एमईएमएस: Difference between revisions

[[File:MEMS Microcantilever in Resonance.png|thumb|एमईएमएस माइक्रोकैंटिलीवर एक [[स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप]] के अंदर प्रतिध्वनित होता है]]MEMS (माइक्रोइलेक्ट्रोमैकेनिकल सिस्टम) सूक्ष्म उपकरणों की तकनीक है जिसमें इलेक्ट्रॉनिक और मूविंग दोनों हिस्से शामिल होते हैं। एमईएमएस आकार में 1 और 100 माइक्रोमीटर के बीच के घटकों से बने होते हैं (यानी, 0.001 से 0.1 मिमी), और एमईएमएस उपकरणों का आकार आम तौर पर 20 माइक्रोमीटर से एक मिलीमीटर (यानी, 0.02 से 1.0 मिमी) तक होता है, हालांकि घटकों को सरणियों में व्यवस्थित किया जाता है ( उदाहरण के लिए, [[डिजिटल माइक्रोमिरर डिवाइस]]) 1000 मिमी से अधिक हो सकते हैं<sup>2</उप>।<ref>{{Cite book|url=https://books.google.com/books?id=7lKytgAACAAJ|title=Small Machines, Large Opportunities: A Report on the Emerging Field of Microdynamics: Report of the Workshop on Microelectromechanical Systems Research|vauthors=Gabriel K, Jarvis J, Trimmer W|publisher=AT&T Bell Laboratories|others=[[National Science Foundation]] (sponsor)|year=1988}}</ref> उनमें आमतौर पर एक केंद्रीय इकाई होती है जो डेटा (एक एकीकृत सर्किट चिप जैसे [[माइक्रोप्रोसेसर]]) को संसाधित करती है और कई घटक जो आसपास के साथ बातचीत करते हैं (जैसे कि [[ microsensor ]])।<ref>{{cite book|title=नैनोकंप्यूटर और स्वार्म इंटेलिजेंस|vauthors=Waldner JB|publisher=[[ISTE Ltd|ISTE]] [[John Wiley & Sons]]|year=2008|isbn=9781848210097|place=London|pages=205|author-link=Jean-Baptiste Waldner}}</ref>

एमईएमएस के बड़े सतह क्षेत्र से आयतन अनुपात के कारण, परिवेश [[विद्युत]] चुंबकत्व (जैसे, इलेक्ट्रोस्टैटिक चार्ज और चुंबकीय क्षण), और द्रव गतिकी (जैसे, [[सतह तनाव]] और चिपचिपाहट) द्वारा उत्पन्न बल बड़े पैमाने के यांत्रिक उपकरणों की तुलना में अधिक महत्वपूर्ण डिजाइन विचार हैं। एमईएमएस प्रौद्योगिकी आण्विक नैनो प्रौद्योगिकी या आण्विक [[ इलेक्ट्रानिक्स ]] से अलग है क्योंकि बाद वाले दो को [[सतह रसायन]] विज्ञान पर भी विचार करना चाहिए।

तकनीक के अस्तित्व में आने से पहले बहुत छोटी मशीनों की क्षमता की सराहना की गई थी (देखें, उदाहरण के लिए, [[रिचर्ड फेनमैन]] का 1959 का प्रसिद्ध व्याख्यान, नीचे बहुत जगह है)। एमईएमएस एक बार व्यावहारिक हो गया जब उन्हें संशोधित सेमीकंडक्टर डिवाइस निर्माण प्रौद्योगिकियों का उपयोग करके गढ़ा जा सकता था, आमतौर [[आणविक इलेक्ट्रॉनिक्स]] बनाने के लिए उपयोग किया जाता था।<ref>{{Cite journal|vauthors=Angell JB, Terry SC, Barth PW|date=1983|title=सिलिकॉन माइक्रोमैकेनिकल डिवाइस|journal=[[Scientific American|Sci. Am.]]|volume=248|issue=4|pages=44–55|doi=10.1038/scientificamerican0483-44|bibcode=1983SciAm.248d..44A}}</ref> इनमें मोल्डिंग और प्लेटिंग, [[ नक़्क़ाशी (माइक्रोफैब्रिकेशन) ]] ([[ पोटेशियम हाइड्रोक्साइड ]], [[टेट्रामेथिलअमोनियम हाइड्रॉक्साइड]]) और [[ सूखी नक़्क़ाशी ]] ([[प्रतिक्रियाशील-आयन नक़्क़ाशी]] और डीआरआईई), [[ बिजली की निर्वहन मशीनिंग ]] (ईडीएम) और छोटे उपकरणों के निर्माण में सक्षम अन्य प्रौद्योगिकियां शामिल हैं।

