Наноэлектронные специализированные элементы и системы на кристалле

Основные положения лекции 7

Уже на "микроэлектронном" этапе развития КМДП технологии с ее помощью на кристаллах кремния формировали не только логические схемы, процессоры, фоточувствительные матрицы и устройства памяти, но и разнообразные аналоговые схемы для реализации каналов связи, высококлассные операционные и другие усилители, мультиплексоры, дискриминаторы, схемы деления, умножения и преобразования частоты, преобразователи формы информации, химически-чувствительные МДП транзисторы, разнообразные сенсоры, актуаторы и т.д. Наноэлектронные размеры обеспечили возможность дальнейшего совершенствования всей указанной элементной базы информатики и реализации новых принципов ее построения.

Уменьшение размеров транзисторов до сотен, а потом и десятков нанометров позволило значительно ускорить работу преобразователей формы информации – АЦП и ЦАП, реализовать на той же площади кремниевого чипа значительно более сложные варианты схем. Созданы, например, и запущены в серийное производство эффективные наноэлектронные АЦП конвейерного типа, в которых удается сочетать высокую скорость аналого-цифровых преобразований с достаточной их точностью. Производятся, например, 16-разрядные наноэлектронные АЦП конвейерного типа, имеющие скорость до 200 млн. преобразований/с. Скорость АЦП меньшей разрядности (8 и 10) превышает уже 2 млрд. преобразований/с. Это открыло путь к их широкому применению в системах телекоммуникации, в цифровом телевидении и в сетях телевидения высокой четкости. На "наноэлектронном" этапе развития появилась возможность формировать довольно точные АЦП и ЦАП на одном кристалле с КМДП микропроцессором. Широко применяются микроконтроллеры и микроконверторы, которые наряду с цифровыми входами/выходами имеют и быстрые высокоточные аналоговые.

Химически чувствительные полевые транзисторы отличаются тем, что в них на электрод затвора нанесен химически чувствительный слой, выборочно взаимодействующий только с определенным химическим "аналитом". Вследствие этого изменяется электрический потенциал затвора и электрический ток, текущий сквозь транзистор. Во многих случаях электрод затвора над каналом транзистора вообще может отсутствовать. Его роль выполняют электрические заряды, возникающие при химическом присоединении аналита к химически чувствительному слою. Если контролируемый раствор является электролитом, то, опуская в него электрод сравнения, можно проводить различные виды электрохимических анализов. Уменьшение размеров повышает чувствительность таких химических сенсоров. "Наноэлектронный" этап развития КМДП технологии позволил формировать на одном кристалле кремния сотни химически чувствительных полевых транзисторов, настроенных на десятки-сотни разных аналитов, вместе с соответствующими схемами усиления и электроникой обработки полученных сигналов, узлами энергонезависимой памяти для накопления и хранения собранной информации. Если на том же кристалле сформирован еще и микропроцессор, то такой уже "интеллектуальный" сенсор может проводить самодиагностику, автоматическую калибровку, учитывать изменения окружающей температуры, "общаться" через тот или иной интерфейс с внешним компьютером или каналом связи.

Уже на "микроэлектронном" этапе были выявлены отличные механические и пьезоэлектрические свойства кремния, в частности, очень малые потери энергии при упругих деформациях, что позволило создавать на основе кремния высокодобротные механические колебательные системы. В 90-х гг. ХХ в. нашли признание и применение в информатике многие микроэлектронные электромеханические системы (МЭМС) на кремнии. Сейчас автоматизированное проектирование и изготовление МЭМС рассматриваются как перспективное направление в машиностроении, которое будет опережающими темпами развиваться в ХХІ в. Это направление становится экономически выгодным лишь при изготовлении очень больших промышленных партий изделий. Использование нанотехнологий и наноэлементов в производстве МЭМС повышает его эффективность, поскольку на пластинах кремния становится возможным одновременно формировать в десятки-сотни-тысячи раз больше элементов и узлов.

Одним из примеров наноэлектромеханических элементов являются кремниевые нанокантилеверы. Тонкие и гибкие нанокантилеверы применяют в атомно-силовых микроскопах не только для исследования "мягких" биологических объектов – клеток и отдельных их органелл, вирусов, генов, – но и для осторожного манипулирования ими и выполнения нацеленных наноинъекций. Другое применение нанокантилеверов – это создание очень чувствительных вибрационных сенсоров. На свободный конец кантилевера высаживают "рецепторный слой" – молекулы или антитела, которые избирательно и сильно связываются лишь с определенным "аналитом" (аминокислотой, белком, вирусом, молекулами токсина, которые надо выявить). Когда этот аналит присоединяется к рецепторному слою, то изменение массы кончика кантилевера приводит к изменению частоты его упругих колебаний, что легко фиксируют узлы точного измерения частоты. Сенсоры на нанокантилеверах позволили ощутить присоединение к чувствительной зоне даже одного вируса или молекулы аминокислоты и оценить массу присоединенного объекта. В одной кремниевой микросхеме удается сформировать десятки–сотни сенсоров на нанокантилеверах. Автоматизированные установки микротитрования позволяют по заданной программе высадить на чувствительную зону каждого кантилевера свой "рецепторный слой", создавая сенсорную основу для биохимической лаборатории на чипе.

