Развитию МЭМС в России необходим положительный импульс
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.
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).
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:
- Повышение эффективности использования природных энергетических ресурсов, таких как газ, нефть, лесные массивы и т. д.
- Разработка и изготовление электробытовых устройств с минимальным уровнем энергопотребления.
- 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.
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.