Зубоврачеванию появление микротехнологий таких как компактные компьютеры возможность
Новые методы микроскопии, например, визуализация живых клеток, слайд-сканирование, высококонтрастный скрининг и трехмерная электронная микроскопия генерируют огромные объемы данных.
Для их обработки, зачастую в real-time режиме, нужны специфические системы, которые поддерживают автоматизацию на всех уровнях работы. В продолжении рассказываем о том, как микроскопы стали умными и избавили человека от рутинных задач — и не только в медицине. Данные предоставил CEO Celly.AI Ансар Жалялов.
Как все начиналось
В начале XVII века Галилео Галилей, манипулируя выпуклой и вогнутой линзами, заметил, что в телескоп можно рассматривать в увеличенном виде не только удаленные, но и близкие объекты небольшого размера. Уже в 1620 году Корнелиус Дреббель изобрел первый составной микроскоп. Спустя полвека — в 1670-х годах — Антони ван Левенгук начал экспериментировать с однообъективными микроскопами с очень большим увеличением, причем конструировал он их сам. Главным элементом в его микроскопах были особенным образом отполированные линзы.
Спустя более чем три века микроскопия стала обширной областью, применяемой во многих направлениях: от промышленности до медицины. В наше время микроскопы становятся все более “умными”, это уже не просто оптическая, а компьютерно-оптическая система. Рост автоматизации, смена парадигмы на Индустрию 4.0 сыграли важную роль в трансформации устройства микроскопов: производители оборудования, чтобы сохранить за собой конкурентное преимущество, вынуждены быстро внедрять инновации с использованием все более интеллектуальных систем.
Почему микроскопы важны в промышленности и как их сделать умными
Цифровые микроскопы, разработанные еще в середине 1980-х годов, сегодня по-прежнему популярны для медицинских исследовани. Также их используют для общего контроля и обеспечения качества продукции на промышленных линиях. Цифровая микроскопия уже превратила оптические микроскопы в цифровые-системы, которые поддерживают широкий спектр функций: от совместного использования изображений до их анализа и измерения объектов.
Возможности разных цифровых оптических систем зависит от отрасли, где их планируют использовать. Так производитель цифровых систем контроля сверхвысокой четкости INSPECTIS внедрил в свои микроскопы запись видео в качестве 4K. Возможность отслеживать весь процесс наблюдения и записывать его, в том числе, для того, чтобы обеспечить безопасность, востребовано в фармпромышленности и в сфере разработки медицинских технологий.
Еще одно типичное применение цифровых микроскопов, но уже в электронном бизнесе, — автоматизированный оптический контроль качества печатной платы — AOI. Если AOI обнаруживает неисправность, система также выявляет и причину произошедшего. Но несмотря на это, мнение оператора все равно потребуется: только человек пока что способен понять, связана ли неисправность в плате с неправильным температурным режимом или некачественным процессом пайки. ИИ здесь выполняет роль помощника.
Микроскопы, позволяющие реконструировать поверхности и определять недочеты
Появившиеся в 80-х годах трехмерные оптические микроскопы, в том числе профилометры для измерения микрошероховатостей на прецизионных поверхностях, продолжают развиваться и сейчас. Bruker, производитель научных инструментов, является одним из лидеров отрасли в этой области: в 2018 году компания приобрела Alicona, поставщика оптических метрологических решений.
Именно Alicona разработала новую технологию для трехмерных оптических микроскопов. Речь идет о вариации фокуса, которая позволяет вычислить изображение повышенной резкости и измеряет глубину неровностей с помощью оптики с очень ограниченной глубиной резкости. Так, оптический профилограф Contour LS-K 3D дает возможность получать изображения с высоким разрешением, предоставляя исследователю поддающиеся количественной оценке данные.
Это важно для OEM-производителей, которым требуются измерения с более высокой частотой кадров и более высокая пропускная способность для повышения точности и контроля качества. Здесь вступают в игру автоматизация и самонастраивающиеся системы, в которые встроены самоадаптирующиеся алгоритмы. Система выполняет измерения на поверхности, а затем на основе имеющихся у нее критериев для анализа частот и амплитуд решает, какой алгоритм лучше всего использовать для воссоздания топографии поверхности.
