Наноэлектронные специализированные элементы и системы на кристалле

Автоматизированные микрофлюидные кремниевые чипы

Возможность создания на основе химически чувствительных полевых транзисторов и на основе вибрационных сенсоров на кантилеверах функционально завершенной аналитической "лаборатории на чипе" побуждала ученых и инженеров к созданию микрофлюидных картриджей. Сначала картриджи задумывались как насадки на кристалл кремния, сделанные из стекла или из пластмассы, в которых формировались микропроточные канавки. По ним к химически чувствительным сенсорам доставляется контролируемое вещество (жидкость или газ – отсюда и обобщенное название "флюид"), а потом удаляются остатки, проводятся промывка и регенерация сенсоров ( рис. 7.12).

Рис. 7.12. Слева – микрофотография участка микропроточного картриджа, прикрепленного к поверхности кристалла кремния с массивом химически чувствительных элементов: 1 – трубки для подвода и отвода жидкостей (газов); 2 – микропроточные канавки; 3 – химически чувствительные сенсоры на кристалле кремния; М – область кристалла, на которой сформированы микроузлы обработки сигналов и хранения результатов измерений. Справа – картридж для биохимического анализа на кристалле одновременно многих проб жидкостей (газов)

Однако в дальнейшем оказалось, что с помощью микросистемных технологий на кристалле кремния можно сформировать не только сеть микропроточных канавок, но и клапаны в канавках, закрыванием/открыванием которых могут управлять электронные узлы, размещенные на том же кристалле кремния.

Структуру и принцип действия одного из вариантов таких клапанов объясняет рис. 7.13. В пластине кремния 1 вытравлена глубокая микропроточная канавка 2. В месте расположения клапана в ней сформированы выступ 3 и с противоположной стороны от канавки – глубокая ямка 4 таким образом, чтобы между ней и канавкой осталась тонкая упругая перепонка (мембрана) 5. Все стенки окислены (). Поверх окисла на выступе 3 и на отдаленной стенке ямки 4 сформированы металлические электроды 6 и 7 с выводами к управляющим узлам.

Рис. 7.13. Вид в плане участка микропроточной канавки с клапаном: слева – с максимально открытым, справа – с закрытым клапаном, в центре – в нейтральном положении. 1 – кремний; 2 – микропроточная канавка; 3 – выступ в стенке канавки; 4 – ямка напротив выступа 3; 5 – узкая упругая перегородка из кремния; 6, 7 – электроды

Когда на электроды 6 и 7 напряжение не подано, мембрана 5 находится в нейтральном положении (изображение в центре) и пропускная способность клапана – средняя. Если подать электрический потенциал на электрод 7, то мембрана 5 притягивается к нему, благодаря чему пропускная способность клапана возрастает (изображение слева). Если же подать электрический потенциал на электрод 6, то мембрана 5 притягивается к нему, перекрывая канал (изображение справа). Пропускная способность клапана уменьшается, и в конце концов канал полностью перекрывается.

Благодаря возможности точного автоматического управления пропускной способностью клапанов, кремниевые микрофлюидные чипы оказались намного более функциональными, чем стеклянные или пластмассовые. Они позволяют точно дозировать и точно доставлять в заданные места нужные жидкости или газы в точно определенные моменты времени. С их помощью можно дозировать мизерные объемы жидких и газовых смесей заведомо определенного состава.

Известно, что в живой природе в качестве информационных сигналов часто применяются те или другие химические посредники – ароматические вещества, гормоны, нейромедиаторы, феромоны, фитонциды и т.п. Микрофлюидные чипы способны выступать в роли своеобразных устройств кодирования информации в химические сигналы, т.е. в роли своеобразных "модуляторов", выделяющих в заданные моменты времени заведомо известные дозы тех или других веществ.

Совместно с "аналитическими" чипами микрофлюидные чипы позволили создать многофункциональные завершенные аналитические "лаборатории на чипе", работу которых можно программировать. Именно на основе такого объединения и разрабатываются, например, "искусственные поджелудочные железы", которые будут вживляться в организм людей, больных сахарным диабетом 1-го типа. Они будут автоматически измерять концентрацию глюкозы в крови человека и выделять нужные, точно отмеренные дозы инсулина, регулируя уровень глюкозы не хуже, чем это делает естественная здоровая поджелудочная железа.