MEMS डिवाइस का एक प्रारंभिक उदाहरण गुंजयमान-गेट ट्रांजिस्टर है, जो MOSFET का एक अनुकूलन है, जिसे 1965 में हार्वे सी. नैथनसन द्वारा विकसित किया गया था।<ref>{{cite journal|vauthors=Nathanson HC, Wickstrom RA|date=1965|title=हाई-क्यू बैंड-पास गुणों वाला एक रेज़ोनेंट-गेट सिलिकॉन सरफेस ट्रांजिस्टर|journal=[[Applied Physics Letters|Appl. Phys. Lett.]]|volume=7|issue=4|pages=84–86|doi=10.1063/1.1754323|bibcode=1965ApPhL...7...84N}}</ref> एक अन्य प्रारंभिक उदाहरण रेज़ोनिस्टर है, जो 1966 और 1971 के बीच रेमंड जे. विलफ़िंगर द्वारा पेटेंट कराया गया एक इलेक्ट्रोमैकेनिकल मोनोलिथिक [[ गुंजयमान यंत्र ]] है।<ref>{{Cite patent|country=US|number=3614677A|title=इलेक्ट्रोमैकेनिकल मोनोलिथिक रेज़ोनेटर|status=patent|pubdate=|gdate=Oct 1971|invent1=Wilfinger RJ|inventor1-first=|assign1=International Business Machines Corp|url=https://patents.google.com/patent/US3614677A/en}}</ref><ref>{{cite journal|vauthors=Wilfinger RJ, Bardell PH, Chhabra DS|date=1968|title=The Resonistor: A Frequency Selective Device Utilizing the Mechanical Resonance of a Silicon Substrate|journal=[[IBM Journal of Research and Development|IBM J. Res. Dev.]]|volume=12|issue=1|pages=113–8|doi=10.1147/rd.121.0113}}</ref> 1970 से 1980 के दशक के दौरान, भौतिक, रासायनिक, जैविक और पर्यावरणीय मापदंडों को मापने के लिए कई MOSFET माइक्रोसेंसर विकसित किए गए थे।<ref name="Bergveld">{{cite journal |last1=Bergveld |first1=Piet |author1-link=Piet Bergveld |title=MOSFET- आधारित सेंसर का प्रभाव|journal=Sensors and Actuators |date=October 1985 |volume=8 |issue=2 |pages=109–127 |doi=10.1016/0250-6874(85)87009-8 |bibcode=1985SeAc....8..109B |url=https://core.ac.uk/download/pdf/11473091.pdf |issn=0250-6874}}</ref>

