سیستم های میکرو و نانو الکترومکانیکی(MEMS / NEMS)

 سیستم های میکرو و نانو الکترومکانیکی ( MEMS / NEMS ) دستگاه هایی هستند که در آنها حرکت فیزیکی یک ساختار در مقیاس میکرو یا نانو توسط یک مدار الکترونیکی کنترل می شود یا برعکس. می توان از MEMS و NEMS برای ساخت حسگر های حساس و دستگاه های زمان بندی پایدار استفاده کرد.

سیستم های میکرو الکترومکانیکی (MEMS) ثابت کرده اند که کوچک تر کردن، سریع تر و ارزان تر کردن نانو سیستم و نانو ساختار ها موفق عمل میکنند. دستگاه های MEMS امروزی که معمولا با ابعاد میکرونی (10 تا 6 نانو متر) ساخته می شوند، شامل شتاب سنج هایی برای بازکردن کیسه هوا،سنسور های فشار و دستگاه های میکروسیال هستند که می توانند مقادیر بسیار کمی از مواد شیمیایی را جدا و تجزیه و تحلیل کنند. در حال حاضر با قابلیت های نانو ساخت، سیستم های نانو الکترومکانیکی (NEMS) به عنوان آشکار ساز های جرمی با قابلیت وزن کردن تک مولکول ها ساخته می شوند. به عنوان تشدید کننده های فرکانس بالا با حساسیت تا یک میلیارد سیکل در ثانیه. به عنوان سوئیچ های فوق سریع و کم مصرف؛ و به عنوان دستگاه های میکروسیال یکپارچه که قادر به جداسازی، دستکاری و تجزیه و تحلیل سلول های فردی انسان هستند. در مقیاس نانو، فعل و انفعالات معمولی مانند کشش سطحی، نیز امکان پذیر میباشد.

NEMS به واسطه نانو الکترونیک درسیستم هایی که برای کاربرد های دفاعی، دارویی ، پزشکی، الکترونیکی و مخابراتی و ... دسته بندی می شوند . NEMS های کنونی که شامل شتاب سنج ها می باشند  ، chip های نمایشprojection ، سنسور های پهباد ها ، کلید های نوری، microvalve ها ، بیو سنسور ها و میکرو چیپ های چند منظوره بکار روند که در حجمهای  نانو تولید میشوند. NEMS ها در میکرو ساختار های متحرک ( با اجزاء الکترومکانیکی ) ، حسگر ها، محرکها ، ادوات انرژی تشعشعی و میکرو الکترونیک ، مجتمع میشوند. این NEMS ها می توانند برای استفاده در فناوری های میکروساخت مختلف مانند میکرو ماشین ها ساخته شوند . فناوری اساسی در ساخت NEMS ، CMOS ها و biCOMS ها ( برای ساخت ICها ) ومیکرو ماشین ها ( برای تولید حرکت و تابش و تشعشع انرژی به ادوات و ساختار های مقیاس میکرون ). یکی از اهداف اصلی این است میکرو الکترونیک را با ادوات و ساختار های میکرو ماشین های الکترومکانیکی مکانیکی ، مجتمع کنند تا NEMS هایی مجتمع شده و با کارایی بالا تولید کنند. برای تضمین کارایی بالا ، قابلیت انجام کار ، قابلیت اطمینان و قابلیت ساخت ، فرآیندهای ساخت فله ای بر مبنای CMOS به خوبی توسعه یافته و باید اصلاح شده و افزایش یابد.

اهداف توسعه سیستم های نانو الکترومکانیکی (NEMS) دستگاه به طور کامل از (کریستالی) اکسید های فلزی، یک کلاس از ترکیبات که نشان می دهد طیف گسترده ای از خواص فیزیکی، ساخته شده با چشم انداز معرفی کلاس های جدیدی از مبدل ها با مکانیسم های بی سابقه تشخیص و ادغام قابلیت های بیشتر در سیستم های نانو مکانیکی. این رویکرد فناوری جدید، اکسید های چند منظوره را به مجموعه میدان MEMS/NEMS فعلی اضافه خواهد کرد.

