Юрий Петропавловский
Микроэлектромеханические системы (МЭМС) представляют собой миниатюрные конструкции, объединяющие механические и электронные компоненты и выполненные в едином процессе по полупроводниковым технологическим нормам от 1 мкм до 0.1 мм. Как правило, в МЭМС-устройствах сконцентрировано множество микроустройств самых различных конфигураций. В отличие от большинства микросхем, МЭМС способны взаимодействовать с различными внешними средами и полями. Сферы применения современных МЭМС чрезвычайно разнообразны – от простых датчиков физических величин до интеллектуальных чипов медицинского назначения.
Производство микроэлектромеханических устройств во всем мире постоянно растет. Россия в этой области пока отстает от стран Запада и Юго-Восточной Азии. Однако актуальность проблемы разработки и производства МЭМС побуждает российские предприятия радиоэлектронной и приборостроительной отраслей объединять усилия в этом направлении.
В марте 2010 года в Москве прошла международная конференция «Современные тенденции и технологии производства МЭМС-устройств», организатором которой выступила компания ООО «Совтест АТЕ». На конференции представители более 30 российских предприятий приняли решение о необходимости создания «Русской Ассоциации разработчиков, производителей и потребителей МЭМС» – РАМЭМС. Ассоциация была организована в том же году в г. Курске (в 2013 году там же зарегистрировано ООО «РАМЭМС») [1].
Деятельность РАМЭМС направлена на развитие рынка высокотехнологичных микросистемных изделий в России и странах СНГ. Ассоциация также занимается определением рыночных ниш для использования МЭМС в России; трансфером технологий производства МЭМС на российских предприятиях, организацией учебных программ по МЭМС в России и за рубежом, организацией процессов разработки, проектирования и производства МЭМС, обеспечением международной кооперации с зарубежными партнерами. В сферу деятельности РАМЭМС входит и организация различных семинаров, тренингов, профильных стажировок для сотрудников различных предприятий, визитов российских специалистов на профильные зарубежные предприятия и ряд других направлений деятельности.
Партнерами РАМЭМС, кроме производственных предприятий и компаний, являются и различные ассоциации, акционерные общества, государственные учреждения, вузы и периодические издания. Назовем некоторых партнеров РАМЭМС:
- АПЭАП – Ассоциация производителей электронной аппаратуры
- Академия навигации и управления движением
- Юго-западный Государственный Университет (г. Курск)
- ФГУП ФНПЦ «Старт» им. М. В. Проценко
- ООО «РОСНАНО»
- НОР – Нанотехнологическое общество России
- МИЭТ – Московский государственный институт электронной техники
- Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»
- Зеленоградский нанотехнологический центр
- Комитет промышленности Государственной думы федерального собрания РФ
- Департамент радиоэлектронной промышленности Минпромторга РФ
Среди зарубежных партнеров РАМЭМС не один десяток компаний и организаций, в том числе:
- Институт (Общество) Фраунгофера (Германия)
- Промышленная ассоциация Silicon Saxony (Германия, включает более 300 компаний в области микроэлектроники)
- НИИ в области электроники RISE Acreo (Швеция)
- Компания BeanAir (Франция, беспроводные сенсорные системы)
- Компания Coventor (США, программное обеспечение)
- Компания ECRI Microelectronics (КНР)
- Центр электроники и микротехнологий CSEM (Швейцария)
РАМЭМС является официальным представителем ведущего мирового производителя МЭМС Silex Microsystem AB (Швеция, с сентября 2013 г.), ведущего мирового аналитического центра Yole Development (Франция, с декабря 2013 г.).
Ассоциация РАМЭМС организует и проводит ежегодные МЭМС-форумы и конференции с широким участием российских и зарубежных специалистов; проведено уже шесть форумов и готовится седьмой.
Первый МЭМС-форум прошел в Москве в апреле 2011 года под девизом «Современные тенденции и технологии производства МЭМС-устройств». На форуме с докладами выступили 20 представителей крупнейших предприятий и организаций, ведущих перспективные разработки в области внедрения передовых технологий в производство. На заседаниях выступили и зарубежные специалисты – сотрудники из научно-исследовательского центра наноэлектроники IMEC (Бельгия), технического исследовательского центра VTT (Финляндия), компании JP Sercel Associates (США).
II Международный МЭМС-форум «Моделирование, производство, тестирование МЭМС-устройств» состоялся в октябре 2012 года в Московском энергетическом институте («НИУ МЭИ», Рисунок 1). Среди более 100 участников форума были и представители научно-исследовательских центров из Германии, США, Нидерландов и Финляндии.
 |
||
| Рисунок 1. | Участники второго МЭМС-форума. | |
III международный МЭМС-форум «МЭМС-датчики и малогабаритные системы. Сферы их применения» прошел в июне 2013 года в Санкт-Петербурге» на базе ОАО «Концерн ЦНИИ "Электроприбор"» при поддержке ООО «Совтест АТЕ», компании Coventor и европейской ассоциации электронной и микросистемной индустрии Silicon Saxony (Германия). Число участников мероприятия превысило 170 человек, включая зарубежных представителей из Германии, Бельгии, США, Финляндии, Великобритании, Италии, Нидерландов, Франции и Швеции.
Среди тем, поднятых на форуме, был рассмотрены беспроводные автоматизированные системы технического мониторинга (БАСТМ). Для реализации таких систем под эгидой РАМЭМС был создан российско-французский альянс компаний ООО «Совтест АТЕ» и BeanAir, в результате которого было налажено производство беспроводных измерительных модулей в г. Курске (Рисунок 2).
 |
||
| Рисунок 2. | На стенде компании BeanAir. | |
IV Международный МЭМС-форум «МЭМС сегодня и завтра» состоялся в июне 2014 года в Казани в бизнес-центре «Ривьера» (Рисунок 3). Работа форума прошла при поддержке генерального партнера – компании ООО «Совтест АТЕ» и участии Московского энергетического университета, ассоциации Silicon Saxony, аналитического центра Yole Development, компаний Coventor, Silex Microsystems AB (Швеция) и Шанхайского государственного университета нано- и микроэнергии. В число участников мероприятия вошли более 50 представителей российских и зарубежных компаний производителей и разработчиков высокоточных микроустройств и электронного оборудования, а также представители научно-исследовательских институтов и потребителей МЭМС.
 |
||
| Рисунок 3. | Докладчик на четвертом МЭМС-форуме. | |
V Международный МЭМС-форум прошел в июне 2015 г. в Нижнем Новгороде под названием «МЭМС-форум – 2015. Международная конференция и выставка по разработке, производству, тестированию и стандартизации МЭМС». Форум проходил на базе «Межведомственного центра по производству и разработке ЭКБ». Эта организация в течение нескольких лет занимается разработкой технологий производства изделий микроэлектроники, в том числе связанных с МЭМС-изделиями. На Рисунке 4 сотрудники НТЦ «Техноцентр» Южного федерального университета из Таганрога и исполнительный директор ООО «РАМЭМС» Д. М. Урманов (в центре) на МЭМС-форуме – 2015.
 |
||
| Рисунок 4. | Участники пятого МЭМС-форума с исполнительным директором РАМЭС. | |
VI Международный МЭМС-форум «Индустрия 4.0» был проведен в июне 2016 года в Курске на базе Курского государственного университета при поддержке ООО «Совтест АТЕ». Лейтмотивом форума стала актуальная в настоящее время тема «Индустрия 4.0: Четвертая промышленная революция». Многие доклады на форуме касались тематики «Интернета вещей», беспроводных технологий, умных сенсоров и систем. На Рисунке 5 участники МЭМС-форума – 2016 на предприятии ООО «Совтест АТЕ».
 |
||
| Рисунок 5. | Участники МЭМС-форума -2016 на предприятии «Совтест АТЕ». | |
VII международный МЭМС-форум «Интеграция "умных" микронаносистем в современную жизнь» планируется провести 5-6 июля 2017 года в Сочи на базе АО «Адлеркурорт». Председателем форума является исполнительный директор ООО «РАМЭМС» Денис Урманов. На предстоящем мероприятии будут рассмотрены такие направления, как технология и производство чувствительных элементов (ЧЭ) и микросхем частного применения (ASIC), корпусирование ASIC и ЧЭ, детекторы радиации, а также вопросы телемедицины (мобильные устройства мониторинга здоровья).
Хотя сами МЭМС практически «не попадаются на глаза» широкой публики, важность их применения в современной жизни несомненна.
Первые МЭМС-датчики давления, были продемонстрированы еще в 1961 г., а в 1964 г. в компании Westinghouse под руководством Харви Натансона (Harvey Natanson) была выпущена первая серийная МЭМС, представляющая собой комбинацию механических и электронных компонентов и получившая название резонансного затворного транзистора (Resonant Gate Transistor/RGT, Рисунок 6).
 |
||
| Рисунок 6. | Резонансный затворный транзистор. | |
К началу 1990-годов уже многие компании выпускали МЭМС акселерометры, инклинометры, датчики вибраций и давления. Большой вклад в разработку интегральных акселерометров поверхностного типа внесла фирма Analog Devices, начавшая в 1991 году серийный выпуск акселерометров ADXL50 для систем активации подушек безопасности автомобилей. Особенности МЭМС-акселерометров, инклинометров и гироскопов этой компании приведены в статье [2].
Начиная с рубежа веков и по настоящее время особенно бурно развивается производство инерциальных МЭМС, интегрированных в полупроводниковые приборы (микросхемы). Именно такие МЭМС-устройства, встроенные в смартфоны, планшеты, навигаторы и другие мобильные гаджеты, дали возможность миллионам людей ориентироваться в пространстве и легко управлять функциями самих гаджетов. Пользователи мобильных устройств имеют доступ к навигационным функциям (компас, интерактивные карты и др.) и могут участвовать в онлайн играх, используя наклоны устройства для управления виртуальными объектами.
Спецификой российской электронной промышленности является почти полное отсутствие массового производства многих видов продуктов потребительской электроники, в том числе мобильных устройств. Российские предприятия радиоэлектронной индустрии во многом ориентированы на производство военной и специальной техники, гражданской продукции для промышленности, связи, всех видов транспорта, строительной техники, медицинских приборов и ряда других специализированных приложений в относительно небольших количествах. Заказчики российских предприятий проявляют интерес в основном к инерциальным МЭМС-устройствам – акселерометрам, гироскопам, инклинометрам и датчикам угловых скоростей для следующих сфер применения:
- Стабилизация ракет, самолетов и других летательных аппаратов во время полета
- Спутниковые антенны и приборы стабилизации платформ
- Беспроводной технический мониторинг зданий и сооружений
- Стабилизация транспортных средств
- Контроль вибраций сооружений и ускорений механизмов
- Навигация судов и других плавсредств
- Железнодорожный и автомобильный транспорт
- Измерительные приборы и дисплеи в кабинах
- Тестирование летательных аппаратов и различных механизмов
- Измерение движения и контроль за движением
- Бурильные головки для нефте- и газодобычи
Особый интерес российских заказчиков вызывают бесплатформенные инерциальные навигационные системы (БИНС, Рисунок 7). В приборах этого типа сочетаются МЭМС-акселерометры, гироскопы, датчики первичной информации и полупроводниковые микросхемы для обработки информации с датчиков. БИНС могут предоставить до 6 степеней свободы (3-осевой гироскоп и 3-осевой акселерометр). БИНС на основе МЭМС обеспечивают:
- Минимальные габаритные и весовые характеристики, что дает возможность увеличить полезную нагрузку летательных аппаратов
- Уменьшение стоимости конечных изделий
- Интеграцию со спутниковыми навигационными системами ГЛОНАСС, GPS и другими
- Малое энергопотребление
- Высокую помехозащищенность и эффективное управление быстро летящими высокоманевренными объектами
Актуальность разработки и производства отечественных МЭМС-устройств, как и электронной компонентной базы (ЭКБ), существенно возросла с введением запретительных санкций против России со стороны западных стран, в том числе США, являющихся одним из основных производителей МЭМС-устройств.
 |
||
| Рисунок 7. | Области применения БИНС. | |
В 2015 году началась реализация инвестиционного проекта по строительству нового высокотехнологичного завода компании ООО «Совтест АТЕ» в Курской области (Рисунок 8). Проект включен в программу Минпромторга РФ по импортозамещению в радиоэлектронной промышленности.
 |
||
| Рисунок 8. | Новый завод «Совтест АТЕ» в Курске. | |
Одним из направлений работы нового предприятия станет выпуск высокоточных датчиков по технологии МЭМС и различных систем мониторинга, предназначенных главным образом для навигационного оборудования, мониторинга инженерных конструкций и оборонной промышленности.
К концу 2016 года введены в строй первые два корпуса нового завода, в которых размещены слесарно-сборочный и механообрабатывающий участки. Расширены также действующие участки поверхностного монтажа и микроэлектроники. На Рисунке 9 – действующий цех ООО «Совтест АТЕ» по автоматизированной сборке печатных узлов.
 |
||
| Рисунок 9. | Цех завода «Совтест АТЕ». | |
В декабре 2016 года компания «Совтест АТЕ» подписала контракт по технологиям инерциальных датчиков с институтом электронных наносистем Fraunhofer ENAS (технопарк в г. Хемнитце, Германия). В рамках контракта стороны будут развивать разработки и изготовление высокоточных инерциальных МЭМС-датчиков на основе современных микросистемных технологий. Основным направлением деятельности партнеров будут наиболее востребованные на российском рынке продукты. Первые образцы акселерометров с диапазоном измерения ±5 G будут изготовлены уже во втором квартале 2017 г. и переданы заказчикам для апробации. Впоследствии прошедшие успешные испытания образцы будут переданы на предприятие «Совтест АТЕ» в Курске. В дальнейшем, благодаря трансферу технологий, предполагается производить не только акселерометры, но и другие МЭМС-устройства (гироскопы, датчики давления, инклинометры, а также другие типы сенсоров.