एमईएमएस स्विच तकनीक के दो मूल प्रकार हैं: [[ संधारित्र ]] और [[ओमिक संपर्क]]। एक चलती प्लेट या सेंसिंग तत्व का उपयोग करके एक कैपेसिटिव एमईएमएस स्विच विकसित किया जाता है, जो कैपेसिटेंस को बदलता है।<ref>{{cite journal|title=एमईएमएस कैपेसिटिव एक्सेलेरोमीटर का मूल्यांकन|date=1999-12-01 |doi=10.1109/54.808209 |last1=Beliveau |first1=A. |last2=Spencer |first2=G.T. |last3=Thomas |first3=K.A. |last4=Roberson |first4=S.L. |journal=IEEE Design & Test of Computers |volume=16 |issue=4 |pages=48–56 }}</ref> ओमिक स्विच इलेक्ट्रोस्टैटिक रूप से नियंत्रित कैंटिलीवर द्वारा नियंत्रित होते हैं।<ref>{{cite book|url=https://iopscience.iop.org/book/978-0-7503-1545-6/chapter/bk978-0-7503-1545-6ch1 |title=Introduction to MEMS and RF-MEMS: From the early days of microsystems to modern RF-MEMS passives |website=iop.org |date=2017-11-01 |doi=10.1088/978-0-7503-1545-6ch1 |access-date=2019-08-06|last1=Iannacci |first1=Jacopo |isbn=978-0-7503-1545-6 }}</ref> ओमिक एमईएमएस स्विच एमईएमएस एक्ट्यूएटर (कैंटिलीवर) की धातु थकान और संपर्क पहनने से विफल हो सकते हैं, क्योंकि कैंटिलीवर समय के साथ ख़राब हो सकते हैं।<ref>{{cite web|url=https://www.evaluationengineering.com/instrumentation/switching-systems/article/21082562/mems-technology-is-transforming-highdensity-switch-matrices |title=एमईएमएस तकनीक उच्च-घनत्व स्विच मैट्रिक्स को रूपांतरित कर रही है|website=evaluationengineering.com |date=2019-06-24 |access-date=2019-08-06}}</ref>

[[File:BioMEMS with X-shpaed cantilever.png|thumb|ग्राउंड प्लेट के ऊपर एक्स-आकार के टीआईएन बीम के इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप चित्र (ऊंचाई अंतर 2.5 माइक्रोन)। बीच में क्लिप के कारण, जब बीम नीचे की ओर झुकती है तो एक बढ़ता हुआ रीसेट बल विकसित होता है। सही आंकड़ा क्लिप का आवर्धन दिखाता है।<ref name=JAP2013>{{cite journal | display-authors = 3 | author1 = M. Birkholz | author2 =  K.-E. Ehwald | author3 =  T. Basmer | author4 =  P. Kulse | author5=  C. Reich | author6 =  J. Drews | author7 =  D. Genschow | author8 =  U. Haak | author9 =  S. Marschmeyer | author10 =  E. Matthus | author11 =  K. Schulz | author12 =  D. Wolansky | author13 =  W. Winkler | author14 =  T. Guschauski | author15 =  R. Ehwald | title = पूरी तरह से एम्बेडेड बायोमाइक्रो-इलेक्ट्रोमैकेनिकल सिस्टम (बायोएमईएमएस) के साथ गीगाहर्ट्ज आवृत्तियों पर ग्लूकोज सांद्रता का पता लगाना| journal = J. Appl. Phys. | volume = 113 | issue = 24 | pages = 244904–244904–8 | year = 2013 | doi = 10.1063/1.4811351| pmid = 25332510 | pmc = 3977869 | bibcode = 2013JAP...113x4904B }}</ref>]]सेमीकंडक्टर डिवाइस फैब्रिकेशन में प्रोसेस टेक्नोलॉजी से एमईएमएस का निर्माण विकसित हुआ है, यानी मूल तकनीक सामग्री परतों के जमाव (रसायन विज्ञान) हैं, [[फोटोलिथोग्राफी]] द्वारा पैटर्निंग और आवश्यक आकृतियों का उत्पादन करने के लिए नक़्क़ाशी।<ref>{{cite book|title=एमईएमएस सामग्री और प्रक्रिया पुस्तिका|vauthors=Ghodssi R, Lin P|publisher=[[Springer Science+Business Media|Springer]]|year=2011|isbn=9780387473161|place=Berlin}}</ref>

