Микроэлектромеханические устройства (или миниатюрные электромеханические системы, МЭМС, microelectromechanical systems) – это системы, объединяющие в себе микроэлектронные и микромеханические компоненты.

МЭМС представляют собой чип, в котором содержатся движущаяся механическая система и электронная система, предназначенная для обработки данных. МЭМС имеют размер до одного миллиметра, но в их состав входят электрические и механические компоненты, размер которых варьируется от одного микрометра до нескольких сотен микрометров. Общая схема функционирования МЭМС представлена на рисунке 1.

МЭМС могут быть реализованы с использованием различных материалов и технологий производства, выбор которых будет зависеть от создаваемого устройства. Основными материалами, используемыми при производстве МЭМС, являются кремний и полимерные материалы.

Кремний является материалом, используемым для создания большинства интегральных схем, используемых в потребительской электронике. Распространенность кремния делает его привлекательным для изготовления МЭМС. Недостатком кремния является то, что он является сложным и сравнительно дорогим материалом. В связи с этим актуальным направлением является использование полимерных материалов при производстве МЭМС. Полимерные материалы можно производить в большом объеме, они обладают большим разнообразием характеристик.

Можно выделить два подхода в изготовлении МЭМС: аддитивный (слои выращиваются на исходной подложке) и субтрактивный (из подложки вытравливается необходимая структура). Особенностью изготовления МЭМС является использование «жертвенных слоев», которые используются в процессе изготовления МЭМС, а затем вытравливаются.

В общем случае при изготовлении МЭМС осуществляется напыление и осаждение слоев материала, а затем осуществляется их травление. В результате травления участки материала, покрытые слоями материала, сохраняются, а незащищенные участки и жертвенные слои исчезают. Таким образом, появляется готовая микромеханическая система, которую затем интегрируют в МЭМС-устройство.

Одними из первых МЭМС были струйные печатающие головки и контроллеры подушек безопасности. Со временем на основе МЭМС были созданы различные типы датчиков. На рисунке 2 представлены МЭМС-устройства, нашедшие широкое применение, а также их основные преимущества.

Поиск патентных публикаций (заявки, патенты на изобретения, полезные модели) по теме «микроэлектромеханические устройства» проводился в следующих базах патентной информации:

	база данных ФИПС (Российская Федерация);
	база данных Patentscope (Всемирная организация интеллектуальной собственности – ВОИС);
	база данных Espacenet (Европейское патентное ведомство – ЕПВ).

В результате поиска по подклассам МПК B32B, B33Y, B81B, B81C, B82B, B82Y, H04B, H04Q, H04R и ключевым словам microelectromechanical system, microelectromechanical device, substrate, mount, sacrificial layer, semiconductor было получено распределение патентных публикаций по странам за период c 2001 г. по 2021 г., представленное на рисунках 3 и 4. Распределение на рисунке 3 представлено для 8 стран, имеющих наибольшее количество публикаций.

На рисунке 5 представлено распределение количества патентных публикаций по теме «микроэлектромеханические устройства» по годам за период с 2001 г. по 2021 г.

На рисунке 6 представлено распределение по количеству патентных публикаций среди стран-лидеров по теме «микроэлектромеханические устройства» за период с 2001 г. по 2010 г. На рисунке 7 представлено аналогичное распределение за период с 2011 г. по 2021 г.

Из распределений, представленных на рисунках 5 – 7, можно сделать вывод, что, начиная с 2001 г., в мире наблюдается общая тенденция увеличения количества патентных публикаций по теме «микроэлектромеханические устройства». При этом в период с 2001 г. по 2011 г лидирующие позиции по количеству патентных публикаций занимали США. С 2012 г. на первое место по количеству патентных публикаций вышел Китай, а США и Тайвань находятся на втором и третьем месте соответственно.

Так как лидерами по количеству патентных публикаций являются Китай, США и Тайвань, целесообразно рассмотреть публикации патентных ведомств данных стран за период с 2010 г. по 2021 г.

На рисунке 8 представлено распределение патентных публикаций патентного ведомства Китая за период с 2010 г. по 2021 г. по теме «микроэлектромеханические устройства». Распределение представлено для организаций, имеющих наибольшее количество публикаций.

На рисунках 9 и 10 представлены аналогичные распределения патентных публикаций патентных ведомств США и Тайваня соответственно.

Из распределений, представленных на рисунках 8 – 10, можно сделать вывод, что организации и компании, занимающиеся разработкой и производством МЭМС, подают заявки и получают охранные документы на территории стран, в которых также осуществляются разработки по данному направлению. Например, организации, зарегистрированные в странах Азии, подают заявки в США, а американские и европейские компании патентуют свои разработки в странах Азии.

Данное обстоятельство может быть объяснено активным внедрением технологий МЭМС в различные сферы и устройства, а также наличием высокой конкуренции между компаниями, занимающимися разработкой и производством данных систем.

Наибольшее количество патентных публикаций в патентных ведомствах Китая, США и Тайваня за период с 2010 г. по 2021 г. имеет компания TSMC (Taiwan Semiconductor Manufacturing Company), которая является одним из крупнейших производителей полупроводниковых приборов. Клиентами TSMC являются такие компании, как Huawei, MediaTek, Realtek, Samsung, AMD, Qualcomm, Apple, а также российская компания Baikal Electronics.

На втором месте по количеству патентных публикаций в патентном ведомстве Китая находится немецкая компания Infineon Technologies AG. Данная компания является производителем полупроводников и систем для автомобильной промышленности, а также для других отраслей. В частности, данные продукты могут устанавливаться в силовых агрегатах автомобиля (управление двигателем и трансмиссией), электронике (управление, амортизаторы), а также в системах безопасности (ABS, подушки безопасности). Необходимо отметить, что данная компания имеет свои представительства в разных регионах и странах, в том числе в Сингапуре, Малайзии, Индонезии и Китае. Это обуславливает большое количество патентов, полученных, например, в китайском патентном ведомстве.

Так как в настоящее время в мире активно проводятся разработки по созданию и внедрению МЭМС, целесообразно проанализировать российские патентные и непатентные публикации.

На рисунке 11 представлено распределение российских патентных публикаций по теме «микроэлектромеханические устройства» за период с 2010 г. по 2021 г.

Из распределения, представленного на рисунке 11, следует, что на территории России свои решения охраняют следующие организации:

	The Boeing Company (патент RU 2620876 C2 (действует));
	Qualcomm MEMS Technologies (патенты RU 2475789 C2 (не действует) и RU 2471210 C2 (не действует));
	ЗАО «Нанотехнология МДТ» (патент RU 2533325 С2 (не действует)).

На рисунке 12 представлено распределение публикаций непатентной литературы по теме «микроэлектромеханические устройства» за период с 2010 г. по 2021 г. (по данным портала eLibrary).

На рисунке 13 представлено распределение публикаций непатентной литературы по теме «микроэлектромеханические устройства» по организациям за период с 2010 г. по 2021 г. Распределение представлено для организаций, имеющих наибольшее количество публикаций.

Из распределения, представленного на рисунке 11, можно сделать вывод, что большая часть охранных документов, полученных на территории Российской Федерации по направлению МЭМС, была получена иностранными организациями. При этом патенты данных организаций имеют приоритет по заявкам, поданным в США.

Из распределений, представленных на рисунках 12 и 13, можно сделать вывод, что с 2010 г. по 2021 г. количество публикаций непатентной литературы по теме «микроэлектромеханические устройства» находилось примерно на одном уровне. Это может быть обусловлено наличием постоянного интереса к данной области со стороны образовательных организаций, а также научно-исследовательских лабораторий, расположенных на их территории. При этом публикации непатентной литературы, в основном, осуществляются образовательными организациями.