Уже на "микроэлектронном этапе" развития в микрофлюидных чипах начали создавать также химические микрореакторы с контролируемыми температурой и скоростью подачи реагентов и отвода продуктов реакции, а также фильтры для отделения от жидкости или от газа отдельных компонентов. Используя микропроточные канавки разных размеров, удается, например, отделять от маленькой капли крови ее плазму и отдельные элементы - эритроциты, лейкоциты, моноциты и т.д.

На "наноэлектронном этапе" стало возможным формировать микропроточные канавки субмикронных размеров. На рис. 7.14 слева показано, например, изображение микропроточной канавки шириной 280 нм с входным и выходным отверстиями на концах.

Рис. 7.14. Изображения в растровом электронном микроскопе отдельной микропроточной канавки с входным отверстием (слева) и системы ортогональных канавок для разделения пробы (справа)

Справа показана система ортогональных канавок: продольных шириной 200 нм и поперечных шириной 50 нм. Если сквозь крайние продольные канавки прокачивать контролируемую смесь, а из средних канавок выкачивать отфильтрованную часть этой смеси, то в последней не останется частиц размером свыше 50 нм, а смесь, прокачанная сквозь крайние канавки, будет обогащена такими частицами.

В диапазон размеров от одного до сотен нанометров попадает значительное число микробиологических объектов (вирусы, субклеточные структуры, ферменты, РНК, ДНК и т.д.), а также больших и средних молекул. Поэтому создание нанофлюидных чипов дало в руки микробиологов, молекулярных биологов, биохимиков и химиков принципиально новый инструмент для исследований и для манипулирования такими нанообъектами.

Микрофлюидные чипы с успехом применяются также в головках современных быстродействующих струйных принтеров. Достигнутую в них высокую точность регулирования потоков может иллюстрировать, например, тот факт, что элементарная порция чернил составляет в них уже всего несколько пиколитров (10^-6 мм³).

Микрофлюидные чипы оказались эффективными также для охлаждения наноэлектронных микропроцессорных блоков со значительным выделением тепла с помощью быстро циркулирующей в чипе жидкости, прокачиваемой одновременно сквозь сотни тысяч канальцев.

Наноэлектромеханический транзистор

Еще в 2001 г. был построен действующий наноэлектромеханический транзистор, структуру и принцип действия которого объясняет рис. 7.15.

Рис. 7.15. Микрофотография в РЭМ наноэлектромеханического транзистора Блайка (2001 г.). В левом верхнем углу – электрическая схема подключения транзистора: 1 – "маятник"; 2, 3 – управляющие электроды; И – исток; С – сток; U – напряжение питания; ~ – переменное напряжение на затворе

Подвижным элементом транзистора является механический "маятник" 1. Если между электродами управления 2 и 3 приложить переменное напряжение (аналог напряжения на затворе транзистора), то маятник начинает колебаться с частотой этого напряжения. В 2001 г., когда размеры транзистора были такими, как показано на микрофотографии, частота колебаний достигала 100 МГц. Ныне транзистор может быть сделан значительно меньше, и соответственно предельная частота колебаний возрастет до гигагерц. Кремниевый "челнок", расположенный на конце маятника, электрически изолирован от "тела" маятника окислом кремния (). Когда "челнок" соприкасается с электродом истока (И), то благодаря туннельному эффекту на него переходит один электрон. А при следующем касании к электроду стока (С) этот электрон переносится на сток.

Средняя величина электрического тока сквозь транзистор, т.е. электрический заряд, переносимый в единицу времени, определяется частотой колебаний. Следовательно, этот транзистор преобразует частоту колебаний в пропорциональный ей электрический ток или в напряжение. Преимуществом является то, что электрический ток сквозь такой транзистор практически не имеет шумовой компоненты и может легко стыковаться с одноэлектронными схемами. Отметим, что при одинаковой проектно-технологической норме размеры наноэлектромеханического транзистора заметно превышают размеры полевых транзисторов. Поведение описанных транзисторов при размерах, когда длина волны де Бройля для электронов проводимости станет больше размера элементов транзистора, т.е. в "квантово-механическом диапазоне", еще не исследовано.