; पॉलिमर: भले ही इलेक्ट्रॉनिक्स उद्योग सिलिकॉन उद्योग के लिए पैमाने की अर्थव्यवस्था प्रदान करता है, क्रिस्टलीय सिलिकॉन अभी भी एक जटिल और अपेक्षाकृत महंगी सामग्री है। दूसरी ओर पॉलिमर को बड़ी मात्रा में भौतिक विशेषताओं की एक बड़ी विविधता के साथ उत्पादित किया जा सकता है। एमईएमएस उपकरणों को पॉलिमर से [[ अंतः क्षेपण ढलाई ]], [[एम्बॉसिंग (निर्माण)]] या [[स्टीरियोलिथोग्राफी]] जैसी प्रक्रियाओं द्वारा बनाया जा सकता है और विशेष रूप से डिस्पोजेबल रक्त परीक्षण कारतूस जैसे [[microfluidic]] अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त हैं।

; [[चीनी मिट्टी]] की चीज़ें: सिलिकॉन, एल्यूमीनियम और टाइटेनियम के साथ-साथ [[ सिलिकन कार्बाइड ]] और अन्य सिरेमिक के [[नाइट्राइड]] भौतिक गुणों के लाभप्रद संयोजनों के कारण एमईएमएस निर्माण में तेजी से लागू होते हैं। [[एल्यूमीनियम नाइट्राइड]] [[वर्टज़ाइट संरचना]] में क्रिस्टलीकृत होता है और इस प्रकार [[pyroelectricity]] और पीज़ोइलेक्ट्रिकिटी गुण दिखाता है जो सेंसर को सक्षम करता है, उदाहरण के लिए, सामान्य और कतरनी बलों की संवेदनशीलता के साथ।<ref name="PC2009">{{cite journal|vauthors=Polster T, Hoffmann M|date=2009|title=Aluminium nitride based 3D, piezoelectric, tactile sensors|journal=Procedia Chemistry|volume=1|issue=1|pages=144–7|doi=10.1016/j.proche.2009.07.036|doi-access=free}}</ref> दूसरी ओर, [[टाइटेनियम नाइट्राइड]], एक उच्च विद्युत चालकता और बड़े [[लोचदार मापांक]] प्रदर्शित करता है, जिससे अल्ट्राथिन बीम के साथ इलेक्ट्रोस्टैटिक एमईएमएस एक्चुएशन योजनाओं को लागू करना संभव हो जाता है। इसके अलावा, बायोकोरोसियन के खिलाफ टीआईएन का उच्च प्रतिरोध बायोजेनिक वातावरण में अनुप्रयोगों के लिए सामग्री को योग्य बनाता है। चित्र एक TiN ग्राउंड प्लेट के ऊपर 50 एनएम पतली मोड़ने योग्य TiN बीम के साथ एक MEMS [[बायोसेंसर]] की इलेक्ट्रॉन-सूक्ष्म तस्वीर दिखाता है। दोनों को एक संधारित्र के विपरीत इलेक्ट्रोड के रूप में संचालित किया जा सकता है, क्योंकि बीम विद्युत रूप से अलग-थलग दीवारों में तय किया गया है। जब किसी तरल पदार्थ को गुहा में निलंबित किया जाता है तो इसकी चिपचिपाहट बीम को ग्राउंड प्लेट पर विद्युत आकर्षण से झुकने और झुकने के वेग को मापने से प्राप्त हो सकती है।<ref name=JAP2013/>

इस उजागर क्षेत्र को तब हटाया जा सकता है या अंतर्निहित सब्सट्रेट के लिए एक मुखौटा प्रदान किया जा सकता है। फोटोलिथोग्राफी का उपयोग आमतौर पर धातु या अन्य पतली फिल्म जमाव, गीली और सूखी नक़्क़ाशी के साथ किया जाता है। कभी-कभी, किसी भी प्रकार की पोस्ट नक़्क़ाशी के बिना संरचना बनाने के लिए फोटोलिथोग्राफी का उपयोग किया जाता है। एक उदाहरण SU8 आधारित लेंस है जहां SU8 आधारित वर्ग ब्लॉक उत्पन्न होते हैं। फिर फोटो[[ प्रतिरोध करना ]] को पिघलाकर एक अर्ध-गोला बनाया जाता है जो लेंस के रूप में कार्य करता है।

[[इलेक्ट्रॉन]] बीम लिथोग्राफी (अक्सर ई-बीम लिथोग्राफी के रूप में संक्षिप्त) एक फिल्म के साथ कवर की गई सतह (प्रतिरोध कहा जाता है) पर पैटर्न वाले फैशन में इलेक्ट्रॉनों के बीम को स्कैन करने का अभ्यास है।<ref name="mccord">{{cite book|title=माइक्रोलिथोग्राफी, माइक्रोमशीनिंग और माइक्रोफैब्रिकेशन की एसपीआईई हैंडबुक|vauthors=McCord MA, Rooks MJ|publisher=[[SPIE]]|year=1997|isbn=9780819497864|veditors=Choudhury PR|volume=1|location=London|chapter=Electron Beam Lithography|doi=10.1117/3.2265070.ch2|chapter-url=http://www.cnf.cornell.edu/cnf_spietoc.html}}</ref> (प्रतिरोध को उजागर करना) और प्रतिरोध (विकास) के उजागर या गैर-उजागर क्षेत्रों को चुनिंदा रूप से हटाना। फोटोलिथोग्राफ़ी की तरह इसका उद्देश्य रेजिस्टेंस में बहुत छोटी संरचनाओं का निर्माण करना है, जिन्हें अक्सर नक़्क़ाशी द्वारा सब्सट्रेट सामग्री में स्थानांतरित किया जा सकता है। यह एकीकृत परिपथों के निर्माण के लिए विकसित किया गया था, और इसका उपयोग नैनोटेक्नोलॉजी आर्किटेक्चर बनाने के लिए भी किया जाता है। इलेक्ट्रॉन बीम लिथोग्राफी का प्राथमिक लाभ यह है कि यह प्रकाश की [[विवर्तन सीमा]] को पार करने और [[नैनोमीटर]] रेंज में विशेषताएं बनाने के तरीकों में से एक है। मुखौटा रहित लिथोग्राफी के इस रूप में फोटोलिथोग्राफी में उपयोग किए जाने वाले [[ photomask ]] बनाने, सेमीकंडक्टर घटकों के कम मात्रा में उत्पादन, और अनुसंधान एवं विकास में व्यापक उपयोग पाया गया है। इलेक्ट्रॉन बीम लिथोग्राफी की प्रमुख सीमा थ्रूपुट है, यानी, पूरे सिलिकॉन वेफर या ग्लास सब्सट्रेट को उजागर करने में बहुत लंबा समय लगता है। एक लंबा एक्सपोजर समय उपयोगकर्ता को बीम बहाव या अस्थिरता के प्रति संवेदनशील बनाता है जो एक्सपोजर के दौरान हो सकता है। इसके अलावा, यदि पैटर्न दूसरी बार नहीं बदला जा रहा है, तो फिर से काम करने या फिर से डिजाइन करने के लिए टर्न-अराउंड समय अनावश्यक रूप से लंबा हो जाता है।

