आपके फ़ोन के भीतर हिलते पुर्ज़ों वाली एक मशीन है, और उसके पुर्ज़े परमाणु की चौड़ाई भर हिलते हैं

फ़ोन घुमाइए और स्क्रीन घूम जाती है। आम धारणा यही रहती है कि कोई सॉफ़्टवेयर कुछ भाँप रहा है, या बिना हिले-डुले चलने वाला कोई ठोस-अवस्था वाला करतब है। दोनों नहीं। फ़ोन के भीतर सचमुच एक मशीन है — सिलिकॉन की पतली कमानियों पर लटका सिलिकॉन का एक टुकड़ा, जो झूल सकता है — और जब आप हैंडसेट टेढ़ा करते हैं, गुरुत्व उस टुकड़े को थोड़ा एक तरफ़ खींच लेता है। वह जितना खिसकता है वह क़रीब एक नैनोमीटर है, यानी कुछ परमाणुओं की चौड़ाई भर। चिप उसी को नापती है, और स्क्रीन घूम जाती है।

इन उपकरणों को MEMS कहते हैं — माइक्रो-इलेक्ट्रो-मैकेनिकल सिस्टम — और ये अर्धचालक उद्योग की सबसे अजीब उपज हैं: मैकेनिकल इंजीनियरिंग, पर उस पैमाने पर जहाँ आप कुछ जोड़ सकते ही नहीं, सिर्फ़ उगा और घोल सकते हैं।

इतनी छोटी हरकत नापना जो दिखती ही नहीं

एक्सेलेरोमीटर में एक प्रूफ़ मास होता है — सिलिकॉन का जानबूझकर बनाया गया टुकड़ा — जिसे पतली सिलिकॉन शहतीरें थामे रहती हैं और वही कमानी का काम करती हैं। चिप को त्वरण दीजिए और जड़त्व के कारण वह टुकड़ा पीछे रह जाता है; कमानियाँ खिंचती हैं; टुकड़ा उतना खिसक जाता है जितना त्वरण के अनुपात में बनता है। और अगर आप उसे बस टेढ़ा कर दें, तो वही काम गुरुत्व कर देता है — इसीलिए एक ही सेंसर गति और दिशा दोनों बताता है, और अपने आप यह नहीं बता सकता कि वह किसे देख रहा है।

सवाल यह है कि चंद रुपयों के उपकरण में एक नैनोमीटर का खिसकना नापा कैसे जाए। इसे न प्रकाश से नापा जाता है, न यांत्रिक रूप से। इसे बिजली से नापा जाता है।

हिलते हुए टुकड़े पर उँगलियों जैसी कंघी लगी होती है, जो चिप से जुड़ी एक दूसरी, स्थिर कंघी के बीच फँसी रहती है। अंतराल से अलग हुए दो चालक मिलकर एक संधारित्र बनाते हैं, और संधारित्र का मान उसी अंतराल पर निर्भर है। टुकड़ा खिसकता है तो एक तरफ़ के अंतराल घटते हैं और दूसरी तरफ़ के बढ़ते हैं — यानी एक धारिता बढ़ती है और दूसरी घटती है। परिपथ उन दोनों का अंतर नापता है, जिससे तापमान और निर्माण की ज़्यादातर गड़बड़ अपने आप कट जाती है, और एक नैनोमीटर की हरकत धारिता के ऐसे बदलाव में बदल जाती है जो पिकोफ़ैराड से भी कहीं छोटा है। रेडियो ट्रांसमीटर के बग़ल में बैठकर उसे भरोसे से पकड़ लेना ही डिज़ाइन का सचमुच मुश्किल हिस्सा है — और इसीलिए यांत्रिक ढाँचा और उसका प्रवर्धक एक ही डाई पर बनाए जाते हैं, ताकि संकेत को कहीं जाना ही न पड़े।

