Vuoden 1999 Emmy-gaalassa esiteltiin Texas Instrumentsin valmistama tulevaisuuden televisio. Kuvaruutu oli noin 2 x 5 metrin suuruinen, ja sen toiminta perustui mikro-mekaanisiin peilimatriiseihin. Peilimatriisissa on muutaman neliösentin alueella yli miljoona pienen pientä peiliä, joiden asentoa ohjataan sähköisesti. Peilit heijastavat valoa näyttimenä toimivalle valkokankaalle. Kuvan laatu on paljon parempi kuin vanhempaan tekniikkaan perustuvissa nestekideprojektoreissa. Ilman mikromekaniikkaa peilimatriisin peilien valmistus olisi erittäin työlästä, ehkä mahdotonta. Ainakin se tulisi erittäin kalliiksi. Mikromekaniikassa voidaan yhden peilin sijasta valmistaa saman tien ja samalla vaivalla vaikka miljoona peiliä.


TEKSTI:Pekka Seppälä



Vuoden 1999 Emmy-gaalassa esiteltiin Texas Instrumentsin valmistama
tulevaisuuden televisio. Kuvaruutu oli noin 2 x 5 metrin suuruinen, ja sen
toiminta perustui mikro-mekaanisiin peilimatriiseihin.

Peilimatriisissa on muutaman neliösentin alueella yli miljoona pienen
pientä peiliä, joiden asentoa ohjataan sähköisesti. Peilit heijastavat valoa
näyttimenä toimivalle valkokankaalle. Kuvan laatu on paljon parempi kuin
vanhempaan tekniikkaan perustuvissa nestekideprojektoreissa.

Ilman mikromekaniikkaa peilimatriisin peilien valmistus olisi erittäin työlästä,
ehkä mahdotonta. Ainakin se tulisi erittäin kalliiksi. Mikromekaniikassa voidaan
yhden peilin sijasta valmistaa saman tien ja samalla vaivalla vaikka miljoona peiliä.

Julkaistu Tiede-lehdessä

2/2000

Mikrosysteemeistä ovat kymmenessä vuodessa vallanneet jalansijaa monilla aloilla mittaustekniikasta viihde-elektroniikkaan. Kooltaan mikromekaaniset rakenteet ovat yleensä millimetrin tuhannesosia.

Mikromekaniikka on alana vielä nuori, sillä ensimmäiset tätä kokoluokkaa olevat kojeet valmistettiin vasta 1980-luvulla. Panokset ovat suuret, sillä eräiden ennustusten mukaan mikromekaniikka johtaa lähivuosikymmeninä samanlaiseen vallankumoukseen kuin suorittimet ja muut mikropiirit 1970-luvulta lähtien.

Mikromaailma täynnä yllätyksiä

Jos käytössämme olevat makroskooppiset esineet pienennettäisiin miljoonasosaan, ne eivät enää välttämättä käyttäytyisi samoin kuin nyt. Monet asiat muuttuvat esimerkiksi siksi, että tilavuuden suhde pinta-alaan pienenee, kun kappale kutistuu.

Hyvä esimerkki on metrin kanttiinsa oleva kivikuutio. Siinä on kuusi neliömetrin kokoista sivua, eli sen pinta-ala on 6 neliömetriä.





Miten pientä?

Mikromekaanisten rakenteiden pienimmät yksityis-kohdat, esimerkiksi jonkin neulan kärki, ovat millimetrin tuhan-nesosan eli yhden mikrometrin kokoisia. Kovin paljon tämän pienempää ei valmistuksessa käytettävällä, valoon perus-tuvalla fotolito-grafialla saada aikaan, sillä alarajan asettaa valon aallonpituus.

Bakteerit ovat mikromekaniikkaan suhteutettuna keski-kokoisia olioita, sillä esimerkiksi tavallisen Escherichia coli-bakteerin läpimitta on noin 1 mikro-metri. Ihmisen punasolu on läpimitaltaan hieman isompi, noin 8 mikrometriä.

  50-120 mikrometriä; se vaihtelee yksilöstä toiseen. Se on siten samaa luokkaa kuin Tiede 2000:n yhden sivun paksuus, 70 mikrometriä eli 0,07 mm.

Sadan mikrometrin eli 0,1 millimetrin kohdalla tullaan jo sille rajalle, kuinka tarkasti ihminen voi ilman apuvälineitä nähdä. Tämä teksti päättyy pisteeseen, jonka läpimitta on lähes 0,4 millimetriä.


 


Toimivat osat millin tuhannesosia

Mikromekaniikka voidaan määritellä sen mukaan, minkä kokoisia tuotteita valmistetaan tai minkä kokoisia ovat tuotteen pienimmät toimivat osaset. Yläpäässä rajana on periaatteessa vain piikiekon koko: kiekon läpimitta on nykyisin 10-20 senttiä. Mikromekaaniset rakenteet voivat siis jossain suunnassa olla jopa senttimetrien kokoisia, mutta ne luetaan mikrosysteemeihin, jos jokin niiden toimivista yksityiskohdista on mikrometrin eli millimetrin tuhannesosan luokkaa.

Mikrosysteemi on liikkuvia osia sisältävä koje, joka on kooltaan yleensä suurempi kuin millimetrin tuhannesosa mutta pienempi kuin postimerkki. Sitä voidaan käyttö-tarkoituksen mukaan kutsua myös mikrokojeeksi tai mikromekaaniseksi rakenteeksi. Koska kieli kuitenkin kehittyy usein arvaamattomasti, saattaa olla, että tule-vaisuudessa puhutaan lilliputtikoneista tai vaikkapa kääpiökojeista.

MEMS tarkoittaa mikroelektromekaanista rakennetta, jossa on mekaanisten osien lisäksi myös elektroniikkaa.

Kun mikrotekniikasta siirrytään vielä pienempiin rakenteisiin, puhutaankin jo nanotekniikasta, jossa ainetta käsitellään atomi- ja molekyylitasolla.

Mikro ja nano ovat luonnontieteen mittayksiköissä käytet-täviä etuliitteitä, joista mikro tarkoittaa miljoonasosaa ja nano miljardisosaa. Kreikan kielen mikros merkitsee pientä ja nanos kääpiötä.

Jos kivi sahataan millimetrin kokoisiksi pikkukuutioiksi, sen tilavuus pysyy edelleen samana. Pinta-ala sen sijaan kasvaa huimasti: yhden pikkukuution pinta-ala on 6 neliömillimetriä, mutta koska näitä kuutioita tulee 1 000 x 1 000 x 1 000 eli miljardi kappaletta, koko pinta-ala on kasvanut 6 000 neliömetriin.

  pysyminen liikkeessä ei ole sen takia itsestään selvää. Toisaalta pieni massa mahdollistaa nopeat ja herkkäliikkeiset rakenteet, mikäli kitkavoimat eivät nouse esteeksi.

Myös muun muassa sähköstaattinen vetovoima ja ilmanvastus vaikuttavat mikromekaniikassa eri tavalla kuin makromaailman kapineissa. Esimerkiksi pinnoille tiivistyvä ilman kosteus saattaa liimata rakenteet toisiinsa, sillä mikromaailmassa nesteen adheesiovoimat ovat murskaavan voimakkaita.

Ilmassa leijailevat pölyhiukkaset ovat mikrokojeiden kokoluokkaa ja saattavat estää niiden toiminnan. Tämän takia mikrokojeet valmistetaan pölyttömässä puhdastilassa ja suojataan koteloimalla ne mahdollisimman hyvin.

Valmistuksessa tuttua tekniikkaa

Mikrosysteemit valmistetaan samaan tapaan kuin muun muassa tietokoneissa käytettävät mikropiirit. Mikropiireissä pii on ylivoimaisesti yleisin materiaali. Mikromekaniikassa pii ei ole vakiinnuttanut asemaansa aivan yhtä tukevasti, koska sovellukset ovat monimuotoisempia kuin perinnäisessä piitekniikassa. Mikromekaniikassa käytetään piin lisäksi myös muita puolijohteita, kuten galliumarseenia ja indiumfosfidia, samoin polymeereja ja metalleja.

Mikromekaanisten rakenteiden valmistuksessa hyödynnetään lähes poikkeuksetta mikro-piireihin jo pitkään käytettyä planaariproses-sointia, jossa osat valmistetaan puoli milliä paksun piikiekon pinnalle peräkkäisillä ohutkal-von kasvatus- ja syövytysvaiheilla. Ohutkalvon kasvatuksella kiekon pintaan lisätään uusia materiaali-kerroksia. Rakenteen osat kuvioi-daan kerroksiin fotolitografialla, joka muistuttaa valokuvan kehittämistä. Ylimääräinen materiaali poistetaan halutuista kohdista syövyttämällä.

Kaikki kiekon pinnalle suunnitellut sadat erilliset osat valmistuvat yhdellä kertaa, joten planaari-prosessi on kuin luotu massatuotantoon.

Sähkö ohjaa liikkeitä




Pieni on kaunista raketeissakin

Mikromekaniikan menetelmin valmistetaan myös raketti-moottoreita, joiden ei siis aina tarvitse olla tv-uutisten esittämiä jyliseviä jättiläisiä.

Massachusettsin teknisessä korkeakoulussa MIT:ssä väitöskirjaansa valmisteleva Adam London aikoo kokeilla muutaman millin kokoista rakettimoottoriaan ehkä jo lähikuukausina, kertoo Scientific American -lehti joulukuun numerossaan.

Londonin rakettimoottori on aivan saman näköinen kuin nykyajan suuret rakettimoottorit, mutta se on valmistettu piikerroksista samalla tekniikalla kuin tietokoneiden mikropiirit.

Polttoaineena käytetään happea ja metanolia. Moottoria jäähdytetään etanolilla - ja jäähdytys onkin ollut raken-teen pahin pullonkaula, koska pii ei kestä kovin korkeaa lämpötilaa.

Postimerkin kokoinen ja vain kolme milliä paksu raketti-moottori tuottaa noin 15 newtonin työntövoiman. Se jaksaisi leijuttaa 1,5 kilon painoa ilmassa.

MIT:ssä on kehitteillä myös mikromekaanisesti valmis-tettava kaasuturbiini, joka pyörittää pikkuriikkistä sähkögeneraattoria. Tässä Alan Epsteinin hankkeessa pikkuriikkinen on tulkittava kirjaimellisesti: turbiini ja generaattori olisivat läpimitaltaan vain muutamia millejä.

Epsteinin laskelmien mikromekaanisesta generaattorista saataisiin sähköä 30 kertaa tehokkaammin kuin yhtä pienistä paristoista tai akuista. Siksi tällaisilla mikromyllyillä voisi olla käyttöä esimerkiksi avaruus-luotainten energian-lähteinä.


Miten liikutetaan rakenteita, jotka ovat liian pieniä tai liian hauraita esimerkiksi käsin kosketeltaviksi? Yhtä vaikeaa on havaita millimetrin tuhannesosan liikahdus rakenteessa, jota ei paljain silmin pysty edes näkemään.

Usein käytetty ratkaisu on ohjata liikkeitä sähköisesti, jolloin kyseessä on MEMS-komponentti eli mikroelektromekaaninen systeemi. Osat ovat niin kevyitä ja etäisyydet niin lyhyitä, että rakenteen liikuttelu sähkökentillä on taloudellista.

Liikuteltavat mikrorakenteet voivat olla vaikkapa pieniä sähkömoottoreita, mikropinsettejä tai mikropeilejä.

Hyvin pienistä liikuteltavista rakenteista voidaan koota esimerkiksi minikokoinen laboratorio piikiekon pinnalle. Silloin tutkittavat näytteet saavat olla häviävän pieniä. Tällaisia rakenteita tarvitaan myös edellä kuvatun mikropeilimatriisin kokoamisessa.

