Prezentacja

MIKRO I NANOTECHNOLOGIA
(zarys stanu aktualnego i perspektywy rozwoju)
Jerzy Kozak
Politechnika Warszawska
Zielona Góra, 23-03-2007
OBSZARY INNOWACJI W SAMOCHODZIE
„
„
„
„
„
„
Sterowanie
Układy
bezpieczeństwa
Stabilnosć
Niezawodność
Oszczędność
paliwa
Komfort
SENSOR :
wielkości
Fizyczne
T,p
…………..
przyśpieszenie,
wilgotność
…………….
sygnał
elektryczny
I,U
…………..
AKTUATOR :
sygnał
elektryczny
przesunięcie
obrót
siła
wydatek cieczy
Rozwiazania bez zastosownia
mikrotechnologii
Definicja MEMS
Mikro-Elektro-Mechaniczne Systemy (MEMS)
są zintegrowanymi obiektami elektronicznoelektryczno-mechanicznymi
przetwarzającymi różne wielkości
mechaniczne, cieplne, chemiczne na sygnały
elektryczne i odwrotnie.
Gabaryty MEMS:
od kilku do mikrometrów do kilku
milimetrów.
Nowe wyzwanie :
mikro i nanotechnologia
Skala wymiarów obiektów fizycznych
Przykładowe rozmiary
Micro, Nano and MNT
Feature Size
microns
1000
Microsystems Technology
100
TOP DOWN
10
Micro
-Nano Technology
Micro-Nano
1
Microelectronics /
Nanoelectronics
0.1
0.01
0.001
Molecular Science &
Technology
Nano Technology
2000
2005
2010
2015
BOTTOM
UP
Courtesy RAL
16
Struktura Mikro-Systemu (MEMS/MST)
oraz przykład mikrosystemu nawigacyjnego
w samochodzie f-my FIAT
OD OPRACOWAŃ
LABORATORYJNYCH DO RYNKU
PRODUKTÓW W MLD $
„
1960
MIKROSENSORY
„
1980
MIKROAKTUATORY
„
1988
MEMS
„
2002
TECHNIKA KOMPUTEROWA (INK JETS)
MIKROSYSTEMY W ŚRODKACH TRANSPORTU
(SAMOCHODY, SAMOLOTY…)
MIKROSYSTEMY W BIOMEDYCYNIE
TELEKOMMINIKACJA, UZBROJENIE
Różnice między
Mikroelektroniką i Mikroinżynierią
Microelectronics
= planar
Microengineering
= 3-d sculpting
Apr00 / MEMS_intro1/ ISC
ZALETY WYROBÓW ZMINIATURYZOWANYCH
• Miniaturyzacja
• Redukcja masy
• Mała energochłonność
• Wysoka niezawodność
• Duży stopień integracji
• Wielofunkcyjność
Główne dziedziny zastosowań mikrosystemów
Przemysł samochodowy
Biomedycyna
Telekomunikacja
Automatyzacja i systemy kontroli w przemyśle
Monitoring środowiska
Komputerowe systemy pamięci
Systemy optyczne
AGD
Lotnictwo i astronautyka
Aparatura analityczno-badawcza
Uzbrojenie i sprzet wojskowy
SENSOR :
wielkości
Fizyczne
T,p
…………..
przyśpieszenie,
wilgotność
…………….
sygnał
elektryczny
I,U
…………..
Mikro-sensory ciśnienia
Micro-sensory
przyśpieszenia
MIKROSYSTEM UKŁADU BEZPECZEŃSTWA Z
PODUSZKĄ POWIETRZNĄ
AKTUATOR :
sygnał
elektryczny
przesunięcie
obrót
siła
wydatek cieczy
Aktuatory
Mikro-zawory
Breadboard design for a microsystem (gyro)
FIAT: NAVIGATION PLATFORM: Rev 1 October 2002
GPS
patch
antenna
Gyroscopes Accelerometers
GPS Receiver
Botton View
Top View
Power supply
PWM Outputs
for motors control
Magnetic Sensor
Microcontroller
PREVENTIVE SAFETY
ADVANCED VEHICLE CONTROL FUNCTIONS
FIAT group: MEMS/MST overall internal need from 2005
• MEMS accelerometers over 30 millions/year
• MEMS gyros over 4 millions/year
• Magnetometers over 100.000 /year
• CMOS cameras: Visual guidance – assisted drive – pre-crash 2
milns/year
• GPS 2 millions/year
• Low cost platforms including accelerometers + gyros IMU 2
milns/year
• Low cost platforms including IMU - GPS 2 milns/year
• Platforms including magnetometrs and visual guidance (500.000
??)
• Ruggedised High level platforms 100.000
Increased demand of systems with high level of autonomy
Note: All MEMS sensors….over 200 millions/year (conservative)
Aerodynamic Applications of MEMS Flow Control Possibilities
Vortex Control
Skin Friction Drag Reduction
Separation Control
Sterowanie układem wirów na
krawędzi natarcia
Udział wirów krawędzi
natarcia dochodzi do 40%
siły nośnej
Małe zmiany intensywności i
położenia układu wirowego
Znaczące zmiany w sile nośnej,
a więc jest efektywnym
sposobem sterowania
nośnością skrzydła
MEMS Flow Actuators
Sensor, I.C’s & Actuator
Smart Micro Skin
Gryphon MEMS Controlled
UAV
MEMS Actuators for Aero Control
Flexible Sensor/Actuator Skin
UCLA and Aerovironment
MTO
DARPA
MEMS Actuator Array on the Leading Edge of
Wing of 1/7 Scale Mirage III Fighter
Microsystems Technology Office
Approved for Public Release - Distribution Unlimited
Taśma z zintegrowanymi mikroczujnikami
Temperatura
Ciśnienie
Naprężenia styczne
Inteligentne materiały i konstrukcje.
Inteligentne (adaptujące się do potrzeb) zachowania się materiałów i
konstrukcji stało się możliwe dzięki wstawieniu w nie różnego rodzaju
miniaturowych czujników (sensorów) i elementów wykonawczych
(aktuatorów). Przykładem mogą tu być konstrukcje skrzydeł, których
poszycie zmienia kształt (profil) w taki sposób aby zapewnić
zmniejszenie oporu i zwiększenie siły nośnej.
Możliwa jest również identyfikacja uszkodzeń powstających i
rozwijających się w materiale poszycia (jest to szczególnie istotne w
przypadku coraz szerzej stosowanych kompozytów).
Mikrostruktura “materiału” z
ujemnym współczynnikiem
Poissona
MEMS w silniku turbinowym
MEMS HEAT ENGINES AT MIT
– Common Technology, Diverse Applications –
APPLICATIONS
Turbomachinery
Micro-Gas Turbine (TTO, ARO)
Electromechanics
(Motor/Generator)
(Motor/Generator
µ-Rocket Engine
(TTO, ARO, NASA)
Gas Bearings
Combustion
© 2002 MIT
High Temp Materials & Packaging
MIKROTURBINA GAZOWA
© 2002 MIT
Micro Solid Propellant
Thruster
Joint Project involving Honeywell and Princenton University
Mini-Rotary IC Engine
„
„
Rotary engine selected as power source for
portable power system
Major features of the rotary engine include:
„
„
„
„
3.6 mm
Planar geometry
– Self-valving operation
(i.e. naturally aspirated)
High specific power
– Power output flexibility
vs. other IC engine designs
(mechanical or electrical)
Minimum number of
moving parts
1st generation mini-engine
„
„
„
„
mm
12.5
Displacement:
77.8 mm3
Max. RPM (est.): 30,000
Power Output (est):
29 W
9 mm
2nd generation mini-engine
„
„
„
Displacement:
348 mm3
Max. RPM (est.): 30,000
Power Output (est):
148 W
16.7 mm
12.7 mm
9.5 mm
UZASADNIENIE
„
„
„
Miniature-scale power generation
using hydrocarbon fuels
Liquid HC fuel specific
energy >> Battery specific
energy
Potential Applications
„ Portable electrical power
supply (battery replacement)
„ mechanical power supply
University of California, Berkeley
Department of Mechanical Engineering
Micro-Rotary Combustion Lab
Berkeley Sensor and Actuator Center
Berkeley, CA 94720-1740
http://euler.me.berkeley.edu/mrcl
Rozwój MEMS w biomedycynie
Zastosowanie MOEMS w płaskich
monitorach
Digital Mirror Display
(DMD)
Texas Instruments, Inc.
MOEMS for Display & Projection Systems
10 um
PLUS U3-880
• 2.9 lbs
• 1.9” x 9” x 7”
•SVGA (800 x 600)
MOEMS for Display & Projection
Systems
Military MEMS/MST: Main Applications
LAND
•Smart & Competent
Munitions.
•Gun Launched
Munitions
•Communication
Systems
•Soldier / Combatant
Equipment
•Surveillance Systems
SEA
AIR
•Aircraft Platform
•Torpedo Control
•Communication Systems Control Systems
•Platform Stabilisation •Avionics & Flight
Control
& Control Systems
•Equipment Monitoring
& Failure Prediction
•Communication Systems
•Combat Systems
SPACE
•Guidance &
Control
•Communication
Systems
MEMS for Military Applications
Adaptive Optics Arrays
for Target Acquisition &
Friend or Foe ID
Microjet Arrays
for Airflow Control
Multiple Chip Wafer Fabrication
for Graceful Degradation and Cost
Reduction
MEMS IMU
for Inertial Measurement
& Navigation
Chem-Lab on a Chip
for Forward Recon & QA
Fuze/safety
and arming
Unmanned Systems:
Scope of Effort
UGV/S S&T
AWE / Exercise
Activity
UAV S&T
Modeling &
Simulation
Mission Equipment
Packages
Joint Architecture
for Unmanned Systems
(JAUS)
Acquisition Systems
Rozwój rynku mikrosystemów
Interdisciplinary Approach
Integrated approach to develop
“microsystems” for “real applications”
„
„
„
„
„
„
Design and modeling
Enabling materials and materials science
Micromachining and microfabrication
Testing and characterization
Systems and control
Packaging and applications testing
MEMS Fabrication Technology
IC Processes
Micromachining
Photolithography
Oxidation
Bulk
Bonding
Surface
Micro-molding
Diffusion
Ion implantation
Deposition
Etching
Metallization
IC Processes + Micromachining
Miniaturization
Batch fabrication
Integration
Small devices
Dense arrays
Sophisticated functionality
High performance
Low unit cost
Principle micro-fabrication methods
Principle
Mechanical
Methods
Cutting, grinding, USM,
Melting/vaporization EDM, LBM, EBM
Ablation
Electrochemical
Chemical
LBM (Excimer, Femtosecond)
Dissolution – ECMM,
Electroforming (deposition)
Etching
Plastic deformation
Punching, press
Solidification
Molding, casting
Lamination
Stereolithography
Hybrid
Micro-Joining
Energy beam etching, LIGA
Laser, Ultra Sonic,
Brazing, Adhesives
Podstawowe charakterystyki mikroobróbek
Schemat trawienia anizotropowego
Wykonane elementy silnika
elektrostatycznego i mikroczujnika
Schemat metody LIGA
Mikrokształtowanie laserowe
Mikro-obróbka elektroerozyjnej
(MEDM)
Electrode
A/D converter
Discharge
Detector
Pulse
Generator
Workpiece
X, Y, Z Stages
Computer
Movement
Controller
Mikro EDM
Design
CAD design of a complex cavity (Dimension: µm).
Projektowanie
trajektorii
elektrody
Cut angle is 90º.
Cut angle is 0º.
Wykonany element
Wykroje wykonane MEDM
Mikrokształtowanie elektrochemiczne
Philips DAP, ATC, Drachten,
The Netherlands
Nanotechnology - (yet another)
Definition
“A process for manipulating
smallest natural structures (atoms
& molecules) where Quantum
mechanics rules.”
TOP DOWN MICRO-ENGINEERING
lithography
From micro
to
Nano
Molecular self-assembly
BOTTOM UP NANO-ENGINEERING
OBIEKTY W NANOŚWIECIE
1 m = 1000 mm
1 mm = 1000 µm
1 µm = 1000 nm
1 nm = 10-9 m
Nanometr (1 nm) to w przybliżeniu 80 000 razy mniej od średnicy
ludzkiego włosa oraz 10 razy więcej od średnicy atomu wodoru
Oko muchy
w makro-, mikroi nanoskali
2 µm
Dochodzenie do nanoświata molekuł
200 µm
40 µm
300 nm
6 nm
16 µm
1 nm
NANOMETR:
1/1 000 000 000 metra
1/1 000 000 łebka od szpilki
1/1 000 długości bakterii
10 atomów wodoru ułożonych jeden
za drugim
NANOTECHNOLOGIE
jako technologie wykorzystywane w wielu
podstawowych dziedzinach aktywności
technicznej człowieka w celu wytwarzania:
„
„
klasycznych urządzeń o nanometrycznych rozmiarach
z charakterystycznymi dla nich efektami,
nowych struktur o nieznanych jeszcze cechach.
Skutki nanotechnologii
„
„
„
„
„
„
„
„
„
kryształy fotonowe
światłowody planarne
elektronika molekularna
spintronika
heterostruktury (studnie kwantowe)
bioelektronika
organoelektronika
MEMSY, MOEMSY
.............................
Potencjalne obszary zastosowań nanotechnologii
„
Techniki informacyjne (struktury elektroniczne i fotoniczne,
wyświetlacze, komputery kwantowe),
„
Systemy rozprowadzania leków (połączenia lek-polimer,
nanocząstki, liposomy i polimerowe micele, dendrymery organiczne),
„
Inżynieria tkankowa, implanty i urządzenia medyczne (w tym
zewnętrzne implanty tkankowe, urządzenia do testów in vivo itp.),
„
Szeroko pojmowana inżynieria materiałowa (nanomateriały,
nanokompozyty, warstwy bioczułe),
„
Instrumenty i oprzyrządowanie do realizacji nanotechnologii (np.
różnego rodzaju mierniki wielkości nano-),
„
Sensory i aktuatory (w tym diagnostyka medyczna i implanty).
C. Hayter, Mat. Sci. Eng. C, 23 (2003) 703
Ale dodać do tego można z łatwością inne:
„
„
„
„
„
bezpieczeństwo narodowe,
ochrona środowiska,
badania kosmiczne,
energetyka,
...
Problemy z redukcją wymiarów
„
„
Klasyczne, wynikające z reguł skalowania
(przyrządowe, materiałowe, układowe,
systemowe – dotyczą w głównej mierze
przyrządów elektronicznych),
Fundamentalne
„
„
manifestacja zjawisk i oddziaływań (nie
obserwowanych w większych skalach,
efekty kwantowe (ziarnistość materii,
termodynamika),
Atomy Co na Cu
K. Eric DREXLER – PIONIER NANOTECHNOLOGII
MOLEKULARNEJ
K. E. Drexler opublikował w 1986 r. futurologiczną
książkę „ENGINES of CREATION: The coming
era of nanotechnology”, przedstawiającą wizję samoreprodukujących się nanomaszyn zdolnych do
wytworzenia wszelkich dóbr materialnych, a także
odwrócenia procesu globalnego ocieplenia, likwidacji chorób i znacznego wydłużenia życia ludzkiego.
W 1992 r. opublikował książkę „NANO
SYSTEMS: Molecular machinery, manufacturing, and computation”, w której
m.in. dowodzi, że molekularny montaż
nie narusza żadnych praw fizycznych.
Nie stanowi ona już głównie publikacji
innowacyjnej lecz jest bardziej analityczną i naukową, prezentując obliczenia i oszacowania niektórych omawianych koncepcji nanotechnologicznych.
(z wykładu: K. Oczoś-Nanotechnologia)
ODKRYCIE FULLERENÓW
W 1985 r. Robert F. CURT, Jr., Harold W. KROTO
i Richard E. SMALLEY odkryli fullereny – cząsteczki węgla w kształcie piłki futbolowej (Buckyball)
mające średnicę ok. 1 nm. Odkrycie to zapoczątkowało nową dziedzinę związków węgla, mającą zasadnicze znaczenie dla nanotechnologii molekularnej.
W 1996 r. otrzymali oni za to odkrycie Nagrodę
Nobla.
Richard E. SMALLEY
Rice University
Mieszanina fullerenów
C60 - C70. Cząsteczki
C70 uwydatniają się
wydłużonym kształtem
NANORURKI WĘGLOWE
W 1991 r. Sumio IIJIMA z firmy NEC Corp. w Tsukubie odkrył nanorurki węglowe, wywodzące się z buckminster-fullerenów i zbudowane z ułożonych w sześciokąty atomów węgla, z wyglądu podobne do miniaturowej, zwiniętej siatki.
Cechuje je niezwykła wytrzymałość przy niewielkiej masie, trwałość, giętkość,
dobra przewodność cieplna (dwa razy większa niż diamentu), duża powierzchnia oraz niezwykłe właściwości elektryczne, co otwiera przed nimi liczne zastosowania, w pierwszym rzędzie w elektronice.
Nanorurka węglowa
(obraz komputerowy)
Półprzewodząca nanorurka o średnicy 1,5
nm może być wykorzystana w tranzystorze
polowym jako kanał przewodzący prąd pomiędzy źródłem i drenem, którego natężenie
zależy od pola elektrycznego określonego
przez napięcie doprowadzone do bramki.
One approach to nanotechnology - often called bionanotechnology - involves
stripping down and then partially reassembling a complex and only partially
understood biological system to get an artificial nanostructure that works. This
structure was made by Nadrian Seeman of New York University by selfassembling DNA molecules with specially designed sequences. From N C
Seeman 2003 Biochemistry 42 7259-7269
Bionanotechnology exploits the fact that evolution has led to very powerful and efficient
nanomachines. We can now, for example, separate out a cell's components and, to some extent, run
them outside a living cell. This hybrid device, developed by Carlo Montemagno of the University
of California at Los Angeles and Harold Craighead from Cornell University, consists of an array of
nickel posts (a), each of which has a height of 200 nm and a diameter 80 nm. Mounted on each post
is a biological rotary molecular motor (b). A nanopropeller (c) - of length 750-1400 nm and
diameter 150 nm - has been attached to the rotor of each motor. Addition of "ATP" fuel to the
complete device (d) makes the propeller rotate. From R K Soong et al. 2000 Science 290 15551558
Elektronika (część )
Mikroelektronika
Optoelektronika
Elektrony, Fale
Fale, Fotony
Nanoelektronika
Fotonika
Mechanika Kwantowa
NANOTECHNOLOGIE
Te organiczne struktury stworzą
nowe układy mechaniczne,
elektroniczne i elektromechaniczne.
NANOTRANZYSTOR
NANOMEMBRANA
Laser tranzystorowy
NANOTECHNOLOGIA CHEMICZNA
Nanotechnologia chemiczna jest pojmowana jako
układ zespolony, w którym z organicznych i nieorganicznych związków chemicznych połączonych
w różnych stosunkach komponuje się hybrydowe
polimery tzw. ormocery, tworzące, po dodatkowym połączeniu ich z różnymi nieorganicznymi
nanocząsteczkami, niezliczoną ilość wariancji w
postaci tzw. nanomerów o zróżnicowanych właściwościach i zastosowaniach.
POKRYCIA ANTYGRAFFITI’OWE
Specjalne powłoki nanomerowe, dzięki posiadanym właściwościom
antyadhezyjnym, przeciwdziałaja trwałemu osadzaniu m.in. „malowideł” graffiti
na różnych podłożach. Dają sie one łatwo usuwać strumieniem wody.
„Smart Shirt”
opracowanie
-Georgia Tech.
NANOMEDYCYNA
Lepsze lub nowe czynniki kontrastujące będą pomocne w wykryciu choroby we wczesnym jej stadium, kiedy
łatwiej ją wyleczyć, np. nowotworu
(czerwony), gdy składa się zaledwie z
kilku komórek.
• Nanodiagnostyka
• Nanostomatologia
• Nanochirurgia
• Nanofarmacja
• Nanokosmetyka
• Nanoimmunologia
Nanocząstki będą dostarczać leki do
ściśle określonych, nieraz trudno dostępnych miejsc. Nowotwory będzie
można niszczyć za pomocą skierowanych do nich nanoskorupek tj. zespolonych złotem kulek z przeciwciałami, które po delikatnym ogrzaniu promieniowaniem podczerwonym pękają i łączą się tylko z komórkami nowotworowymi.
Nanomodyfikacja diamentem
powierzchni implantu np.
stawu biodrowego zwiększy
jego trwałość i zgodność
biologiczną,mocniej wiążąc go
z otaczającą kością.
AKTUATORY
Trochę danych finansowych z USA
a)
National Science Foundation
(1) $385,000,000 for fiscal year 2005; (2) $424,000,000 for fiscal year 2006;
(3) $449,000,000 for fiscal year 2007; and (4) $476,000,000 for fiscal year 2008.
(b) Department of Energy
(1) $317,000,000 for fiscal year 2005; (2) $347,000,000 for fiscal year 2006;
(3) $380,000,000 for fiscal year 2007; and (4) $415,000,000 for fiscal year 2008.
(c) National Aeronautics and Space Administration
(1) $34,100,000 for fiscal year 2005; (2) $37,500,000 for fiscal year 2006;
(3) $40,000,000 for fiscal year 2007; and (4) $42,300,000 for fiscal year 2008.
(d) National Institute of Standards and Technology
(1) $68,200,000 for fiscal year 2005; (2) $75,000,000 for fiscal year 2006;
(3) $80,000,000 for fiscal year 2007; (4) $84,000,000 for fiscal year 2008.
(e) Environmental Protection Agency
(1) $5,500,000 for fiscal year 2005; (2) $6,050,000 for fiscal year 2006;
(3) $6,413,000 for fiscal year 2007; and (4) $6,800,000 for fiscal year 2008.
(Public Law 108-153 108th Congress. Dec.2003)
Total $ millions for year 2005-810, 2006-890, 2007-955, 2008-1024
Dziękuję za cierpliwość
Jerzy Kozak
Skalowanie geometryczne
2
Powierzchnia l
1
∝ 3∝
Obj.
l
l
10-4mm-1
10-1mm-1
Skalowanie wytrzymałości i
sztywności
F =σ A
f
Ff
f
Ff
1
=
α
gm
W
l
S
1
α
W l
B
Obciążenie dopuszczalne
Obciążenie dopuszczalne przez ciężar
Stosunek sztywności do cieżaru
2
Przykład belki
CEI
S= 3
l
Silnik turbinowy
Siła ciągu do ciężaru T/W (1/l )
T/W = 5.6
T/W= 7.6
Mesicopter:Helicopter miniaturowy
Bezpilotowe aparaty latajace (BAL)
do rozpoznania lotniczego
Boundary Layer Development
y
y
y
Velocity
Velo
ci
ity
c
o
l
e
V
Flow
y
ty
Velo
c
nt
Turbule
nar
i
m
a
L
Separation
Transition
Wake
ity
Large-Scale Eddy Structures
Application to high-lift
trailing-edge separations
Excite interaction between large-scale span-wise
eddy structures that occur close to point of
separation.
MEMS Flow Actuators
Thermal
Electro-hydrodynamic
Momentum
injection
Gryphon MEMS Controlled
Application Opportunities
Airframes
• Manned
• Rotorcraft
• UAVs
• Missiles
Micro
aircraft
Propulsion
• Intakes
• Fans
• Compressors
• Combustors?
• Turbines?