Упругие свойства наноразмерных перемычек из кремния и возможность формировать на этих перемычках чувствительные пьезорезисторы позволили создать в кремнии высокочувствительные микромеханические акселерометры, гироскопы, датчики скорости вращения. Нанотехнология позволила формировать на одном кристалле кремния одновременно три колебательных системы с главными осями, ориентированными под прямыми углами одна к другой. Благодаря этому можно одновременно измерять скорость вращения вокруг трех пространственных осей и все три пространственных компоненты вектора ускорения.

Существенно улучшились также технические параметры и экономичность микросистемных сенсоров давления на кремнии.

Значительный прогресс наблюдается в разработке и применении микрофлюидных кремниевых чипов, в составе которых формируют не только сеть микропроточных каналов, а и электрически управляемые клапаны, способные автоматически регулировать пропускную способность каналов, точно дозировать и доставлять в определенное место нужные жидкости (газы) в точно определенные моменты времени. Микропроточные канавки субмикронных размеров позволяют отфильтровать и рассортировать по размерам разнообразные микробиологические объекты (вирусы, субклеточные структуры, ферменты, РНК, ДНК, и т.д.), большие и даже средние по размерам молекулы. Микрофлюидные чипы с успехом применяют в головках современных быстродействующих струйных принтеров, для охлаждения наноэлектронных микропроцессорных блоков со значительным выделением тепла и т.д.

В сочетании с "аналитическими" чипами микрофлюидные чипы стали основой для создания многофункциональных завершенных аналитических "лабораторий на чипе", работу которых можно программировать.

В целом разнообразные кремниевые чувствительные элементы в сочетании с КМДП технологией позволяют в едином групповом технологическом процессе формировать на пластинах кремния интегрированные, завершенные системы информатики и автоматики, в состав которых входят сенсоры, как источники первичной информации об объекте изучения (наблюдения) или управления, узлы усиления и первичной обработки сигналов, аналого-цифровые преобразователи, цифровые процессоры, узлы памяти, коммутаторы, узлы внешнего интерфейса, цифро-аналоговые преобразователи, исполнительные микромеханические узлы для управления объектом или для осуществления активных обратных связей с объектом изучения.

Подводя итог лекциям 5-7, можно утверждать, что и на "наноэлектронном" этапе развития кремниевая электроника остается наиболее освоенной, экономически выгодной, основной частью НЭБИ. Такой она будет и в ближайшие годы.

Набор для практики

Вопросы для самоконтроля

1. Чем отличаются аналого-цифровые преобразователи (АЦП) конвейерного типа? Начертите принципиальную электрическую блок-схему такого АЦП и опишите ее работу.
2. Какие приблизительно технические параметры удалось достичь в наноэлектронных АЦП конвейерного типа? Назовите области их применения.
3. Как устроен химически чувствительный полевой транзистор (ХЧПТ)? Изобразите его структуру и опишите принцип работы.
4. Какие преимущества дает наноэлектронное выполнение ХЧПТ?
5. При каких условиях ХЧПТ может функционировать как иммуносенсор? Как электрохимический сенсор?
6. Какие наноэлектромеханические конструкции на кремнии Вы знаете?
7. От чего зависит частота собственных механических колебаний нанокантилеверов и наноразмерных перемычек из кремния? Напишите формулу и объясните ее суть. Назовите приблизительную частоту колебаний этих элементов.
8. Что такое МЭМС? Почему они становятся экономически выгодными лишь при изготовлении очень больших промышленных партий? Какие преимущества дает использование нанотехнологий и наноэлементов в производстве МЭМС?
9. Как устроены биохимические сенсоры на нанокантилеверах? Какова связь между размерами нанокантилевера и их чувствительностью?
10. Каков принцип работы микромеханических кремниевых акселерометров? В чем заключается разница между "емкостным" и "пьезорезистивным" вариантами их работы?
11. На чем основана работа кремниевых гироскопов-акселерометров? Какие еще функции одновременно может выполнять такой прибор? Какие преимущества дает здесь использование нанотехнологии?
12. Как функционируют микросистемные сенсоры давления? Изобразите их структуру и объясните принцип действия. Какие преимущества дает здесь использование нанотехнологии?
13. Что такое "микрофлюидные кремниевые чипы"? Чем они отличаются от микрофлюидных картриджей?
14. Как функционирует электромеханический управляемый клапан в составе микрофлюидного чипа? Изобразите его структуру и опишите принцип работы.
15. Где применяют микрофлюидные кремниевые чипы? Назовите несколько примеров применения.
16. Какие возможности открывает создание нанофлюидных чипов? Приведите несколько примеров.
17. Как устроен наноэлектромеханический транзистор? Почему электрический ток сквозь такой транзистор пропорционален частоте?
18. Что такое "лаборатория на чипе"? Что может входить в ее состав?
19. Какова роль нанотехнологии в реализации "лабораторий на чипе"?