМС, созданных на базе известных институтов, чтобы оперативно получить опыт по моделированию современных МЭМС и затем на его основе осуществлять дальнейшее проектирование и моделирование российских МЭМС уже собственными силами (без участия зарубежных организаций).

Подобная стратегия позволит нам:

  • в короткие сроки получить бесценный опыт по проектированию МЭМС;
  • обучить российских специалистов основам современного проектирования МЭМС;
  • за счет знаменитого российского интеллектуального потенциала (а он у отечественных специалистов просто колоссальный, благодаря традициям нашей микроэлектронной школы, заложенным еще в советское время) в дальнейшем разрабатывать МЭМС-изделия от самых простых и до более сложных, удовлетворяющих самым современным рыночным требованиям.

Этап 2. Изготовление прототипов МЭМС-изделий

По итогам реализации этапа моделирования МЭМС мы получаем информацию о типовой технологической схеме его производства. Это позволяет нам выработать требования к оборудованию, необходимому для производства конкретного изделия, и представить их заказчику в том случае, если он заинтересован в создании у себя производства МЭМС.

Если речь о создании производства не идет, достаточно решать вопрос по изготовлению прототипа МЭМС-изделия. Для этого заказчики при поддержке Ассоциации смогут выбрать подходящую для них производственную базу, оптимальную по соотношению цена/сроки/качество, и передать свои файлы (маски) российскому или зарубежному производителю.

Результатом выполнения данного этапа станет прототип МЭМС-изделия, изготовленный по ТЗ заказчика. Изначально подобные прототипы, скорее всего, будут изготавливаться за рубежом, но по мере оснащения российских предприятий соответствующим оборудованием их производство можно будет перенести в Россию.

Этап 3. Подтверждение характеристик прототипов МЭМС-изделий, тестирование и испытания

Получив готовый прототип своего МЭМС-изделия, заказчик сможет провести его тестирование и испытание, чтобы проверить, отвечает ли оно требованиям, указанным в исходном ТЗ. Поскольку в настоящее время в России нет какого-либо документа (стандарта), где подробно описывалась бы методика испытания МЭМС, то для этой цели временно можно использовать положения международных стандартов (например, IEEE 1293-1998 и т. д.). Перевод существующих документов был осуществлен силами Ассоциации, и многие наши партнеры уже используют их в своей работе.

На ближайший период партнеры Ассо-циации смогут воспользоваться услугами нескольких испытательных центров, расположенных в России и оснащенных необходимым оборудованием. Также в настоящее время совместно с рядом партнеров ведется разработка первых российских программ и методик по подтверждению технических характеристик, тестированию и испытанию МЭМС-изделий. Результатами нашей работы мы будем готовы поделиться с заинтересованными организациями, и кто знает, может быть, какая-то часть нашего труда поможет ускорить процесс создания национального стандарта по тестированию и испытанию МЭМС.

Этап 4. Организация мелкосерийного производства МЭМС

В случае успешного подтверждения характеристик прототипа МЭМС-изделия можно переходить к следующему этапу — организации мелкосерийного производства. Для этого на первых порах можно будет осуществлять трансфер технологий производства МЭМС от зарубежных институтов-разработчиков. Причем вполне приемлемым вариантом здесь является организация в России только конечного этапа сборки изделий (корпусирования), с последующим испытанием на выходе. По мере накопления опыта в моделировании МЭМС российскими специалистами необходимость в трансфере технологий из-за рубежа будет постепенно отпадать.

Этап 5. Организация серийного производства МЭМС

Вопрос по организации серийного производства тех или иных МЭМС будет решаться по мере развития у нас массового рынка изделий микросистемной техники. Более подробно данный этап будет рассмотрен в следующих редакциях концепции в случае необходимости.

Заключение

Мы полагаем, что реализация указанных выше этапов позволит создать в нашей стране хорошую основу для дальнейшего развития отечественной микросистемной индустрии и постепенного перехода к полноценному циклу серийного производства МЭМС, начиная от моделирования прототипов и заканчивая испытанием готовых изделий.

Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке