Prihodnost mikronapravic

Mikrosistemi naj bi za mehanične, optične in kemijske naprave naredili to, kar je mikroelektronika napravila za polprevodnike. Toda kljub velikim pričakovanjem je uporabnih le malo reči. A spremembe so že na vidiku. Hollywoodski filmski ustvarjalci so se že nekajkrat lotili fantastičnih zgodb o mikroskopskih podmornicah, ki naj bi potovale po človekovem telesu in reševale nekatere zdravstvene težave. Zamisli o atomsko majhnih napravah burijo domišljijo že nekaj generacij inženirjev, vse skupaj pa je bilo zgolj na ravni fantastike. Toda tudi takšne ideje se lahko kaj kmalu uresničijo. Navsezadnje so se v zadnjih treh desetletjih tiskana vezja zmanjšala na mikroskopske velikosti in se iz leta v leto še naprej nezadržno minimalizirajo, silikonski čipi pa so vse sposobnejši in hitrejši. Mikroelektronika je omogočila množico naprav od digitalnih video-disc ali DVD-playerjev do super sposobnih spletnih strežnikov, o katerih še pred desetletjem skoraj ni bilo slišati. Uspeh tovrstnih naprav je pomenil tudi ogromne denarne vložke v razvoj vedno bolj sposobnih čipov. Hkrati je vlaganje v mikroelektroniko povzročilo, da se je v zadnjih dvajsetih letih precej upočasnil razvoj mikrosistemov, čeprav lahko "skrčeni" kemijski laboratoriji, mehanične naprave in optični sistemi zagotovijo prav takšne koristi, kot jih je silikonski čip za elektroniko.

Mikrosistemi sicer le niso tako marginalizirani in nekaj jih je že uspešno vpeljanih v vsakdanjo rabo. Najpogosteje omenjen je senzor trka pri sistemih avtomobilskih varnostnih blazin. Ta zaznava mikroskopske premike med trkom. Med mikrosisteme sodijo tudi glave brizgalnih tiskalnikov in trdih diskov v računalnikih. Pri brizgalnikih proizvajajo mikroskopske kapljice črnila, pri trdih diskih pa uravnavajo magnetne senzorje po površini diska. Vendar so te redke izjeme v uporabi še na začetku, če jih primerjamo z razvojem mikroelektornike. Razočaranje je tolikšno, da nekatere vlade že razmišljajo o zapiranju pipice denarnih skladov, namenjenih za razvoj mikrosistemov, in denar raje namenjajo za razvoj naslednje generacije miniaturnih zadevščin, nanotehnologije. Prav ob tem koraku se je porodilo zadnje upanje za mikrosisteme, saj se je pojavilo nekaj uporabnih in donosnih aplikacij, ki temeljijo na mikrosistemih. Mehanična miniaturizacija ni nič novega, ima že dolgo trajajočo in pomembno zgodovinsko vlogo. Eden takšnih primerov so zapestne ure, ki so bile v času nastanka pravi čudež mehaničnih mojstrov. Velikost le ni vse. Silikonske čipe je tako močne napravila izjemno učinkovita metoda izdelovanja in povezave integriranih vezij na površini čipa, fotolitografija. Ta se je izkazala za tako uspešno, da vsa industrija vlaga ogromne zneske v opremo, h kateri sodijo naravnost sterilizirane sobe, kajti tudi mikronski prašni delci so veliki sovražniki izdelovalcev čipov.

Čipi z dodatki

Najuporabnejši način izdelovanja mikrosistemov je prilagajanje mikroelektronskih tehnik za različne druge namene. Toda pravih rešitev ni bilo, zaradi pomanjkanja standardizacij je vse skupaj ostajalo na ravni prototipov. Velika eksplozija interneta, ki je plod uporabe tehnologij, temelječih na optičnih vlaknih, je raziskovalce mikrosistemov ujela povsem nepripravljene. Že desetletja so se ukvarjali z mikrolečami in mikroogledali za usmerjanje laserskega žarka, toda zadeve so postale uporabne šele pred nekaj leti. Optična vlakna so zahtevala optična stikala, ki bi lahko preusmerjala svetlobne žarke z enega vlakna na drugega. Naloga je bila kot nalašč za mikroogledalca. Ta so tako majhna, da se lahko premikajo zelo hitro. Premiki mehanskih ogledal iz enega položaja v drugega trajajo nekaj milisekund, v primerjavi s tem je čas, potreben za vklop in izklop elektronskega tranzistorja, cela večnost.