Инженеры заставляют менять подход к микроскопии
Умное управление данными стало частью микроскопии — в этом направлении развиваются такие компании, как ZEISS. Производитель повышает интеллектуальность систем промышленных микроскопов, чтобы получать наилучшие результаты вне зависимости от человеческого фактора, т.е. оператора. Это необходимо для современного обеспечения контроля качества там, где производительность и надежность данных являются ключевым. В ZEISS тоже уверены, что место оператора умные алгоритмы пока не займут. Вместо этого люди начнут более гибко использовать автоматизированные системы.
Диджитал-микроскопист: что делают умные системы в медицине
Машинное обучение, которое сегодня производители микроскопов используют для сегментации изображений, находит применение не только в промышленности — анализ отказов и контроль качества. Используются эти технологии и в медицине, где они уже стали важной частью автоматизации обработки лабораторных анализов, создания массивов данных и освобождения медперсонала от рутинных процессов.
В задачи современного микроскописта входит не только подсчет тех или иных клеток на взятой у пациента пробе, но и целый спектр вопросов, требующих внимательности и усидчивости. В первую очередь это правильное определение типов клеток, предварительная интерпретация результатов и передача данных медицинскому специалисту, в чьи компетенции уже входит постановка диагноза и дальнейшее лечение пациента.
Умная технология от Celly.AI, в основе которой лежит компьютерное зрение и машинное обучение, решает эти задачи. За врачом остается только контроль и решение неординарных задач, связанных с аномалиями. Дело в том, что обучить ИИ-системы для выявления всех аномалий пока сложно. Тем не менее, сделать это все же можно — алгоритм просто добавит необычный случай в свой датасет для обучения и будет в дальнейшем учитывать этот кейс. Разметку первичных данных проводит как раз медик-человек.
С помощью анализа изображений с применением сверточных нейронных сетей система автоматически определяет типы клеток ткани, их количество и фактически выполняет за микроскописта все его повседневные задачи. Чтобы упростить внедрение инноваций в такую консервативную отрасль, как медицина, компания предложила достаточно элегантное решение - к окуляру микроскопа, при помощи линзы-адаптера, подключается iPhone. iOS приложение, при помощи нейросетей анализирует картину мазка в режиме реального времени. Результаты исследования автоматически загружаются в облачный сервис, что позволяет моментально поделиться данными с коллегами, запросить их консультацию и обеспечить доступность медицинских услуг для удаленных географических локаций.
Рис.1. Принцип работы Celly.AI - iOS приложение анализирует нейросетью видеопоток на самом устройстве. Врач лишь подтверждает результат на веб портале.
Есть и другие полезные разработки в этой сфере. Так, исследователи из Японии разработали автоматизированную компьютерную программу, которая может точно и воспроизводимо подсчитывать количество микроядер клеток тканей на окрашенных изображениях. Микроядра — это небольшие ядерные структуры, которые являются маркерами таких патологий, как, например, рак. Модель, которую назвали CAMDi (Calculating Automatic Micronuclei Distinction), способна подсчитывать микроядра, несмотря на их относительно маленький размер.
Автоматические системы прежнего поколения традиционно использовали изображения, полученные только с одного уровня ткани. Чтобы понять, почему это важно, представьте, что шар, закрепленный в пространстве, разрезается в поперечном сечении. Если разрезать его ближе к верхней или нижней части, размер поперечного сечения будет намного меньше, чем если бы вы выбрали срез ближе к центру, поэтому при поперечном сечении, выполненном близко к периферии шара, ядро можно легко принять за микроядро. Чтобы решить эту проблему, исследователи из Университета Цукубы сделали фотографии на разных уровнях и создали программу, способную анализировать полученную трехмерную информацию.
Совместная команда исследователей из Оксфорда и Уорикского университета разработала метод, позволяющий лучше понять и оценить плеоморфизм вирусов. Разработка шла в условиях пандемии, чтобы помочь в исследованиях коронавируса.