پیشرفت علم به فناوری ما تحقق اثبات مفهوم دستگاه NEMS مبتنی بر اکسید های فوق حساس برای تشخیص میدان های بیومغناطیسی است. مجموعه میدان MEMS/NEMS  آشکار ساز های فوق حساسی را اجرا خواهد کرد که قادر به اندازه گیری میدان های مغناطیسی بسیار ضعیف هستند که میدان های مغناطیسی ایجاد شده توسط فعالیت مغز انسان، از مرتبه ده ها مجموعه میدان MEMS/NEMS را مورد هدف قرار می دهند.دستگاه های MEMS / NEMS کنترل دقیق این فعل و انفعالات در مقیاس نانو را امکان پذیر می کنند و بستری ایده آل برای تعامل با جهان نانو فراهم می کنند.این شامل ادغام  مواد و عناصر زیر میکرونی فعال است که سیگنال های مکانیکی، نوری و الکتریکی را برای تولید ساختار های نانو ساخت کار ترکیب می کنند.استفاده از فناوری نانو در کاربرد های سنسور های نانو بیو کنترل و تنظیم دقیق عملکرد های نانو محیطی را تسهیل کرده است. ساختارهای نانو به دلیل اندازه کوچک در حد نانو متر و عملکردهای چندگانه در مکانهای خاص در زمینه ی نانو بیو سنسور ها بسیار کاربرد دارند. انواع مختلفی از دستگاه های MEMS / NEMS چند منظوره را با ویژگی های میکرو و نانو الکترونیکی برای کاربرد های زیست پزشکی (BioMEMS / BioNEMS) از طریق تکنیک های مختلف ساخت و نانو مواد زیست سازگار توسعه دهند. با این حال، یکپارچه سازی دستگاه ها با محیط فیزیولوژیکی نانو بیو سنسور ها یک معضل اساسی به شمار می آید. اغلب آنها به دلیل محدودیت های موجود در  ذرات نانو در نانو بیو سنسور ها عملکرد خود را از دست داده و باعث ایجاد اثرات نامطلوب میشوند. در شرایط آزمایشگاهی و در کاربرد های نانو سنسور های بیو محیطی، عملکرد ایمپلنت های Bio MEMS همچون بیو سنسور ها، استنت های هوشمند و غیره و همینطور برهمکنش این دستگاهها با محیط فیزیولوژیکی محیطی نانو بیو سنسورها و BioMEMS های زیست سازگار جهت استفاده در ساختار تکاملی و معماری نانو  بیو سنسور ها ضروری میباشد.استفاده خلاقانه از سیستم های نانو _ میکرو الکترونیک و (سیستم های نانو الکترو مکانیکی NEMS) در کاربردهای سنسورهای نانو بیو الکترونیکی، شرایط مطلوبی را برای (نانو NEMS)جهت تشخیص دقیق و صحیح عوامل محیطی  فراهم  کرده است.

سیستم های نانو  Nano System از مواد آلی یا معدنی مختلفی تشکیل شده اند که قابلیت و ویژگی های آنها مانند اندازه آنها از 1 تا 100 نانومتر هستند. ذرات نانو اجزای اصلی تشکیل دهنده سیستم های نانو  Nano System میباشند .اولین توصیف گسترده نانو تکنولوژی به هدف خاص فناوری دستکاری دقیق اتم ها و مولکول ها برای ساخت محصولات در مقیاس کلان اشاره دارد که  به عنوان نانو سیستم  Nano System نیز شناخته می شود.