Mikromekaanisin keinoin valmistetaan myös äärimmäisen pieniä antureita, jotka mittaavat esimerkiksi lämpötilaa tai kiihtyvyttä ja muuttavat mittaustuloksen sähkösignaaliksi.

Useimmat kaupalliset MEMS-laitteet


ovatkin nimenomaan antureita. Niitä käytetään esimer-kiksi autojen turvatyynykytkimissä: törmäyksen aiheuttama äkillinen no-peudenmuutos saa kytkimen liikkuvan osan heilahtamaan niin paljon, että virtapiiri sulkeutuu ja laukaisee tyynyn pulleaksi.

Mikromekaanisten antureiden menestykseen on monta syytä. Yksi ilmiselvä etu on tuotantotekniikka, jolla voidaan valmistaa samaa tuotetta paljon ja edullisesti. Myös pieni koko on mikroantureiden etuna: mikromekaaninen paineanturi saadaan mahtumaan vaikka verisuonen sisään mittaamaan verenpainetta.

Monissa sovelluksissa pieni koko myös parantaa anturin suorituskykyä. Esimerkiksi mikromekaaninen lämpötila-anturi lämpenee tai jäähtyy nopeasti.





Tutkitaan Suomessa

Mikromekaniikkaa tutkitaan Suomessa mm. Valtion teknillisessä tutkimuskeskuksessa ja Teknillisessä korkeakoulussa. Mikromekaanisia kojeita valmistavat mm. Vaisala (säähavainto-laitteet) ja VTI Hamlin (autoteollisuus). Okmetic on maailman johtava mikromekaniikan piikiek-kojen valmistaja.

Monta kojetta samaan siruun

Nykyiset mikromekaaniset rakenteet ovat vielä yksinkertaisia verrattuina järjestelmiin, joita tulevaisuus melko varmasti tuo tullessaan. Samalle sirulle on tarkoitus koota erityyppisiä mikrokojeita. Sirulle voitaisiin rakentaa minilaboratorio, jota käytettäisiin esimerkiksi kertakäyttöisenä dna-testinä.

Tällaisella sirulla on mikrofluidistiikkaa äärimmäisten pienten nestemäärien käsittelyyn, tarvittavat anturit analyysin tekemiseen ja koko järjestelmää ohjaava elektroniikka.

Minilaboratoriosta ei välttämättä tulisi yhtä halpaa kuin injektioneulat ovat, mutta sen käyttö olisi nopeampaa ja halvempaa kuin näytteiden tutkiminen laboratoriossa.

Jo toteutunut esimerkki tämänkaltaisesta laitteistosta on VTT Elektroniikan valmistama MASTO-spektrometri. Siinä on infrapunalähde, Fabry-Perot-suodatin ja infrapunailmaisin, kaikki samassa kotelossa. Se on tämäntyyppisistä spektrometreistä ensimmäinen, joka on kokonaan valmistettu piille. Spektrometrin pienuus on eduksi esimerkiksi säähavaintopallossa, joka mittaa ilmakehän kaasukoostumusta.

Antureiden pienentämisellä pyritään kustannussäästöihin ja parempaan suorituskykyyn. Koon pienentyessä materiaalia säästyy ja energiankulutus pienenee.

Mikromekaniikkaa voidaan siis pitää ympäristöä säästävänä tekniikkana. Säästöihin päästään jopa suorituskyvystä tinkimättä.

Yksi lähtökohta mikromekaanisten rakenteiden suunnittelussa on miniatyrisoida nyt jo tunteamiamme makroskooppisia esineitä ja saada ne toimimaan jollain tavoin edullisemmin tai tehokkaammin. Toinen vaihtoehto on lähteä liikkeelle puhtaalta pöydältä ja valmistaa täysin uudentyyppinen systeemi, jolle ei ole vastinetta makromaailmassamme.

Pekka Seppälä on tutkijana VTT Elektroniikan mikrosysteemeitä kehittävässä ryhmässä.