АНАЛИТИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МИКРОСИСТЕМЫОдним из перспективных направлений создания и использования микросистем является разработка аналитико-технологических микросистем, оперирующих со сверхмалыми объемами и количествами вещества, что позволяет повысить эффективность реализации процессов по энергетическим и временным параметрам, обеспечивает возможность работы с вредными и токсичными веществами, упрощает утилизацию отходов. Все это создает предпосылки к высокой экономической эффективности таких систем. Для аналитико-технологических микросистем нового поколения характерны: блочно-модульная унификация технологических и контрольно-диагностических подсистем; полифункциональность и гибкость, определяющие многономенклатурность продукции и многообразие решаемых классов задач в условиях различных потребителей (химия, биотехнология, медицина, приборостроение, машиностроение); интегрированность аналитических и технологических модулей в пределах одного рабочего места, определяющая возможность как разделения, так и концентрации различных видов воздействий в рабочей зоне; интеллектуальность микрооборудования, определяемая развитой системой контрольно-диагностических модулей и гибкой связью между аналитическими и технологическими модулями и подсистемами информационного и энергетического обеспечения; локальность и прецизионность воздействия, что позволяет работать со сверхмалыми объемами и количеством веществ, уменьшить энергетические затраты, повысить эффективность и скорость протекания процесса; экологичность, определяемая возможностью работы со сверхмалыми количествами вредных и токсичных веществ и простотой утилизации отходов; экономичность, определяемая групповыми принципами производства, используемыми при создании технологических микросистем, их низкой материало- и энергоемкостью, а также высокой эффективностью применения микротехнологических систем при работе со сверхмалыми количествами веществ. Аналитико-технологические микросистемы являются новым видом оборудования для работы со сверхмалыми количествами веществ неорганической и органической природы с высокой степенью локализации воздействий, дифференциацией и интеграцией физико-химических процессов в условиях микрообъемов и магистралей, создаваемых методами микротехнологии твердого тела. В состав интегрированной кластерной технологической микросистемы ("роботизированного" технологического чипа) входят: технологические модули; контрольно-диагностические модули; модули хранения и утилизации; транспортные магистрали; подсистемы энергообеспечения; информационно-управляющие подсистемы. Основными признаками кластерной микросистемы являются: номенклатура и характеристики технологических модулей; номенклатура и характеристики контрольно-диагностических модулей; номенклатура и характеристики транспортных магистралей; количество рабочих позиций и возможность их наращивания (открытость); структурно-компоновочные схемы и способ агрегатирования; взаимно-пространственное расположение модулей (линейное, радиальное, смешанная компоновка) и способ обеспечения межмодульных связей; принцип функционирования (последовательный, параллельный, параллельно-последовательный). Магистрально-модульная система построения кластерного комплекса, унификация конструкции технологических, контрольно-диагностических модулей и транспортных магистралей, а также их дублирование и возможность внесения изменений в топологические связи между модулями на этапе проектирования (за счет замены ограниченного числа шаблонов при проведении литографических операций) без радикального изменения технологии предопределяют внутреннюю гибкость кластерной аналитико-технологической микросистемы, что обеспечивает ее полифункциональность.ТермомикрореакторКак отмечалось выше, миниатюрные аналитико-технологические системы представляют собой новый класс приборов для проведения исследований в микрообъемах с использованием сверхмалых количеств веществ. Например, ДНК анализ стал важным методом современной медицины для идентификации личности, выявления скрытых инфекций. Часто в этих случаях количество анализируемого вещества достаточно мало, что делает прямое определение невозможным. Поэтому для увеличения анализируемой последовательности нуклеиновых кислот микроаналитический чип оборудуется реактором с управляемыми нагревом и охлаждением для проведения полимеразной цепной реакции (ПЦР). Процесс ПЦР включает в себя ряд циклов нагрева (25-30). Каждый цикл увеличивает число ДНК в 2 раза. В результате проведения процесса термоциклирования единичная ДНК молекула может быть скопирована большое число раз для получения числа молекул, достаточного для легкого детектирования. Одна из возможных конструкций реактора представлена на рис.1. Наличие тонких пленок нитрида кремния дает возможность получения камер с прозрачными мембранами для оптического анализа продуктов реакции. Рис.1Для эффективного и быстрого переноса теплоты желательно иметь систему с низкой тепловой емкостью, которая обеспечивает быстрый нагрев и охлаждение жидкости. Миниатюризация приводит к тому, что термическая масса блока нагрева уменьшается. Реакционная камера подвешена на четырех брусках и таким образом термически изолирована от субстрата. Камера с находящейся в ней жидкостью может быть достаточно быстро нагрета с помощью микронагревателей, расположенных непосредственно под стенками камеры. Во время стадии охлаждения теплота передается из камеры к корпусу чипа, который имеет постоянную низкую температуру.МИКРОИНСТРУМЕНТМикроинструмент представляет собой комплекс сменных технологических микромодулей для выполнения различного рода операций с высокой локальностью воздействий. Комплекс состоит из микроустройств (рис.2), обеспечивающих на микроуровнях захват, подачу и отсос, нагрев, препарирование, стимуляцию и сверхлокальную (вплоть до наноуровня) диагностику. Это позволяет осуществлять операции дозирования, присоединения, удаления, модифицирования, измерения. Рис.2Фактически минимальная достаточность комплекта сменного микротехнологического инструмента, устанавливаемого в прецизионный микроманипулятор, определяется исходя из возможности локального проведения трех основных видов микроопераций: нанесения, удаления и модификации вещества. Для отдельных операций и специфических процессов возможно изменение базовых технологических микромодулей, оснащение их встроенными средствами контроля. Базовый комплект микротехнологического инструмента способствует развитию индивидуальных микроопераций и микроманипулирования с объектами органической и неорганической природы, а также обеспечивает требуемую гибкость в работе технологических кластерных микросистем. Обобщая представленную информацию о микросистемах, предназначенных для реализации технологических и аналитических операций на микроуровне в микрообъемах с использованием сверхмалых количеств рабочих веществ, отметим, что микросистемы технологического назначения являются одним из наиболее перспективных и "масштабных" направлений технологий, машин и производств будущего, ориентированных на "тонкие" и "точные" наукоемкие процессы, определяющие научно-технический потенциал и обороноспособность государства. Создание нового поколения аналитико-технологических микросистем и микроинструмента, предназначенных для работы на микроуровне с объектами неорганической и органической природы предусматривает: разработку новых принципов организации и функционирования аналитико-технологических микросистем с учетом возможности модификации конструкции и технологии их создания с целью обеспечения гибкости в отношении номенклатуры решаемых задач, т.е. гармонизации конструкторско-технологического единообразия и многофункциональности системы; освоение новых принципов конструирования технологических микросистем и микроинструмента с учетом эффектов масштабирования, определяемых миниатюризацией технологических и диагностических модулей, необходимостью прецизионного манипулирования микрообъектами, а также реализацией процессов в сверхмалых объемах с использованием ограниченных количеств веществ; широкое использование принципов и элементной базы микроэлектромеханики и микрооптики при создании аналитико-технологических микросистем и микроинструмента с учетом особенности интеграции в ограниченных объемах исполнительных и чувствительных элементов с электрическими, оптическими, механическими и магнитными связями; широкое использование классических конструктивных решений, применяемых при создании традиционных микрорадиоэлектронных компонентов, в конструкциях технологических, контрольно-диагностических модулей и особенно при конструировании подсистем информационного и энергетического обеспечения; освоение новой номенклатуры материалов с повышенной устойчивостью к внешним воздействиям при создании технологических микросистем и микроинструмента, работающих в условиях высокой пространственной и временной концентрации энергии при непосредственном контакте с рабочей средой, в том числе химически активной; модернизацию и адаптацию оборудования и основных процессов (преимущественно корпускулярных) классической технологии изделий микроэлектроники к решению задач создания аналитико-технологических микросистем и микроинструмента.^ Микронагревательный инструментМикронагрев в локальных объемах и поддержание постоянства температуры, в том числе высокой температуры, в условиях воздушной среды определяют необходимость разработки и создания высокоэффективных микроструктур, интегрирующих малогабаритный источник теплоты – нагреватель и средства измерения температуры – температурный сенсор. Применение таких технологических микросистем в области медицины является весьма актуальным, так как одной из основных проблем хирургического вмешательства до сих пор остается обильное кровотечение в месте проведения разреза. Существующие лазерные и электрохирургические установки для коагуляции обладают целым рядом недостатков, которые сдерживают их внедрение. Многие хирургические задачи, такие как стерилизация, коагуляция, деструкция, могут быть успешно решены применением локального воздействия высокой температуры. Задача управления процессом коагуляции заключается, в первую очередь, в поддержании температуры лезвия в заданных пределах независимо от таких условий, как глубина погружения лезвия в ткань, скорость движения лезвия, параметры ткани. Температурный диапазон коагуляции для различных видов ткани находится в пределах 55...70°С. Математическое моделирование и расчеты показали, что для обеспечения равномерности нагрева лезвия или создания требуемой картины теплового поля следует применять две или три секции микронагревателей, расположенных вдоль режущей кромки (рис.3). На рис.4 приведен профиль распределения температуры по длине лезвия, полученный математическим моделированием процессов теплопередачи. Согласно тем же расчетам, максимальная необходимая для коагуляции мощность составляет 30 Вт. Время реакции системы на изменение условий охлаждения составляет не более 0,2 с. В предложенной конструкции датчики температуры и нагреватели выполнены раздельно, так как высокая сила питающих токов нагревателей не позволяет использовать их в качестве датчиков температуры из-за большого уровня шумов и значительного падения напряжения на металлизации и контактных площадках. Напряжение питания скальпеля составляет 10...12 В, что позволяет применить автономный источник питания и обеспечивает электробезопасность в работе. Рис.3 Рис.4Сигнал с датчиков температуры сравнивается с опорным сигналом, вырабатываемым микропроцессором в зависимости от требуемой температуры лезвия. Для повышения КПД работы схемы управление нагревателями осуществляется в ключевом режиме. Роль электронных ключей выполняют мощные МДП транзисторы. Перспективность использования сапфира и карбида кремния в хирургии в первую очередь определяется их высокими механическими свойствами и биологической инертностью. Таким образом, данная разработка позволит осуществлять проведение уникальных хирургических операций с минимальными потерями крови и ускоренным заживлением операционных ран в результате протекания процессов коагуляции на лезвии режущего инструмента. Использование такого скальпеля особенно актуально при проведении неотложных операций в полевых условиях.Контрольные вопросы1. Характеристики аналитико-технологических микросистем нового поколения. 2. Состав интегрированной кластерной технологической микросистемы. 3. Термомикрореактор. 4. Микроинструмент. 5. Микронагревательный инструмент.