نانو سیستم  Nano System عملکردی در مقیاس مولکولی است. این کار هم کارهای فعلی و هم مفاهیم پیشرفته تر را در بر می گیرد. به معنای اصلی آن ، فناوری نانو به توانایی پیش بینی شده برای ساخت اقلام از پایین به بالا ، با استفاده از تکنیک ها و ابزارهایی گفته می شود که برای ساخت محصولات کامل و با کارایی بالا تولید می شوند.نانو سیستم  Nano System ایده "مونتاژ" در مقیاس نانو را ارائه داد که می تواند کپی خود و خود را بسازد. از دیگر موارد پیچیدگی دلخواه با کنترل اتمی در نانو سیستم  Nano System ها بسیار گسترده و کاربردی میباشد. نانو کامپیوتر و نانو اسمبلر ها نیز زیر گروه نانو سیستم ها Nano System میباشند. نانو ذرات اجزای اصلی تشکیل دهنده تمام نانو سیستم ها  Nano system میباشند.برای تولید ذرات نانو با کمک فناوری نانو می توان در اتمها از طریق کنترل خصوصیات تغییراتی ایجاد کرد. زمانی که مواد در مقیاس نانو مطالعه و بررسی می شوند واکنش های و رفتار اتمها در مقایسه با حالتی که مطالعه در سطح مولکولی انجام می شوند کاملا متفاوت است چرا که در این قلمرو خصوصیات فیزیکی مواد تغییر می کند این درست مانند این است که در توپی را در محفظه ای بیندازید و توپی دیگری را از آن محفظه بیرون آورید. تفاوت در قلمرو نانو به اندازه ای است که حتی رنگ، نقطه ذوب، خصوصیات شیمیایی و غیره مواد در خارج از این محدوده کاملا متفاوت است.گرایشات اخیر در مهندسی و علوم نانو الکترونیک بر تاکید روی ترکیب و تحلیل و کنترل MEMS و NEMS هایپیشرفته ، افزایش یافته است . فرآیند های ترکیب ،طراحی و بهینه سازی در واقع تکاملی بر نمونه های طبیعی هستند .در هر سطح از سلسله مراتب طراحی ، کارآیی سیستم در قلمرو رفتار آن برای ارزیابی ،بهینه سازی و تصحیح فرآیند بهیینه سازی و ترکیب استفاده میشود تا راه حل های جدید پیدا شود . IC ها باید مشخصه های عملکرد MEMS مانند کنترل ادوات و ساختار های الکترومکانیکی مبتنی بر الکترومغناطیس ، کانالهای ورودی - خروجی ، تبدیلات آنالوگ به دیجیتال و دیجیتال به آنالوگ ، فیلترکردن ، استفاده از داده ها و غیره را تضمین کنند.میکرو الکترو مکانیکال سیستم ها MEMS ، (مجتمع سازی عناصر مکانیکی ، سنسورها،محرکها و ادوات الکترونیک روی پایه سیلیکونی بوسیله تکنولوژی ساخت در حد ابعاد میکرون است . مادامی که ادوات الکترونیک برای استفاده در رشته فرآیند مدارهایمجتمع IC ساخته می شوند) ( مانند فرآیند اجزاء ) ، " BICMOS ، Bipolar ، CMOS ساختن میکرو مکانیکال " برای استفاده در فرآیند های میکرو ماشین کردن سازگار و مناسب با آن که به طور انتخابی قسمت به قسمت با قرص های سیلیکونی یا افزودن لایه های ساختمانی جدید برای شکل دادن ادوات مکانیکال و الکترومکانیکال استفاده می شود، ساخته می شوند . MEMS نوید انقلابی نوین را در زمینه محصولات مجتمع سازی سیلیکون که بر پایه تکنولوژی میکرو الکترونیک و میکرو ماشین ها نباشد، میدهد که در جهت ممکن ساختن تحقق کامل " سیستم ها در یک تراشه " است .

MEMS یک فناوری است که اجازه توسعه محصولات هوشمند ، تکمیل توانایی محاسباتی میکرو الکترونها با در نظر گرفتن قابلیتهای میکروسنسورها و میکرو محرکه ها و توسعه فضای ممکن طراحی و استفاده را می دهد . مدارهای مجتمع میکرو الکترونیک می تواند به عنوان مغز متفکر یک سیستم در نظر گرفته شود و MEMS این قابلیت تصمیم گیری را با چشم ها و بازوهایی زیاد کرده تا به میکرو سیستم ها اجازه دهد تا محیط به وسیله اندازه گیری مکانیکی ، دمایی ، بیولوژیکی ،شیمیایی ، نوری و مغناطیسی جمع آوری می کنند. الکترونیک سپس اطلاعات گرفته شده از حسگرها و از طریق بعضی تصمیم گیریها به بازوها برای واکنش نشان دادن به وسیله حرکت کردن ، تثبیت موقعییت، تنظیم کردن ، پمپ کردن و فیلتر کردن دستور میدهد. در نتیجه کنترل محیط برای خواسته های مطلوب انجام می شود. برای اینکه ادوات MEMS برای استفاده در شیوه های ساخت گروهی مانند مدار های مجتمع ساخته میشوند ، سطوح جدیدی از قابلیت انجام وظیفه ،قابلیت اطمینان و مهارت می تواند روی یک تراشه سیلیکونی کوچک با یک هزینه نسبتا "پایین قابل دسترسی باشد. MEMS و NEMS های مختلفی با توجه به مشخصات به نیازها ، اهداف و کاربردها باید طراحی شوند. MEMS و NEMS های الکترومکانیک یا. الکترونوری مکانیکی توسعه پیدا کرده اند .معمولا "سیستم های نوری سریعتر ، ساده تر و کاراتر ، قابل اطمینان تر و بادوام تر از سیستم های الکترومکانیکی هستند. اگرچه سیستم های نوری برای کاربرد های مختلفی طراحی می شوند ( مانند : ارتباطات ، محاسبات و کلید زنی بی سیم و غیره ) ، پیکر بندی های متفاوتی دارند در حالت کلی خیلی مشکل است که یک مقایسه تطبیقی بین آنها انجام دهیم . برای مثال سیستم های نوری نمی توانند به عنوان محرک بهکار روند . نیاز های کاربردی باید شمارش شود و اتصالات الکترومغناطیسی ، دما ، ارتعاش یا تشعشعات می توانند فاکتور های مورد استفاده برای ساخت بهتر باشند. اندازه محرک به انبوهی نیرو یا گشتاور که تابع ماده به کار رفته و اندازه ( حجم ) آن است ، بستگی دارد . در واقع اندازه با نیرو و گشتاور مورد نیاز و جنس آن تعیین می شود. این موضوع که MEMS الکترومغناطیسی ،میکروساختارها یا میکرو ترانس دیوسد هایی را که با ICهای به کار رفته در میکرو ادوات انرژی تابشی کنترل می شوند ، مجتمع می کنند ، بسیار مهم است . بدینگونه میکرو ساختار ها و میکرو ترانس دییوسد ها ،ادوات انرژی تابشی و ICها باید مجتمع شوند .فناوری اتصال تراشه مستقیم به طور وسیعی پییشرفت کرد. به ویژه مجموعه MEMS های chip - flip جایگزین شد با نوار سیمی تا به ICها با محرکها و حسگر های مقیاس میکرو نانو متصل شوند. استفاده از فناوری chip - flip امکان رفع القاگرها و خازنها و مقاومت های پارازیتی را میدهد. این موضوع اصلاح مشخصات وسیله را منجر می شود.در ادامه مجتمع سازی chip -flip مزایایی در پیاده سازی بسته های انعطاف پذیر پیشرفته ، پیشرفت های قابل اطمینان و کاهش وزن و اندازه و.... را منجر میشود. chip - Flip مجتمع شده، میکروترانس دیوسد ها می توانند همراه با برآمدگی و رو به پایین روی لایه هایی که روی ادوات الکترومکانیکی سوار شده و به پایه IC متصل است ،نصب شوند MEMS مجتمع مقیاس بزرگ ( یک عدد تراشه که می تواند به صورت عمده تولید شود و با هزینه کم که در COMS به کار میرود.