|
Компания Cavendish Kinetics предложила еще один подход к созданию энергонезависимых запоминающих устройств. В основе ее подхода лежат микроэлектронные механические системы с возможностью интеграции в КМОП-процессы. Технология, названная Nanomech, обладает самым низким энергопотреблением среди встраиваемых типов памяти, а по скорости работы сравнима с флэш-памятью. Название Nanomech иллюстрирует ее принцип действия (рисунок 10.4). Запоминающая ячейка представляет собой проводящую (металлическую) пластину - кантиливер (микроэлектромеханический актюатор), закрепленный над контактом. Если между контактным электродом и пластиной создать разность потенциалов, пластина изогнется и коснется контакта, в результате чего электрическое сопротивление упадет практически до нуля. Этот эффект обладает гистерезисом, так как после касания пластинки контакта происходит "залипание" - для разрыва контакта необходима дополнительная энергия. Таким образом, возможно создание памяти типа ПЗУ, в которую что-либо записать можно лишь однажды. Для перезаписи над пластинкой достаточно поставить дополнительный электрод, приложив к которому потенциал можно разомкнуть контакт.
Рис. 10.4 Принцип работы кантилеверного элемента памяти, управляемого разностью потенциалов
Действующие прототипы были созданы по КМОП-технологии с учетом проектных норм 0,35 мкм, однако компания уверяет, что такие ячейки памяти можно создавать при соблюдении проектных норм 45 нм.
К преимуществам нового типа памяти следует отнести и то, что ток в режиме ожидания отсутствует, а для записи требуется затратить механическую энергию величиной всего 25 пкДж. Устройство остается работоспособным даже при температуре 200 град., при этом количество циклов записи-перезаписи может достигать 20 млн.
IBM продемонстрировала накопитель, обеспечивающий плотность записи данных свыше 19,2 Гбайт на 1. Специалисты утверждают, что этот прототип микро-электромеханической системы MEMS способен записать на площади размером с почтовую марку информацию, примерно эквивалентную емкости 25 DVD-дисков. Сотрудники IBM назвали свое устройство Millipede ("многоножка"), потому что у него тысячи очень мелких кремниевых шипов, которые могут "прошивать" рисунок из отдельных битов в тонкой полимерной пленке (рисунок 10.5).
Рис. 10.5 MEMS-память Millipede (технология «многоножка»)
Вообще говоря, технологию "многоножек" предложил несколько лет назад нобелевский лауреат Герд Бинниг, автор сканирующего туннельного микроскопа и сотрудник исследовательского института IBM. Он обратил внимание на способность микроскопа формировать в полимерах ямки наноразмера, наличие которых в определенных точках вещества можно трактовать как единичное значение бита. Бинниг, стараясь приспособить свое открытие к нуждам промышленности, научился одновременно сканировать множество подобных ямок. Таким образом, принцип работы Millipede напоминает всем хорошо известные перфокарты.
Ключевым элементом новой технологии служит массив V-образных кремниевых кронштейнов (cantilever), на конце каждого из которых находится миниатюрная микронная игла. Данные записываются на носители, представляющие собой очень тонкий слой полимерного материала на кремниевой подложке. Наконечник каждого V-образного кронштейна с размещенной на нем иглой одновременно служит зоной повышенного сопротивления. При пропускании через него импульса электрического тока игла разогревается до температуры, превышающей температуру плавления полимера, и "выплавляет" в носителе воронку диаметром около 10 нм. Когда ток прерывается, игла остывает, а полимер затвердевает. Для считывания данных замеряют сопротивление "рабочей части" кронштейна. В этом случае игла также разогревается, но только до меньшей температуры, при которой полимер, используемый в носителе, еще не размягчается. Поверхность носителя сканируется, и при попадании иглы в воронку интенсивность теплоотвода от нее резко увеличивается, температура уменьшается, в результате сопротивление изменяется скачкообразно, за счет чего и фиксируется бит информации.
Возможность многократной записи обеспечивается особенностями вязкоупругих свойств полимерных систем. Дело в том, что в области воронки-бита полимер находится в так называемом метастабильном состоянии, из которого его можно вывести неким внешним воздействием, например, с помощью все того же разогрева до определенной температуры. Выполняется это путем прохода нагретой иглы над воронкой, после чего последняя исчезает, т. е. данные стираются. По заявлению специалистов IBM, на сегодняшний день им удалось достичь долговечности носителя, превышающей 100 тыс. циклов перезаписи.
Управление массивом игольчатых кронштейнов в Millipede осуществляется с помощью электронных цепей с временным мультиплексированием - подобно тому, как это делается в микросхемах DRAM. Перемещение носителя вдоль массива и его точное позиционирование обеспечиваются электромагнитным приводом. IBM утверждает, что Millipede подходит для мобильных устройств: цифровых камер, мобильных телефонов и USB-карт. Однако пока речь идет только о лабораторном образце, а до выхода на рынок Millipede дозреет года через два, не раньше.
В понятие "энергонезависимая память" вклютают также голографическую память, а также MEMS-разработки, выполненные с использованием новых технологий. По оценкам специалистов, рыночные доли типов энергонезависимой памяти, именуемых устройства хранения, выполненные с использованием микротехнологий, могут составить 40% как в секторе обычной памяти, так и в секторе дисковых устройств.
На рисунках 10.5 - 10.9 представлены устройств прмышленного исполнения на основе МЭМС-технологий.
Рисунок 10.6 МEMS – гироскоп и акселерометр
Рисунок 10.7 МEMS-преобразователь абсолютного давления
Таблица10.1 Технические характеристики преобразователя абсолютного давления
Диапазон измеряемых давлений, МПа
0,1
Напряжение питания, В 5 ± 0,1
Номинальный выходной сигнал, мВ
40…130
Нелинейность выходного сигнала, %
<0,2
Начальный разбаланс моста, мВ
<±3
Диапазон рабочих температур, °С –50…+100
Температурный коэффициент чувствительности, %/10°С
меньше 0,15
Температурный дрейф «нуля», %/10°С
меньше 0,2
Габариты, мм
20 x 5 x 5
Рисунок 10.8 Пьезорезистивная инерциальная микросистема для измерения малых ускорений.
Таблица 10.2 Технические характеристики пьезорезистивной инерциальной микросистемы для измерения малых ускорений
Диапазон измерени
ускорений, g
2-1
Размеры кристалла микросистемы, мм
8,0x2,5x0,44
Вес кремниевой инерционной массы, мг
2
Характерные размеры кремниевых балок, мкм
600x20x
0
Чувствительность при напряжении питания 9 В, мВ/g
1,9
Резонансная частота микросистемы, Гц
1200
Рабочий диапа
он частот, Гц
от 0 до 400
Рисунок 10.9 Термоанемометрическая микросистема для контроля состояния газовой среды (стрелка слева указывает на технологическую воздушную полость, а стрелка справа – на чувствительные резистивные элементы на тонких диэлектрических перемычках, толщиной около 1 мкм).
|