Είσοδος

Μικροσυστήματα και Νανοτεχνολογία

Γενικά στοιχεία

 

 
Περιγραφή

Ενα οποιοδήποτε σύστημα ελέγχου μπορούμε να το φαντασθούμε οτι αποτελείται απο τρια κύρια μέρη (υποσυστήματα). Ενα  υποσύστημα με σκοπό την συλλογή πληροφορίας απο το περιβάλλον, ένα υποσύστημα επεξεργασίας της πληροφορίας ώστε να λαμβάνεται η βέλτιστη απόφαση και τέλος ένα υποσύστημα εκτέλεσης της απόφασης. Το τρίπτυχο αυτό μπορούμε να το συνοψίσουμε σε ένα σύστημα αισθητήρα-επεξεργαστή-ενεργοποιητή.  Συστήματα σαν αυτά σε μεγάλη κλίμακα μεγέθους υπάρχουν και λειτουργούν ηδη κυρίως στους βιομηχανικούς αυτοματισμούς. Η ιδιαιτερότητα του τομέα των μικροσυστημάτων είναι η κατασκευή των παραπάνω λειτουργιών σε πολύ μικρή κλίμακα μεγέθους της τάξης των μερικών χιλιοστών του μέτρου και η διάδοσή τους σε ένα όλο και μεγαλύτερο φάσμα δραστηριοτήτων του ανθρώπου.

Η ανάπτυξη της τεχνολογίας των ημιαγωγών και ιδιαίτερα της τεχνολογίας του πυριτίου αρχής γενομένης απο την δεκαετία του 1960, είχε θεαματικά αποτελέσματα στην ταχύτητα επεξεργασίας πληροφορίας καθώς και στην αύξηση της πυκνότητας της αποθηκευόμενης πληροφορίας (μνήμης). Οι ουσιαστκώτεροι τεχνολογικοί λόγοι που οδήγησαν στα παραπάνω αποτελέσματα είναι αφενός η μείωση των διατάσεων των ηλεκτρονικών διατάξεων καθώς και η αύξηση της πυκνότητας τοποθέτησής τους στην επιφάνεια ενός δισκίου πυριτίου. Και βέβαια όλα τα παραπάνω επιτεύγματα με παράλληλη μείωση του κόστους ανά ηλεκτρονική διάταξη.  Το πλέον χειροπιαστό παράδειγμα των παραπάνω επιτευγμάτων είναι οι σημερινοί προσωπικοί υπολογιστές οι οποίοι χωρίς να κοστίζουν παρά ένα μικρό κλάσμα της τιμής των υπολογιστικών συστμάτων της δεκαετίας του ’80 είναι δυνατόν να επεξεργάζονται σε μικρότερο χρόνο πολύ πιο σύνθετα προβλήματα. Παρόλο λοιπόν οτι το κόστος επεξεργασίας της πληροφορίας έπεσε δραματικά δεν συνέβη το ίδιο για τους αισθητήρες και βέβαια τους ενεργοποιητές. Απο τα μέσα λοιπόν της δεκαετίας του '80 ξεκίνησε μια διεθνής προσπάθεια μείωσης του κόστους κατ αρχήν των αισθητήρων. Για καλή συγκυρία το πυρίτιο το οποίο είχε ήδη καταλάβει το 99% της παγκόσμιας αγοράς ημιαγωγών απεδείχθη ότι εκτός απο κατάλληλες ηλεκτρονικές ιδιότητες διαθέτει και πολύ καλές μηχανικές ιδότητες που είναι απαραίτητες στην κατασκευή διατάξεων αισθητήρων και ενεργοποιητών.Οδηγούμαστε λοιπόν σταδιακά στην κατασκευή συστημάτων πολύ μικρών διατάσεων τα οποία συνδυάζοντας ηλεκτρονικές και μηχανικές (η χημικές) λειτουργίες αποτελούν τα συστήματα ελέγχου που προαναφέραμε. Τα συστήματα αυτά αναφέρονται στην βιβλιογραφία ως μικροσυστήματα (microsystems) ή μικρο-ηλεκτρο-μηχανικά συστήματα (microelectromechanical systems ή MEMS) ή μικρομηχανές  (micromachines).

Ενα φυσικό αντικείμενο ανήκει στην σφαίρα της  νανοτεχνολογίας όταν μία απο τις τρείς διαστάσεις του είναι μικρότερη απο τα 100 nm. Με τον ορισμό αυτό η νανοηλεκτρονική αποτελεί μέρος της νανοτεχνολογίας. Πέραν όμως αυτού η νανοτεχνολογία στοχεύει στην ανάπτυξη νέων 'αντικειμένων' διαφόρων σχημάτων (π.χ. νανοσωματίδια, νανονήματα, διδιάστατα υλικά) τα οποία παρουσιάζουν πλεονεκτήματα λόγω της μεγάλης σχέσης επιφάνειας προς όγκο για χρήση π.χ σε αισθητήρες. Οι νανοδιαστάσεις επιτρέπουν επίσης την εμφάνιση κβαντικών φαινομένων και την κατάλληλη χρησιμοποιήσή τους.

 

Σκοπός του μαθήματος είναι να περιγραψει την φυσική των τεχνολογικών διαδικασιών κατασκευής μικροσυστημάτων (οι οποίες εν πολλοίς είναι αυτές της διαδικασίας κατασκευής των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων) και στην συνέχεια να παρουσιάσει πως αυτές εφαρμόζονται για την ανάπτυξη μικροαισθητήρων. Η νανοτεχνολογία στοχεύει σε τεχνικές ανάπτυξης φυσικών αντικειμένων νανοσκοπικού μεγέθους που μπορούν να αποτελούν μέρος των μικροαισθητήρων προσδίδοντάς τους μεγαλύτερη ευαισθησία.

 

Course Outline

Microsystems and nanosystems: Definitions and examples. Relationship between microelectronic, micro-optical and micro-electro-mechanical technology. Basic microelectronic technology processes and modeling: Thermal oxidation, dopant diffusion, ion implantation, physical and chemical deposition, lithography, etching. Examples of microelectronic device fabrication.

Special processes for micromechanics and microsensor fabrication. Surface and bulk micromachining. Physical principles of sensors operation. Examples on fabrication and operation of physical and biochemical microsensors. Lab-on-chip.

From microtechnology to nanotechnology: Methods of fabrication at the nanoscale. Top-down and bottom-up nanofabrication. Fabrication and quantum properties of nanoparticles and nanowires and their application in sensors.

 

Βιβλιογραφία

J.W. Gardner: «Μικροαισθητήρες - Αρχές και εφαρμογές»

 



Συγχρηματοδότηση
από την Ε.Ε.