Tranzistorji tudi ne morejo več slediti hitrostim, s katerimi potujejo informacije po optičnih vlaknih. Uporaba elektronike pri prenosu podatkov po optičnih vlaknih bi zmanjšala hitrost prenosa, po drugi strani pa mikroogledalca ne motijo prenosa podatkov, temveč le preusmerjajo podatkovne pakete.

Povpraševanje po optičnih stikalih naglo narašča, predvsem pa so velika telekomunikacijska podjetja začela kupovati majhne proizvajalce mikrosistemov, da bi se dokopala do njihovega znanja na tem področju. Eno vodilnih podjetij za optično tehnologijo Lucent se je rajši lotilo lastnega razvoja. 256 x 256 mikroogledal se lahko premakne v nekaj desetinkah milisekunde, njihova prednost pa je vsesplošna kompatibilnost v nasprotju z elektronskimi stikali, ki jih je treba pri različnih optičnih valovnih dolžinah ali prenosnih protokolih modificirati. Glavna težava mikroogledal je trg, saj jih naprave za množično uporabo, kot so osebni računalniki, ne potrebujejo, poleg tega se pojavljajo tudi nove tehnologije za usmerjanje svetlobnih žarkov, ki lahko resno ogrozijo uporabo mikroogledal. Toda zamisel ni zanemarljiva niti na drugih področjih. Texas Instruments (TI) se že desetletje ukvarja z idejo projekcije digitalne slike, ki temelji na čipih, velikih dober centimeter, na njih pa je kar pol milijona neodvisno premikajočih se mikronskih ogledalc, s pomočjo katerih se digitalizirana slika projicira na zaslone. TI si je to tehnologijo zamislil kot alternativo velikim projektorjem in se skupaj s podjetjem Tehnicolor Digital Cinema lotil razvoja tehnologije za tako imenovani silver screen. Prvi preskusi so pokazali neverjetno ostro sliko in barve, TI pa namerava skupaj s Hitachijem konec leta predstaviti tudi prvi televizijski sprejemnik. Cena bo prav tako neverjetna.

Mikrolaboratoriji

Mikrosistemi si sicer počasi utirajo pot v telekomunikacijah, velika pa so tudi pričakovanja glede njih pri novorojenem poslu prihodnosti - biotehnologiji. DNK-čipi so zdaj najbolj vroča zadeva v analitični biotehnologiji. Toda to so le statične sestavljanke različnih kemičnih sestavin, ki jih je težko označiti za mikrosisteme. Bolj ambiciozen je projekt pravega programiranega kemijskega laboratorija na čipu. Srce takšnega čipa naj bi bil mikrosistem za dovod tekočin, nekakšna miniaturizacija črpalk in ventilov, kakršni so v uporabi pri hidravliki. Po nekaj mikronov velikih kanalih naj bi se pretakale tekočine brez turbulence, kar naj bi zmanjšalo medsebojno mešanje. Mikrolaboratoriji naj bi renesanso doživeli skupaj z raziskavami DNK. Prvi laboratorijski čipi so se že pojavili, toda kljub obljubam, da naj bi takšni mikrolaboratoriji denimo koristili zdravnikom pri popolni analizi krvi na kateremkoli mestu, je ta tehnologija še daleč od potrošniške uporabe. Glavna pomanjkljivost je, da so ti čipi uporabni le za visoko očiščene forme biomolekul, uporaba pri gostih tekočinah, kakršna je kri, pa je za zdaj še tehnično nemogoča.

Mikrosistemi so zaradi uporabe v telekomunikacijah in biotehnologiji iz industrijskih podpovprečnežev postali izdelki z zavidanja vredno borzno vrednostjo. Toda še vedno niso niti pol tako zanimivi za morebitne vlagatelje, kot je mikroelektronika. A vseeno lahko počasi izboljšajo tudi potrošniške izdelke - že jih najdemo v nekaterih igralnih palicah za računalniške igre. Toda za uspeh bo tako kot pri mikroelektroniki nujno potrebna standardizacija. In seveda znižanje cene. Proizvodnja se že počasi seli na trge s cenejšo delovno silo, v Azijo. V Tajvanu je na primer nekaj ducatov proizvajalcev mikroelektronike, ki postajajo zastareli, toda kaj hitro se preobražajo v proizvajalce mikrosistemov. Najnovejše tehnološko mesto na tem otoku, Tainan, naj bi za mikrosisteme in informacijsko tehnologijo pomenilo, kar je za mikroelektroniko in osebne računalnike pomenilo sestrsko mesto Hinchu. Iz tega mesta izvira kar tretjina vseh spominskih čipov in več kot polovica prenosnih računalnikov.