[[हाइड्रोफ्लुओरिक अम्ल]] आमतौर पर सिलिकॉन डाइऑक्साइड के लिए एक जलीय वशीकरण के रूप में प्रयोग किया जाता है ({{chem|SiO|2}}, जिसे SOI के लिए BOX के रूप में भी जाना जाता है), आमतौर पर 49% केंद्रित रूप में, 5:1, 10:1 या 20:1 BOE (बफ़र्ड ऑक्साइड वगैरह) या BHF (बफ़र्ड HF)। वे पहली बार कांच की नक़्क़ाशी के लिए मध्ययुगीन काल में उपयोग किए गए थे। गेट ऑक्साइड को पैटर्न करने के लिए आईसी फैब्रिकेशन में इसका इस्तेमाल किया गया था जब तक कि आरआईई द्वारा प्रक्रिया चरण को बदल नहीं दिया गया। हाइड्रोफ्लोरिक एसिड को [[ साफ कमरा ]] में अधिक खतरनाक एसिड में से एक माना जाता है। संपर्क में आने पर यह त्वचा में प्रवेश कर जाता है और सीधे हड्डी में फैल जाता है। इसलिए, जब तक बहुत देर नहीं हो जाती, तब तक नुकसान महसूस नहीं होता है।

[[क्सीनन difluoride]] ({{chem|XeF|2}}) सिलिकॉन के लिए एक शुष्क वाष्प चरण आइसोट्रोपिक नक़्क़ाशी है जो मूल रूप से 1995 में कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय, लॉस एंजिल्स में एमईएमएस के लिए लागू किया गया था।<ref>{{cite book|title=ऑप्टिकल प्रोसेसिंग और मल्टीमीडिया अनुप्रयोगों के लिए माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक संरचनाएं और माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक डिवाइस|vauthors=Chang FI, Yeh R, Lin G, Chu PB, Hoffman EG, Kruglick EJ, Pister KS, Hecht MH|publisher=[[SPIE]]|year=1995|volume=2641|location=Austin, TX|pages=117|chapter=Gas-phase silicon micromachining with xenon difluoride|doi=10.1117/12.220933|s2cid=39522253|display-authors=3|editor1-last=Bailey|editor1-first=Wayne|editor2-last=Motamedi|editor2-first=M. Edward|editor3-last=Luo|editor3-first=Fang-Chen}}</ref><ref>{{Cite thesis|type=M.S.|title=एमईएमएस के लिए सिलिकॉन की क्सीनन डिफ्लोराइड नक़्क़ाशी|last=Chang|first=Floy I-Jung|publisher=University of California|location=Los Angeles|oclc=34531873|date=1995}}</ref> मुख्य रूप से सिलिकॉन को कम करके धातु और ढांकता हुआ संरचनाओं को जारी करने के लिए उपयोग किया जाता है, {{chem|XeF|2}} में गीले वगैरह के विपरीत [[ stiction ]]-फ़्री रिलीज़ का लाभ है। सिलिकॉन के लिए इसकी नक़्क़ाशी चयनात्मकता बहुत अधिक है, जिससे यह फोटोरेसिस्ट के साथ काम कर सकता है, {{chem|SiO|2}}, सिलिकॉन नाइट्राइड, और मास्किंग के लिए विभिन्न धातुएँ। सिलिकॉन के लिए इसकी प्रतिक्रिया प्लास्मलेस है, विशुद्ध रूप से रासायनिक और सहज है और अक्सर स्पंदित मोड में संचालित होती है। नक़्क़ाशी कार्रवाई के मॉडल उपलब्ध हैं,<ref>{{cite book|title=17th IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems. Maastricht MEMS 2004 Technical Digest|vauthors=Brazzle JD, Dokmeci MR, Mastrangelo CH|publisher=[[Institute of Electrical and Electronics Engineers|IEEE]]|year=2004|isbn=9780780382657|pages=737–740|chapter=Modeling and characterization of sacrificial polysilicon etching using vapor-phase xenon difluoride|doi=10.1109/MEMS.2004.1290690|s2cid=40417914}}</ref> और विश्वविद्यालय प्रयोगशालाएँ और विभिन्न व्यावसायिक उपकरण इस दृष्टिकोण का उपयोग करके समाधान प्रदान करते हैं।