ठोस वेफ़र में से हिलता हुआ पुर्ज़ा तराशना

यहाँ कुछ भी जोड़ा नहीं जाता। इस पैमाने पर कमानी बनाकर उसे किसी द्रव्यमान से चिपकाने का कोई तरीक़ा है ही नहीं। इसके बजाय हिलने वाला ढाँचा वहीं बना दिया जाता है, और फिर जो चीज़ उसे थामे हुए थी उसे घोलकर हटा दिया जाता है।

सरफ़ेस माइक्रोमशीनिंग में वेफ़र पर परतें एक तय क्रम में जमाई जाती हैं: पहले एक बलिदानी परत, आम तौर पर सिलिकॉन डाइऑक्साइड, फिर पॉलीसिलिकॉन की संरचनात्मक परत, जिसे आम फ़ोटोलिथोग्राफ़ी से द्रव्यमान, कमानियों और कंघियों की शक्ल में काट दिया जाता है। इस मोड़ पर ढाँचा पूरी तरह बन चुका है और पूरी तरह चिपका हुआ है, ठोस ऑक्साइड पर बैठा। आख़िरी क़दम है रिलीज़ एच — ऐसा रसायन जो ऑक्साइड को तेज़ी से घोले और सिलिकॉन को मुश्किल से छुए, आम तौर पर हाइड्रोफ़्लोरिक अम्ल। ढाँचे के नीचे का ऑक्साइड ग़ायब हो जाता है, और जो अभी तक चपटी परतों का ढेर था वह नीचे ख़ाली जगह वाली, लटकी हुई मशीन बन जाता है।

मोटे और भारी ढाँचों के लिए रास्ता है डीप रिएक्टिव आयन एचिंग, जो दसियों माइक्रोमीटर गहरी लगभग सीधी खाइयाँ काटती है — इसके लिए वह बारी-बारी से एक बार काटती है और एक बार दीवारों पर बचाव की परत जमाती है, ताकि कटाई नीचे की ओर बढ़े, बग़ल में नहीं। इससे दीवारों पर सीपी जैसे निशान बनते हैं, और यही तरीक़ा ऐसा प्रूफ़ मास देता है जिसमें सचमुच वज़न हो — और संवेदनशील उपकरण को वही चाहिए।

MEMS की हर चीज़ पूरे वेफ़र पर एक साथ परतें चढ़ाकर और हटाकर बनती है। दो आयामों में डिज़ाइन की आज़ादी बहुत है और तीसरे में बहुत कम — और लगभग हर चतुर MEMS ढाँचा असल में यही तरकीब है कि चपटी परतों के ढेर से त्रि-आयामी बर्ताव कैसे निकाला जाए।

वह नाकामी जो इस पूरे क्षेत्र को गढ़ती है

माइक्रोमीटर पैमाने का ढाँचा आज़ाद कीजिए और आप उस समस्या से मिलते हैं जिसने इस पूरे उद्योग की शक्ल तय की है: स्टिक्शन।

इस पैमाने पर सतही बल वज़न पर हावी हो जाते हैं। अगर रिलीज़ तरल में किया जाए और फिर पुर्ज़े को सुखाया जाए, तो पीछे हटता तरल केशिका बल से उस लचीले ढाँचे को नीचे सतह पर खींच लेता है — और इतनी कम दूरी पर दो चिकनी सिलिकॉन सतहें एक बार छू जाएँ तो वान डर वाल्स बल और सतही रसायन उन्हें हमेशा के लिए वहीं जोड़े रख सकते हैं। उपकरण यांत्रिक रूप से बिल्कुल सही है और पूरी तरह मरा हुआ।

इससे बचने के उपाय छोटे पैमाने के डिज़ाइन की अच्छी मिसाल हैं। रिलीज़ तरल के बजाय वाष्प में कीजिए, ताकि तरल की सतह बने ही नहीं। हिलने वाले ढाँचे के नीचे छोटे उभार — डिंपल — रखिए, ताकि छूना हो भी तो चपटी सतह से नहीं, नन्हे बिंदुओं से हो। सतहों को जानबूझकर खुरदरा रखिए ताकि असली संपर्क क्षेत्र घटे। और अणु भर मोटी ऐसी परत चढ़ाइए जो सतही ऊर्जा घटा दे। यही वह इलाक़ा है जहाँ आम मैकेनिकल इंजीनियरिंग की समझ काम आनी बंद हो जाती है: घर्षण, गुरुत्व और जड़त्व सहायक पात्र बन जाते हैं, और चिपकना मुख्य कहानी।