Малое количество заявок, подаваемых российскими организациями по данному направлению, может быть связано с тем, что образовательные организации не рассматривают возможность потенциальной коммерциализации результатов, полученных в ходе исследований. Также малое количество публикаций может быть связано с тем, что на территории России организации, осуществляющие производство МЭМС, либо отсутствуют, либо представлены незначительно.

В результате анализа патентной информации по теме «микроэлектромеханические устройства» было получено распределение патентных публикаций по группам МПК (рисунок 14). Распределение представлено по группам МПК, по которым выявлено больше всего публикаций.

Патентные публикации распределяются по следующим группам МПК:

Патентная активность в сфере МЭМС обусловлена их широким внедрением в различные устройства и системы, используемые в повседневной жизни, активным развитием организаций и компаний, осуществляющих разработку и производства МЭМС, а также наличием высокой конкуренции между ними.

Большое количество заявок по данной теме подаются в патентные ведомства Китая, США и Тайваня. Это обусловлено тем, что в данных странах расположены организации – производители полупроводниковых устройств и МЭМС.

На основании высокой активности патентования разработок по направлению МЭМС можно сделать вывод, что данное направление является перспективным.

На российском рынке в настоящий момент запатентовано сравнительно небольшое количество решений. При этом количество публикаций непатентной литературы по данному направлению за период с 2010 г. по 2021 г. находилось примерно на одном уровне. Таким образом, можно сделать вывод, что у образовательных и научно-исследовательских организаций имеется интерес к данному направлению, но они не рассматривают возможность коммерциализации полученных результатов.

Ввиду того, что количество охранных документов по направлению «миниатюрные электромеханические устройства», действующих на территории Российской Федерации, незначительно, российским организациям и компаниям целесообразно увеличить количество разработок по данному направлению, сформировать портфель прав и обеспечить патентование своих разработок по перспективным, с точки зрения коммерческой реализации, направлениям и технологиям. При этом ввиду высокой активности патентования разработок зарубежными конкурентами, ввиду наличия большого количества публикаций по данному направлению, а также из-за высоких темпов развития технологий в данной сфере, в настоящее время могут возникнуть сложности при патентовании перспективных разработок и технологий.

Необходимо отметить, что применение МЭМС в изделиях ракетно-космической техники является перспективным направлением. Например, МЭМС могут найти свое применение в акселерометрах, датчиках угловых скоростей, гироскопах, тензометрических и барометрических датчиках. Подобные датчики представлены, например, в патентах EP1596203B1, CN103017946B. В патенте EP1596203B1, представлен МЭМС – датчик, являющийся магнитоплавающим акселерометром. Датчик включает в себя подложку, нижний и верхний магнитные слои, промежуточный магнитный элемент, который находится на «магнитной подушке» между магнитными слоями, а также компонент, позволяющий измерить смещение промежуточного магнитного элемента. Внешний вид МЭМС – датчика представлен на рисунке 15.

За счет измерения токов, возникающих при смещении промежуточного магнитного элемента, либо за счет измерения изменения емкости между магнитными слоями, возникающими при перемещении промежуточного магнитного элемента, при помощи МЭМС – датчика может быть обеспечено точное измерение линейных ускорений.

В патенте CN103017946B представлен пьезорезистивный многоосевой МЭМС – датчик силы. Датчик состоит из подложки, консольной балки и пьезорезистивной полосы. Один конец консольной балки закреплен к подложке, а другой конец подвешен. На гранях консольной балки закреплена пьезорезистивная полоса.

Консольная балка может изгибаться в горизонтальном и вертикальном направлениях в зависимости от направления приложенной микросилы. Изменение величины сопротивления пьезорезистивной полосы связано с величиной микросилы, приложенной к консольной балке, а также с ее направлением. Внешний вид МЭМС – датчика представлен на рисунке 16.

Таким образом, может быть получен сравнительно небольшой датчик силы, который обладает высокой чувствительностью и обеспечивает измерение разнонаправленных сил.