К сожалению, электронная микроскопия до сих пор слишком дорогая и медленная для масштабного использования в подобных исследований, поэтому ученые создали методику высокопроизводительной визуализации нитчатых вирионов, объединив микроскопию прямой стохастической оптической реконструкции (dSTORM). Это метод с разрешением менее 20 нм. Плюс исследователи разработали и программное обеспечение для быстрого автоматического анализа, позволяющее идентифицировать и анализировать тысячи вирионов.
Главные преимущества нейросетевых алгоритмов — то, что они могут бесконечно работать, анализировать тысячи снимков и одновременно самообучаться. Это исключает человеческий фактор, который может быть связан как с некомпетентностью, так и с обычной усталостью или невнимательностью микроскописта. Но задачи, которые не входят в долю рутинных, полностью отдать на отработку ИИ тоже нельзя. В этом случае функционал экосистемы цифровой микроскопии позволяет сделать работу с ними максимально удобной и эффективной: удаленный доступ к информации и ее обработка и предоставление данных в удобном для восприятия визуальном виде делают умные системы незаменимым помощником для микроскописта.
Рассматриваются перспективы использования микросистемной техники, являющейся наиболее бурно развивающимся глобальным научно-техническим направлением.
Микросистемная техника является в настоящее время одним из наиболее динамично развивающихся междисциплинарных научно-технических направлений, определяющим новую революцию в области систем, реализуемых на микроуровне. Строго говоря, микросистемная техника (МСТ) – это научно-техническое направление, целью которого является создание в ограниченном объеме твердого тела или на его поверхности микросистем, представляющих собой упорядоченные композиции областей с заданным составом, структурой и геометрией, статическая или динамическая совокупность которых обеспечивает реализацию процессов генерации, преобразования, передачи энергии и движения в интеграции с процессами восприятия, обработки, трансляции и хранения информации при выполнении запрограммированных операций и действий в требуемых условиях эксплуатации с заданными функциональными, энергетическими, временными и надежностными показателями. Микросистемы могут обеспечивать выполнение всех вышеперечисленных функций или части из них.
Примеры изделий МСТ, как ставших уже традиционными, так и перспективных приведены в табл. 1 и 2.
При этом отличительной особенностью микросистем нового поколения является необходимость обеспечения длительной их эксплуатации при переносе энергии заряда, информации не только в условиях стационарного твердого тела, но и когда объект (часть объекта) микросистемной техники или контактирующая с ним среда находятся во взаимной пространственно-временной динамике.
Наряду с этим переход на микроуровень требует при создании микросистем различного функционального назначения нового поколения учета факторов масшта бирования, отражающих влияние геометрических размеров на свойства материалов, а также особенностей их интеграции в едином объеме с позиций кристаллохимической, термомеханической, электромагнитной, химической совместимостей, тепловой, электрической, механической стойкости, устойчивости к воздействию агрессивных сред и радиации, а также временной стабильности.
Таблица 1. Структура и динамика рынка "традиционных" изделий микросистемной техники [2]
Отрасль здравоохранения находится на переломном этапе в области медицинской робототехники. Ежедневно внедряются инновации, которые неизбежно толкают нас в будущее, где большая часть работы будет автоматизирована или выполняться роботами.
Сегодня роботы, управляемые врачом, уже имеют огромное присутствие в медицинской сфере. Спрос на менее инвазивные и более адаптированные к потребностям пациентов процедуры увеличивается с нарастающей скоростью. Медицинская сфера находится на грани радикальных изменений, которые могут означать улучшение диагностики, сокращение времени ожидания, более безопасную и менее инвазивную операцию, повышение долгосрочной выживаемости для всех, и снижение уровня инфицирования и многое другое.
Ниже мы кратко представляем вам 13 лучших достижений в сфере медицинских роботов, которые уже изменяют нашу жизнь:
1. Хирургический робот daVinci
Это самый распространенный из медицинских роботов, и сегодня он является стандартом для хирургии с помощью роботов. Это машина, которая стирает грань между "медицинским инструментом" и "роботом", так как прибор находится под полным контролем хирурга. Однако успехи, которых эта система добилась, просто поражают. С помощью роботизированной системы daVinci операции могут выполняться с минимальными разрезами и абсолютной точностью, что означает уменьшение кровотечения, снижение риска инфицирования и ускорение заживления. Хотя робот-манипулятор да Винчи существует уже некоторое время, он продолжает совершенствоваться. При этом несколько крупных технологических фирм также разрабатывают аналогичные daVinci системы с более автономными характеристиками и широким спектром возможностей.
2. Эндоскопический бот
3. Роботизированная биопсия
Эта недавно разработанная роботизированная система, создаваемая проектной группой под названием "MURAB" (MRI and Ultrasound Robotic Assisted Biopsy). Это решение обеспечивает возможность проведения диагностики рака груди на ранней стадии минимально инвазивным методом. Оно повышает точность биопсии при диагностике и позволяет сократить использование дорогой магнитно-резонансной томографии (МРТ) до минимума в этом рабочем процессе и в то же время обеспечить одинаковую точность при нацеливании иглы при биопсии.
Система объединяет в себе преимущества МРТ и УЗИ. МРТ — это очень точная процедура, позволяющая врачу при биопсии найти и проколоть именно ту ткань, которая ему необходима. Но МРТ не дает изображения в реальном времени и врачу сегодня для проведения процедуры биопсии нужно делать несколько снимков. В свою очередь ультразвук обеспечивает изображение в режиме реального времени, так что радиолог может точно видеть, что происходит при проведении биопсии, однако само по себе это исследование менее точное. А вот объединение двух технологий радикально меняет картину.
Роботизированная система сканирует грудь с помощью стандартного УЗИ-датчика, закрепленного на манипуляторе, и объединяет ее с ранее сделанными изображениями МРТ в одну 3D-модель на мониторе. Одновременно происходит сбор объемных и эластографических данных. Затем система определяет место укола и направление движения иглы для биопсии.
4. Автоматизированные сенсорные протезы
За последние несколько лет в области протезирования был достигнут невероятный прогресс, причем разработчики пытаются не только сделать подходящую замену конечности, но и расширить ее возможности там, где это не сделала природа. В лаборатории MIT Biomechatronics Lab исследователи создали управляемые с помощью гироскопов роботизированные конечности, которые способны отслеживать свое положение в пространстве, регулируя свои суставы примерно 750 раз в секунду. Кроме того, они разработали бионическую кожу и нейронную имплантационную систему, которая взаимодействует с нервной системой человека, позволяя пациенту получать тактильную обратную связь от протезной системы и контролировать ее, как будто это настоящая рука. Это значительный скачок в протезировании, а также большая надежда для миллионов людей с ампутированными конечностями. Надежда на будущее, поскольку пока такие протезные системы слишком дороги для обычного человека, тем более инвалида.
5. Экзоскелет
Роботизированные экзоскелеты сегодня могут использоваться во многих медицинских областях. Для начала они уже используются, чтобы помочь людям с параличом снова ходить, что является значительным прорывом в медицине. Они также могут быть использованы для реабилитации после травмы спинного мозга или черепно-мозговой травмы, обеспечивая слабые мышцы дополнительной поддержкой, необходимой для выполнения движений и заживления повреждений. Экзоскелеты работают за счет использования комбинации предустановленных движений, однако, сейчас уже ведутся новые разработки с развитием нейронных интерфейсов. Это вопрос времени, когда экзоскелет, управляемый непосредственно командами мозга, станет доступен большому количеству больных и здоровых людей.
6. Дезинфицирующий робот
Больничные инфекции - это проблема, которую наша система здравоохранения безуспешно пытается решить уже долгое время. При этом больницы применяют большое количество антибиотиков, которые могут стать питательной средой для развития некоторых из худших устойчивых к антибиотикам бактерий. Поэтому крайне важно, чтобы в больничных палатах всегда поддерживалась чистота. Однако этого никогда не произойдет, поскольку ленивые и склонные к ошибкам люди неизбежно совершают ошибки, которых роботы не допустят. Новые дезинфицирующие роботы автоматически перемещаются в пустую палату пациента и бомбардируют ее мощными ультрафиолетовыми лучами, запрограммированными работать до тех пор, пока микроорганизмы не будут уничтожены.
7. Микро-робот для целевой терапии
Это весьма перспективные, хотя и относительно новые типы медицинских роботов. Основой их работы является использование механических частиц, близких к микроскопическим, для локализации препарата или определенной терапии в конкретном целевом участке тела. Такая технология может быть использована для узконаправленного целевого облучения опухоли или просто для уменьшения побочных эффектов препарата, ограничивая его органом, в котором он может понадобиться.
Существует несколько возможных методов для доставки таких микрочастиц в цель, но в результате новых исследований появились микро-роботы с крошечными спиральными хвостами, которые могут быть направлены магнитным полем для вращения через кровеносные сосуды в определенное место в организме.
8. Антибактериальные нанороботы
9. Робот-компаньон
Роботы используются не только там, где необходимо решать проблемы, опасные для жизни. Дело в том, что миллионы пожилых, умственно отсталых или больных людей страдают от хронического одиночества и нуждаются в стимулах для жизни. Такими пациентами, как правило, также являются люди, нуждающиеся в периодических осмотрах со стороны опекунов или родственников, что может отнимать много времени. Роботы-компаньоны решают многие из таких проблем и оказывают на пациентов меняющее их жизнь воздействие. Такое устройство представляет собой нечто вроде симбиоза тамагочи (виртуальный домашний питомец) и виртуального домашнего помощника на базе технологии Alexa, которое может вызвать скорую, если кто-нибудь упадет или ответить на вопросы, касающиеся здоровья.
Недавно разработанный робот Buddy - как раз такое устройство, которое, в первую очередь, предназначено для помощи одиноким старикам и больным людям. Этот небольшой и забавно смотрящийся робот даже взаимодействует со своими владельцами на постоянно меняющемся эмоциональном уровне и помогает им скрасить их одиночество. В прошлом году компания-разработчик этого устройства получила награду "Лучшие инновации 2018 года" за свои достижения.
10. Роботы для обучения врачей
В медицинском училище студенты могут проходить обучение не на мертвых телах, как это было принято в таких заведениях в течение многих лет, а с использованием специализированных обучающих роботов, причем с вполне реалистичными "кровавыми" процедурами. Хотя, возможно, это не будет звучать захватывающе, но все же это, вероятно, лучше, чем обучение только на трупах, либо уже в работе на вполне реальных пациентах. Использование при обучении роботов существенно облегчает получение медицинских навыков, хотя бы за счет возможности многократного повторения определенных процедур и действий, а также значительно снижает расходы на такое обучение.
Именно поэтому эти устройства, которые кажутся скорее забавными, чем серьезными роботизированными системами, становятся настолько важными в этой сфере.
11. Роботизированная медсестра
Медсестры - это основная и неотъемлемая часть коллектива, на которой держится жизнь любого медицинского "мира". Однако они также перегружены работой и всегда работают в сжатые сроки. Здесь на помощь приходят роботы-медсестры. Роботы-медсестры - это системы, которые могут измерять жизненные показатели, заполнять цифровые документы и контролировать состояние пациента. Некоторые из этих роботов-медсестер сконцентрированы на выполнении рутинных задач, от которых так устают медсестры, как, например, перемещение каталок и тележек из комнаты в комнату и даже забор крови.
12. Робот для телеприсутствия
Такое устройство выглядят как планшет на небольшой самодвижущейся тележке. Такие системы могут играть жизненно важную роль в сфере медицины как способ привлечь лучших диагностических экспертов и ведущих врачей в удаленные районы, где ощущается острая нехватка квалифицированных врачебных кадров. Врачи, к примеру, из Москвы теперь могут общаться с местными врачами и пациентами в небольших поселениях Сибири или Дальнего Востока, делясь в режиме реального времени своими советами и знаниями по диагностике за небольшую плату, избавляя пациента от сложностей и серьезных затрат, связанных с поездкой в столицу, чтобы получить помощь от врача лично. Однако, как бы глупо это ни казалось сегодня, вполне возможно, что уже скоро медицинский осмотр можно будет проводить с помощью планшета и цифровых устройств с дистанционным управлением, а не с помощью врача-терапевта. По крайней мере, в развитых странах, к которым мы пока себя отнести не можем.
13. Робот-фармацевт
Такое устройство больше похоже на торговый автомат, который предназначен для продажи лекарственных препаратов и медицинских принадлежностей. Робот, который уже существует в природе, позволяет физически заменить действующего фармацевта в аптечном пункте. Подобная аптека уже работает и вполне безупречно в Калифорнийском университете (США) последние пять лет, и в этом году было получено разрешение на его использование в больницах.
Роботы также начали использоваться в производственных процессах фармацевтических компаний, заменяя людей во многих операциях, требующих монотонных и не повторяющихся действий.
Текст научной статьи на тему «МИКРОТЕХНОЛОГИИ ОТ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ К МИКРОСИСТЕМНОЙ ТЕХНИКЕ»
ОТ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ К МИКРОСИСТЕМНОЙ ТЕХНИКЕ
E.H. Пятышев, М.С. Лурье, Ю.Д. Акулынин, А.И. Скалой
Рассматриваются фазы развития микротехнологий. На ряде примеров анализируется современное состояние микросистемной техники, формулируются ее ближайшие задачи и перспективы и описываются главные черты необходимой для ее развития инфраструктуры.
Глобальное развитие микроэлектроники в решающей степени определило сегодняшний технический облик цивилизации.
Две новые, бурно развивающиеся области определяют и будут определять в ближайшие десятилетия прогресс человеческого сообщества. Первая — информационные технологии — обеспечивает связи внутри человеческого сообщества. Вторая — технологии микросистем — обеспечивает работу и связи информационных систем с внешним материальным миром. В хронологическом плане технологии микросистем можно рассматривать как новые этапы в развитии обобщенного направления микротехнологий. Первый этап развития технологии микросистем породил микроэлектронику, новые этапы характеризуются появлением микроэлектромеханических систем и более широкой области — микросистемной техники (МСТ) (рис. 1 см. на 3-ей стр. обложки). Ведущие индустриальные страны еще в 1994—1996 гг. объявили технологии микросистем областью приоритетных стратегических разработок.
Анализ работ в области МСТ показывает, что в настоящее время обозначились основные направления, которые можно определить как разработки: сенсоров и исполнительных устройств; устройств преобразования энергии; микроробото-технических систем; аналитических и технологических микросистем.
Ниже приведены краткий обзор и анализ современного состояния работ по развитию новых технологий, определены некоторые основные проблемы, возникающие на этом пути и без решения которых невозможно достичь желаемых результатов.
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО НАСЛЕДИЯ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ
Типовые технологии микроэлектроники строятся на последовательном чередовании структурных и топологических операций: нанесения на поверхность кремниевой пластины сплошных слоев диэлектрика, металла, введения легирующих примесей и т. п.; формирования из созданного в ре-
зультате структурных операций слоя дискретных фрагментов заданных формы и расположения.
Эти операции включают в себя создание рисунка методами литографии и перенесение его на слой методами травления. Существенно, что все операции выполняются одновременно над большим количеством элементов и заготовок микросхем: в одном чипе (микросхеме) может содержаться свыше миллиона элементов (транзисторов), на одной кремниевой пластине — несколько десятков или сотен чипов, а в технологических установках могут обрабатываться одновременно до нескольких сотен пластин. При этом итоговая производительность одной технологической линии может достигать нескольких миллионов изделий в неделю, обеспечивая весьма низкую стоимость одиночного изделия, несмотря на огромные вложения в технологию и разработку. В этом суть групповых интегральных технологий.
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ И МИКРОЭЛЕКТРОННАЯ РЕВОЛЮЦИЯ
Информационно-управляющая система состоит из объекта управления, сенсорной подсистемы, подсистемы анализа информации и принятия решений и исполнительной (воздействующей) подсистемы. Сегодняшний уровень прогресса определяют не просто машина или механизм, а машина с системой
Sensors & Systems • № 6.2001
автоматического или, хотя бы, автоматизированного (с частичным участием человека) управления.
