الكهروميكانيكية الصغرى MEMS والدوائر المتكاملة ICs بنهج التكامل ثنائي الأبعاد في أنظمة متعددة الشرائح

د. عدنان زمان الهندسة الكهربائية – مدينة الملك عبد العزيز للعلوم والتقنية – السعودية

عند تصميم وتصنيع جهاز كهروميكانيكي فإنه بالإمكان دمجه مع أجهزة أخرى مما ينتج عنه تشكيل دارة مدمجة بمنظومة أكبر “كالمعالجات الدقيقة”. تعدّ النظم الكهروميكانيكية الصغرى (MEMS) أجهزة ذات بنى ميكانيكية دقيقة يمكن استخدامها لبناء مختلف أجهزة مستشعرات الضغط، وأجهزة استشعار درجة الحرارة، ومقاييس التسارع، والجايروسكوبات، وحتى أجهزة الكشف عن الغازات والمحللات الكيميائية. تستفيد تقنية الأنظمة الكهروميكانيكية الصغرى من المزايا التي توفرها تقنية السيليكون من حيث التكلفة المنخفضة، والدقة العالية، وصغر الأجهزة، مما يعطيها فرصة كبيرة تمكنها من استبدال التكنولوجيا القديمة في العديد من أجهزة الاستشعار والمشغّلات، وفي ترشيح التردد، والاستشعار الحيوي والغازي، واستشعار الضغط، وكشف التسارع، وغيرها من التطبيقات. فإنه بمقدور جهاز مايكروميكانيكي واحد MEMS أن يحل محل أكثر من عشرة أجهزة ترانزستور في بعض التطبيقات، مما يقلل كثيرًا من تعقيد الدارات الرقمية، وذلك بتبسيط الدوائر الرقمية القائمة على المرنان الدقيق، مما يؤدي إلى الحدّ من استهلاك الطاقة، وتقليل حجم الشرائح، وتقليل عدد الأجهزة ، وانخفاض تكاليف التصنيع.

تتطلب جميع الأجهزة الرقمية ترددًا مرجعيًا ثابتًا، ولذلك يتم استخدام مذبذبات الكوارتز في أغلب مولدات الساعات الدقيقة. لقد واجهت الأجهزة التي تستند إلى أنظمة الكهروميكانيكية الصغرى مشكلات تتعلق بالدقة، والاستقرار، ولكن تحاول الشركات المصنعة العمل على تطوير منتجات جديدة تحتوي على مذبذبات الأنظمة الكهروميكانيكية الصغرى في بعض تطبيقات التقنيات الحديثة، التي بتصنيع عناصر ميكانيكية وكهروميكانيكية مصغرة، يمكن أن يصل حجمها إلى أقل من ميكروميتر واحد من أنظمة كهروميكانيكية معقدة ذات أجزاء متحركة متعددة. وتشمل عملية تصنيع أجهزة الأنظمة الكهروميكانيكية الصغرى العديد من العمليات المشابهة لتلك المستخدمة في صنع دوائر أشباه الموصلات الأخرى، ويتضمن ذلك: الأكسدة، وتطعيم الأيونات أو غرسها، وترسيب البخار الكيميائي منخفض الضغط (LPCVD) ، وغيرها. 

تقنيات MEMS تنشر أجنحتها في عالم تقنيات الإلكترونيات الدقيقة

ما من شك في أن المدن الذكية تحتاج إلى الملايين من أجهزة الاستشعار الذكية، والتقنيات الإلكترونية، والأجهزة التي تعتمد على البطاريات، ووحدات جمع الطاقة ذات السعة والاستهلاك المحدود للطاقة. لذلك لا بد من التوجه لمسار مختلف عن تطوير أجهزة أشباه الموصلات إلى تطوير دوائر كهربائية مدمجة ومنظومات ذات كفاءة عالية في استهلاك الطاقة، وهذا ما نلتمسه من دمج تقنيات حديثة مثل تقنيات الأجهزة الكهروميكانيكية. 

 تعتبر مواد أشباه موصلات مادة التصنيع الخاصة بالتقنيات الكهروميكانيكة، ويمثل ذلك ميزة أساسية لدمجها مع الدوائر المتكاملة. حيث إن الدوائر المتكاملة تتضمن كذلك مكونات تحتوي على مواد شبه موصلة. يتم تصميم وتصنيع رقائق الأجهزة الكهروميكانيكية والدوائر المتكاملة MEMS و IC واختبارها بشكل مستقل، ثم يتم فصل الرقائق إلى شرائح منفصلة صغيرة، على أن يتم دمجها في النهاية في أنظمة متعددة الشرائح على مستوى اللوحة أو الحزمة، ويتم تعبئة رقائق MEMS و IC بشكل فردي، ثم دمجها كنظام على لوحة الدوائر المطبوعة (PCB). وتُدمج الأنظمة بوحدات متعددة الرقائق عن طريق وضع الرقائق الكهروميكانيكية والدوائر المدمجة في عبوة مشتركة، و توصيلهم عبر أسلاك من الذهب أو الألومينيوم بسماكة المايكروميتر. 

وعلى مدى العقود الثلاثة الماضية تم استخدام تقنيات أكثر دقة في صناعة الدوائر المتكاملة وذلك بدمج أجهزة النظام الكهروميكانيكي الدقيقة (MEMS) مع الدوائر المتكاملة (ICs) ، مما نتج عنه تطبيقات كثيرة للنظم الكهرومیكانیكیة، لينتج بذلك تقنيات لها تطبيقات كثيرة تجارية وعسكرية مثل شاشات العرض، طابعات الحبر النافثة، مقاییس التسارع، الجیرسكوب المستخدم للحماية لفتح أكياس الهواء في السيارات. وحيث إن محولات الطاقة الكهروميكانيكية الصغرى تستشعر أو تتحكم في الكميات الفيزيائية أو الضوئية أو الكيميائية، بينما توفر الدوائر المتكاملة عادةً الوظائف المتعلقة بإشارات هذه المحولات، مثل التحويل التناظري إلى الرقمي، والتضخيم، والتصفية، ومعالجة المعلومات، وكذلك الاتصال بين محول الطاقة MEMS والعالم الخارجي. 

المراجع:

• Fischer, A., Forsberg, F., Lapisa, M. et al. Integrating MEMS and ICs. Microsyst Nanoeng 1, 15005 (2015). https://doi.org/10.1038/micronano.2015.5

https://www.nature.com/articles/micronano20155

• Hilton, A.; Temple, D.S. Wafer-Level Vacuum Packaging of Smart Sensors. Sensors 2016, 16, 1819. https://doi.org/10.3390/s16111819

https://www.mdpi.com/1424-8220/16/11/1819

• Sandner, T.; Gaumont, E.; Graßhoff, T.; Rieck, A.; Seifert, T.; Auböck, G.; Grahmann, J. Wafer-Level Vacuum-Packaged Translatory MEMS Actuator with Large Stroke for NIR-FT Spectrometers. Micromachines 2020, 11, 883. https://doi.org/10.3390/mi11100883

https://www.mdpi.com/2072-666X/11/10/883