काँपते हुए द्रव्यमान से घूर्णन पकड़ना

जायरोस्कोप को घूमना पकड़ना है, और धक्का देने के लिए वहाँ कुछ है नहीं। तरकीब है कोरिओलिस प्रभाव।

उपकरण एक द्रव्यमान को एक अक्ष पर लगातार आगे-पीछे कँपाता रहता है, जिसे स्थिरवैद्युत बल से चलाया जाता है। अब अगर चिप घुमाई जाए, तो उस काँपते द्रव्यमान पर ऐसा बल लगता है जो उसकी गति और घूर्णन की धुरी, दोनों के लंबवत होता है — वही प्रभाव जो घूमते ग्रह पर हवाओं को मोड़ देता है — और वह दूसरी, लंबवत दिशा में थोड़ा हिलने लगता है। यह दूसरी हरकत घूमने की दर के अनुपात में होती है, और उसे कंघियों का दूसरा जोड़ा धारिता से पकड़ लेता है। यानी जायरोस्कोप वह एक्सेलेरोमीटर है जिसके भीतर एक द्रव्यमान जानबूझकर हिलाया जा रहा है।

इससे पैकेजिंग की वह बात समझ आती है जो जाने बिना मनमानी लगती है। एक्सेलेरोमीटर को आम तौर पर डैंपिंग चाहिए: सँकरी दरारों में फँसी गैस तेज़ हरकत का विरोध करती है और झटके के बाद ढाँचे को थरथराने से रोकती है, इसलिए उसे लगभग वायुमंडलीय दबाव पर बंद किया जाता है। जायरोस्कोप को उल्टा चाहिए — उसका कंपन जितना कम ऊर्जा गँवाए उतना अच्छा, ताकि कम बिजली में भी आयाम बना रहे — इसलिए उसे निर्वात में बंद किया जाता है। देखने में लगभग एक जैसी दो सिलिकॉन मशीनें, वेफ़र स्तर पर वायुरुद्ध जोड़ी हुई, और भीतर उलटे वातावरण।

फिर भी आपका फ़ोन रास्ता क्यों भटक जाता है

MEMS सेंसर सस्ते, नन्हे और हैरान करने वाली हद तक अच्छे हैं — और ये सब खिसकते हैं। जायरोस्कोप का शून्य-बिंदु तापमान के साथ और पैकेट से आए यांत्रिक तनाव के साथ सरकता रहता है — चिप को सर्किट बोर्ड पर टाँका लगाना डाई पर सचमुच दबाव डालता है, और वह दबाव रीडिंग में दिखता है। ज़रा-सी ग़लत घूर्णन दर को समय के साथ जोड़ते जाइए और अनुमानित दिशा असलियत से दूर चली जाती है; स्थिति निकालने के लिए त्वरण को दो बार जोड़िए तो ग़लती और तेज़ी से बढ़ती है। इसीलिए सिर्फ़ जड़त्व के भरोसे इनडोर नेविगेशन एक मिनट में बिखर जाता है, और इसीलिए सस्ती MEMS इकाइयाँ विमानों की महँगी जड़त्वीय प्रणालियों की जगह नहीं ले सकतीं।