Микроэлектронная революция второй половины двадцатого века затронула, в основном, только центральное звено — подсистему анализа информации и принятия решений. Остальные подсистемы развивались своими эволюционными путями, обусловленными спецификой разнообразных объектов управления. Коренное отличие подсистемы анализа информации и принятия решений заключается в унификации аппаратурных решений и их инвариантности к техническим областям применения. Независимо от структуры объекта и особенностей задач управления современные системы строятся на базе ограниченного числа типов микропроцессоров. Измерительная (сенсорная) и исполнительная подсистемы сегодня строятся огромным разнообразием способов в каждой технической отрасли, для каждого объекта и задачи управления. Это относительное отставание в подходах к их созданию во многом объясняет то, что данные подсистемы сегодня являются слабейшими звеньями систем управления.
Для качественного прогресса в этой области необходимо изыскать единообразные способы изготовления разнообразных компонентов сенсорных и исполнительных подсистем ограниченным набором технологических приемов.
Технология микросистем, выросшая на основе микроэлектронных технологий, решает эту задачу и может обеспечить массовый выпуск самых различных механических, электромеханических, оптических, химических и других компонентов для сенсорных и исполнительных подсистем, органично сопрягающихся с микроэлектронной подсистемой в единую микросистему автоматического управления.
Задача микротехнологий в этом плане заключается в разработке таких конструкторско-техно-логических подходов и наборов операций, которые позволили бы все многообразие технических решений сенсоров и исполнительных элементов (ИЭ) в различных отраслях техники унифицировать по технологии, сохраняя такие важнейшие характеристики микроэлектронной технологии, как микроразмеры элементов и массовость промышленного выпуска изделий.
МИКРОСИСТЕМНАЯ ТЕХНИКА (примеры разработок)
Микросенсоры и микро-ИЭ. В 1970-х годах начались исследования по использованию технологических приемов и методов микроэлектроники для создания интегрированных микроустройств, содержащих в одном чипе как электронные компоненты, так и компоненты, выполняющие механические функции. В таких устройствах входными или выходными величинами являются не только электрические сигналы (ток и напряжение), но
Рис. 2. Датчик давления тензометрического типа
и механические — давление, сила, перемещение, скорость, ускорение. Унификация по способу изготовления совершенно различных по назначению сенсоров и ИЭ, качественное (на порядки величин) уменьшения массо-габаритных показателей и энергопотребления, создание небывалых по надежности механических систем, многофункциональность — вот далеко неполный перечень достигнутого на сегодня.
Ниже приведены примеры некоторых зарубежных и отечественных разработок (см. также работы [1, 2]).
Датчики давления— первое микромеханическое изделие, выполненное методами микроэлектронной технологии (1968 г.). Только в США на рынке представлено около 14 тыс. различных конструкций датчиков давления, реализующих восемь основных методов преобразования (пьезоэлектрический, те изометрический, емкостной и др.). Пример конструкции датчика давления приведен на рис. 2 [3].
Основными потребителями датчиков давления (свыше 500 млн. шт./г., из них в 1996 г. до 80 % — микромеханические) являются автомобильная и авиакосмическая промышленность, энергетика, химия, медицина.
Микромеханические датчики давления имеют высокие метрологические характеристики, малые габариты и продолжают активно совершенствоваться.
Микромеханические акселерометры — второе по успешности внедрения микромеханическое устройство. Они разрабатываются рядом фирм, среди которых, в первую очередь, отметим Draper Laboratory, Analog Devices, Honeywell, Kearfott и др. [4]. Массовое применение — в автомобильных системах безопасности. Планируемое потребление в 2000 г. — 35 млн. шт.
Микромеханические гироскопы разрабатываются рядом ведущих зарубежных фирм, таких как Draper Laboratory, Honeywell, Litton, Bosch, Mitsubishi, Murata, Gyrostar и др. [5]. Отказ от клас-
Дэтчики и Системы • № 6.2001
Рис. 3. Схема микровиброгироскопа и фрагмент кремниевой структуры
сических схем гироскопов с вращающимся ротором не только устраняет наименее надежные узлы прибора, но и существенно упрощает его конструкцию, делая ее совместимой с технологической базой микроэлектроники.
Области применения микрогироскопов — аэрокосмические, судовые и автомобильные системы управления и навигации, высокоточное оружие, медицина, спорт, устройства ввода в ЭВМ, интеллектуальные игрушки.
Микро- и наноинструмент. Примером наиболее совершенн
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.
Читайте также: