Микропроизводство и МЭМС

Еще одну возможность уменьшить размеры полезных предметов дают высокоточные технологии производства. Заметнее всего это в разработке и производстве электронных схем. Вакуумные трубки, использовавшиеся для построения ранних компьютеров, были громоздкими и сильно нагревались просто по своей природе. Сменившие их вскоре транзисторы были меньше и грелись уже не так сильно, что позволяло размещать их куда компактнее. Появление полупроводниковых технологий задало экспоненциальный рост плотности транзисторных элементов на кристалле кремния, позднее описанный законом Мура. В 50–х переносные радиоприемники с полудюжиной транзисторов казались чудом; к концу века компьютерные чипы размером с марку, вмещавшие 100 миллионов транзисторов, уже никого не удивляли.

Микропроизводство обычно начинается с макроскопического элемента, например — с кремниевой пластины, на которой путем точнейшего снятия или добавления слоев материала создаются сложные структуры вроде интегральных схем. По мере развития технологий минимальные размеры элементов в таких структурах, ранее составлявшие десятки микрометров, снизились до десятков нанометров. Эта прогрессия достигнет предела, когда элементы уменьшатся до пары нанометров, то есть до размеров атома — но это не значит, что развитие микропроизводств в этот момент остановитсяЗ. По мере приближения этой гонки к финалу акцент смещается на изобретение новых видов микроскопических структур и систем.

Методы микропроизводства, разработанные для изготовления электронных схем, уже расширены и обобщены для микрожидкостных систем с крохотными каналами, резервуарами, клапанами и форсунками, заменившими колбы и мензурки традиционной химической лаборатории и позволившими проводить анализ проб значительно меньших объемов. Те же методы используются и в производстве волноводов для света и радиосигналов. Название таких структур — микроэлектроме–ханические системы — занимает больше места, чем они сами, но, к счастью, его принято сокращать до МЭМС4.

Что еще удивительнее, в МЭМС могут бьпъ встроены подвижные части, такие как переключатели и клапаны, вибрирующие консоли, крошечные приводы и механические соединения. Это позволяет МЭМС функционировать в качестве сенсоров, преобразующих различные сигналы из окружающей среды в электронные данные. Их используют как датчики давления, микрофоны, измерители ускорения, датчики угловой скорости, детекторы видимого и инфракрасного излучения. Они могут превратиться в «лаборатории на чипе», распознающие химические и биологические вещества.

И наоборот, МЭМС способны функционировать как преобразователи информации в полезные физические, химические и биологические реакции. Они, например, могут испускать световые или радиоимпульсы, настраивать микроскопические зеркала, чтобы направлять сигналы в оптоволоконных системах, а также служить двигателями для микроскопических транспортных средств и роботов.

На заре микропроизводства чипы обычно выполняли интеллектуальные функции в устройствах нормального размера. Эту тенденцию определил персональный компьютер 1980–х; микрочип там находился в центре большого ящика, заполненного устройствами, обеспечивающими подачу электричества, прием сигналов и выполнение ответных действий. В течение 80–х и 90–х микрочипы встраивались во все более расширяющийся круг крупногабаритных систем — от домашних электроприборов до автомобилей и самолетов. Сегодня, с развитием технологий МЭМС, резко уменьшиться в размерах оказались способны и многие другие устройства, что открывает новые возможности для проектирования. МЭМС могут работать как автономные системы размером с насекомое внутри человеческого тепа и в прочих местах, требующих предельной миниатюризации. Запущенные в массовое производство недорогие МЭМС можно разбрасывать, как зерна пшеницы, ими можно окрашивать поверхности, их можно замешивать, к примеру, в бетон. Можно делать из них умные покрьп’ия, фиксирующие изменения окружающей среды и реагирующие соответствующим образом. А установив между ними беспроводную связь, можно создавать системы с распределенным интеллектом.