MEMS: будущее мобильных телефонов уже сегодня

Сама по себе технология MEMS не нова – её теоретическая основа была разработана ещё в далёких 50-60 гг. прошлого века. Тогда, как и в случае со многими другими высокими технологиями, перед учёными стояла задача создания точных и дешёвых датчиков для нужд армии во времена холодной войны. Однако первые попытки коммерческой реализации микроэлектронной механики были предприняты лишь через тридцать лет автопроизводителями, которые в начале 1990-х годов начали использовать её для производства сенсоров в конструкции подушек безопасности. Вместо дорогостоящих и несовершенных традиционных механизмов, зачастую приводивших к несвоевременному раскрытию подушек, они стали использовать специальные датчики ускорения (другими словами, акселерометры). Эти устройства непрерывно отслеживают смещение мельчайшего грузика, благодаря чему способны отличать действительное столкновение от банального наезда на неровность на дороге.

Нашли своё место эти технологии и в массовом производстве компьютерных комплектующих и оргтехники. К примеру, акселерометрами оснащаются многие жёсткие диски, в которых эти микроустройства, выполняющие роль инерционных сенсоров, служат для защиты накопителя от ударной нагрузки. А печатающие головки струйных принтеров и вовсе принято считать первыми коммерчески успешными MEMS-продуктами, проникшими на рынок потребительской электроники.

Ярким примером массового внедрения MEMS-технологий могут служить также DLP-проекторы и проекционные телевизоры. Изображение в них формируется с помощью микросхем, содержащих массив микрозеркал, каждое из которых имеет собственный привод, а также управляющую электронику.

Таким образом, в некоторых сферах микроэлектромеханические устройства уже прочно вошли в нашу жизнь и даже воспринимаются как что-то совершенно привычное. Однако в других областях их потенциал только-только начинает использоваться.

Так, по мнению многих аналитиков, очень широкие перспективы для технологий MEMS открываются на рынке мобильных телефонов.

MEMS – микромеханика и электроника в одном «флаконе»

По своей сути, технология MEMS – это широчайший спектр микроустройств, выполненных на одном кристалле (SoC – Systems-on-a-Chip) и представляющих собой сочетание механических и электронных полупроводниковых структур. Вкратце технологию MEMS можно описать как изготовление электромеханических устройств с применением технологических циклов, аналогичных производству обычных интегральных схем, в результате чего на общем кремниевом основании комбинируются механические элементы, датчики и электроника. При этом важнейшей составной частью большинства МЕМS-структур является микроактюатор, который преобразовывает энергию в управляемое движение.

Устойчивая тенденция к интеграции различных датчиков в мобильные телефоны наметилась ещё в 2004 году. С тех пор, по данным аналитической компании In-Stat, спрос на MEMS приборы, используемые в трубках, неуклонно растёт. Так, в 2005 году объём этого сегмента рынка составил 157 млн. долларов, а к 2010 эксперты прогнозируют его увеличение до $1 млрд.

Одной из первых и, вместе с тем, простейших MEMS-технологий, получивших массовое распространение в мобильных телефонах, стали всё те же датчики движения и построенные на их основе шагомеры, в последнее время стремительно набирающие популярность в молодёжных моделях аппаратов. К примеру, подобной функцией оснащаются уже несколько присутствующих на рынке моделей, таких как Nokia 5500 (читать обзор Nokia 5500) и Sony Ericsson W710i (читать обзор Sony Ericsson W710i), предназначенных для любителей активного отдыха и спорта.

Используя такой телефон для контроля за тренировками, пользователю необходимо лишь ввести некоторые свои параметры, и телефон сам измерит пройденный путь, а заодно и подсчитает количество потраченных калорий. И хотя точность подобных шагомеров пока не слишком велика, их возможностей более чем достаточно для спортсменов-любителей.

Однако перспективы практического применения MEMS в средствах мобильной связи, на самом деле, выходят далеко за рамки шагомеров. Не исключено, что в будущем телефоны, оснащённые акселерометрами, смогут иметь ряд дополнительных сервисных функций, например, автоматический ответ на входящий звонок при поднесении аппарата к уху или же использование трубки в качестве джойстика для мобильных игр (аналогично контроллеру Wiimote в игровой консоли Nintendo Wii).

Далее мы рассмотрим несколько наиболее любопытных и перспективных примеров применения MEMS в мобильных телефонах.

Источники питания

Одно из новейших направлений использования MEMS – создание компактных генераторов электрического тока, которые могли бы прийти на смену традиционным аккумуляторам.

Одну из таких разработок, построенную с использованием MEMS-структуры, представили исследователи из Массачусетского технологического университета.

В основе небольшого чипа, размеры которого сравнимы с пятирублёвой монетой, лежит схема с шестью кремниевыми пластинами. В миниатюре она примерно повторяет устройство газотурбинных двигателей, причём её микротурбина вращается со скоростью 20000 оборотов в секунду, что в сотню раз больше, чем у двигателя реактивного самолёта. Мощность такого генератора составляет порядка 10 Вт электроэнергии, что, по словам разработчиков, достаточно для обеспечения электричеством любого современного мобильного телефона.

Впрочем, несмотря на тот факт, что данный проект финансируется Министерством обороны США, а, как известно, денег американские военные на подобные разработки никогда не жалели, цельного готового к работе образца подобного микрогенератора пока создано не было, а значит, перспективы его коммерческой реализации на данный момент пока очень туманны. По крайней мере, в отличие от топливных элементов, которые сегодня гораздо ближе к потребителям, чем все остальные альтернативные технологии питания мобильных устройств вместе взятые.

Благо, подходящее место для микроэлектромеханических разработок нашлось и тут. К примеру, инженеры корпорации Toshiba уже имеют в своём арсенале метаноловый элемент, в котором используется микронасос, выполненный по технологии MEMS.

Однако пока размеры этого устройства довольно велики для использования его в сотовых телефонах, в связи с чем большинство специалистов склонны полагать, что массовые поставки подобных источников тока могут начаться лишь, как минимум, через шесть, а то и десять лет.

Камеры

Ещё одним из важнейших достижений MEMS-технологии можно считать микроэлектромеханический гироскоп. До него измерение положения объектов в пространстве производилось лишь с помощью механических либо лазерных гироскопов, да и то лишь в самых узких областях, где, в отличие от рынка массовой потребительской электроники, сложность, большие размеры и дороговизна оборудования не является определяющими факторами.

То ли дело – гироскопы, построенные на основе технологии MEMS. При стоимости в несколько десятков долларов и энергопотреблении в несколько милливатт, они становятся весьма привлекательным решением для мобильных телефонов со встроенными фотокамерами, где разработчики видят основную сферу их применения в качестве стабилизаторов изображения, способных компенсировать дрожание руки во время съёмки.

На сегодняшний день подобное решение предлагается компанией InvenSense, которой удалось разработать однокристальный гироскоп IDG-1000, обеспечивающий считывание данных как по горизонтальной, так и по вертикальной оси.

Необходимость такого рода высокоточных сенсоров пространственной ориентации для камерофонов очевидна, поскольку, в отличие от полноценных фотоаппаратов, чувствительность их матриц гораздо ниже, в связи с чем даже малейшее движение может приводить к смазыванию изображения. Кроме того, рост потребности в системах стабилизации изображения обуславливается стремительным увеличением разрешения и кратности зума современных камер. При этом, благодаря использованию технологии MEMS, сенсор весьма компактен в своих размерах (6х6 мм), а также обладает низкими энергопотреблением и себестоимостью, что особенно критично для мобильных телефонов.

Дисплеи

Однако с ростом популярности всякого рода развлекательных функций, в том числе и встроенных фотокамер с высокой разрешающей способностью, у мобильных телефонов обнаружился ещё один весьма серьёзный недостаток – высокое энергопотребление жидкокристаллических дисплеев. К тому же, с массовым распространением моды на камеры, мультимедийные плееры и мобильные игры, ЖК-экраны современных телефонов стали больше и ярче, и при этом они всё дольше остаются включёнными, что, в итоге, приводит к быстрой разрядке батареи.

Есть у TFT-экранов и ещё один весьма досадный недостаток – потеря «читабельности» отображаемой ими информации в условиях яркого солнечного света, что зачастую делает использование телефона на улице в погожий денёк крайне неудобным.

Однако благодаря MEMS, а точнее, построенной на основе микроэлектромеханических систем инженерами компании Iridigm технологии iMoD (Interferometric Modulator – интерференционный модулятор), «слепнущие» на солнце и «гаснущие» в целях экономии заряда батареи дисплеи мобильных телефонов могут через какое-то время уйти в прошлое.

Принцип работы iMoD-дисплея заключается в том, что цветное изображение формируется благодаря интерференции световых волн, аналогично тому, как дневной свет приобретает определённый оттенок в покрытых пыльцой крыльях бабочки. Каждый пиксель iMoD представляет собой микромеханическую систему, состоящую из прозрачной плёнки и зеркальной мембраны, между которыми остаётся свободное воздушное пространство. Между световыми волнами, отразившиеся от плёнки, и волнами, прошедшими сквозь неё, а затем отразившимися от мембраны, возникает интерференция. В результате этого появляется излучение определенного цвета, который может меняться от красного до синего, в зависимости от величины зазора.

Преимущества такого решения очевидны. Во-первых, дисплеи, построенные на основе этой технологии, сохраняют «читабельность» при любом освещении. А во-вторых, они обладают в разы меньшим по сравнению со своими жидкокристаллическими конкурентами энергопотреблением, поскольку не требуют подсветки, и энергия в них тратится лишь на перевод пикселя из одного состояния в другое. И, в-третьих, нельзя не отметить их малую толщину – находку для производителей мобильных телефонов, для которых проблема экономии места крайне существенна, особенно в свете набирающих популярность ультратонких моделей.

Электронные компоненты

Однако для того чтобы сделать телефон по-настоящему компактным и экономичным, недостаточно заменить в нём лишь один дисплей, поскольку почти половину его внутреннего пространства занимают различные электронные компоненты.

Конечно, если только это не радиочастотные модули, построенные на основе технологии MEMS. Такие ИС могут содержать, к примеру, порядка полусотни интегрированных СВЧ-элементов, включая фильтры, коммутаторы приёма-передачи и многое другое, и при этом быть на более чем 60% компактнее, чем нынешние дискретные решения. Одной из первых подобные модули представила корпорация Intel, что говорит о серьёзных перспективах по их внедрению в мобильные устройства.

Впрочем, ничего удивительного в этом нет. Уменьшение размеров, энергопотребления и стоимости, а также увеличение уровня интеграции и функциональности электронных компонентов мобильных телефонов – вот основные задачи MEMS.

К примеру, уже сейчас использование этих технологий позволяет получить встраиваемые микроприборы с размерами в десятые доли миллиметра и копеечной ценой, обладающие минимальным энергопотреблением в состоянии покоя.

Микрофоны

Первый кремниевый микрофон на базе MEMS-технологий был сконструирован фирмой Knowles Acoustics, специализировавшейся на выпуске электронных компонентов для слуховых аппаратов. С тех пор прошло около десяти лет, и сейчас такие микрофоны производят уже несколько компаний, поставляющих их в объёме нескольких десятков миллионов штук в год.

Эти приборы имеют несколько несомненных преимуществ перед традиционными электретными микрофонами. Главное из них заключается в том, что они имеют в десятки раз меньшие габариты, что делает их идеальным решением для мобильных телефонов. Столь малые размеры достигаются благодаря технологии поверхностного монтажа, подразумевающей нанесение основных элементов микрофона прямо на печатную плату.

Как и любой электретный микрофон, MEMS-микрофон включает в себя два основных компонента: гибкую диафрагму и твёрдую «подложку». Внешнее звуковое давление приводит диафрагму в движение, в соответствии с которым возникают колебания величины зазора между ней и расположенной в непосредственной близости подложкой. Эти колебания фиксируются специальными датчиками и на выходе преобразовываются в электрический сигнал. При этом, MEMS-микрофоны оказываются гораздо более устойчивы к вибрациям и «наводкам», а также легко интегрируются с новыми функциями и менее восприимчивы к шумам.

Вердикт Ferra.ru

В целом, достоинства MEMS перекрывают их недостатки, коих пока не так уж много. Главный заключается в том, что хотя за последние несколько лет ёмкость потребительского рынка MEMS-технологий и выросла в десятки раз, большинство разработок в этой области пока так и остаются скорее в теории, чем на практике. А сдерживает их внедрение в массы пока ещё низкий спрос на MEMS-устройства со стороны производителей оборудования. К тому же, несмотря на обещания разработчиков о низкой цене на сами приборы, инструментальные затраты на их разработку и производство по-прежнему велики.

Тем не менее, мощная волна внедрения MEMS в бытовую электронику, в том числе и мобильные телефоны следующих поколений, несомненно, ещё впереди. По мнению многих аналитиков (в частности, из исследовательской компании ABI Research), переломным в этом отношении может стать 2008 год, когда, согласно их прогнозу, стоит ждать массовый переход производителей трубок на MEMS-решения. По крайней мере, для этого у данной технологии есть все основания, в том числе гибкость применения, высокий уровень интеграции, низкая себестоимость и малые размеры получаемых с её помощью компонентов. А самое главное, есть поддержка со стороны крупных корпораций.