जवाब है सेंसर फ़्यूज़न: ऐसे सेंसर जोड़िए जिनकी ग़लतियाँ आपस में जुड़ी न हों। जायरोस्कोप छोटे अंतराल में बेहतरीन है और धीरे-धीरे खिसकता है; एक्सेलेरोमीटर शोर भरा है पर औसतन हमेशा जानता है कि नीचे किधर है; मैग्नेटोमीटर मोटे तौर पर उत्तर जानता है पर पास पड़े किसी लोहे या चुंबक से बहक जाता है। एक अनुमानक इन्हें ऐसे मिलाता है कि हर एक दूसरे की कमज़ोरी सुधार दे। और आपका फ़ोन कभी-कभी जो आठ की शक्ल में घुमाने को कहता है, वह यही कर रहा होता है — वह एक्सेलेरोमीटर नहीं जाँच रहा, बल्कि यह नक़्शा बना रहा है कि फ़ोन की अपनी धातु चुंबकीय क्षेत्र को कितना बिगाड़ती है, ताकि दिक़्सूचक उसे घटा सके।

विद्यार्थियों और शोधकर्ताओं के लिए क्यों मायने रखता है

MEMS वह जगह है जहाँ सूक्ष्म निर्माण सिर्फ़ इलेक्ट्रॉनिक्स का औज़ार नहीं रहता और आम उत्पादन तकनीक बन जाता है। जिस लिथोग्राफ़ी, जमाव और नक़्क़ाशी से ट्रांजिस्टर बनते हैं, उन्हीं से दाब सेंसर, माइक्रोफ़ोन, इंकजेट के छिद्र, प्रकाशीय स्विच, निदान के लिए माइक्रोफ़्लुइडिक चिप, और आज के उपकरणों में समय रखने वाले अनुनादक भी बनते हैं। इन प्रक्रियाओं का ख़र्च चिप उद्योग ने उठाया; MEMS उन्हें विरासत में लेकर हर उस चीज़ पर लगा देता है जो कटी-छँटी परतों से बन सके।

यह असामान्य रूप से अच्छी ट्रेनिंग भी है, क्योंकि काम करने वाले उपकरण के लिए यांत्रिकी, इलेक्ट्रॉनिक्स, सामग्री और पैकेजिंग — चारों का एक साथ ठीक होना ज़रूरी है, और यहाँ नाकामियों पर स्नातक पाठ्यक्रम में पढ़ाए जाने वाले थोक गुणों का नहीं, सतही प्रभावों का राज चलता है। यह मेल — ऐसा ढाँचा जो अपने रिलीज़ क़दम से बेहतर हो ही नहीं सकता, ऐसा संकेत जो अपने प्रवर्धक से बेहतर नहीं हो सकता, और ऐसा पैकेट जो ख़ुद जवाब बदल देता है — असली उपकरण इंजीनियरिंग यही दिखती है। नैनोटेक्नोलॉजी, सामग्री या इलेक्ट्रॉनिक्स पढ़ने वाले किसी के लिए भी यह इस बात का सबसे साफ़ उपलब्ध सबूत है कि छोटे पैमाने पर सतह ही उपकरण है।

अक्सर पूछे जाने वाले सवाल

फ़ोन को कैसे पता चलता है कि उसे किस तरफ़ पकड़ा गया है?

उसके भीतर लगे MEMS एक्सेलेरोमीटर में लचीली कमानियों पर सिलिकॉन का छोटा टुकड़ा लटका होता है। दिशा के हिसाब से गुरुत्व उसे क़रीब एक नैनोमीटर खिसका देता है, और चिप उस खिसकाव को आपस में फँसी कंघियों के बीच धारिता के नन्हे बदलाव के रूप में पकड़ लेती है।

MEMS उपकरण बनते कैसे हैं?

वे उन्हीं प्रक्रियाओं से बनते हैं जिनसे इंटीग्रेटेड सर्किट बनते हैं। परतें जमाकर फ़ोटोलिथोग्राफ़ी से काटी जाती हैं, जिनमें एक परत जानबूझकर बलिदानी रखी जाती है; आख़िरी नक़्क़ाशी उसी परत को घोल देती है और बचा हुआ ढाँचा लटका हुआ तथा हिलने को आज़ाद रह जाता है।

MEMS में स्टिक्शन क्या है?

यह आज़ाद किए गए सूक्ष्म ढाँचे का पास की सतह से हमेशा के लिए चिपक जाना है। इस पैमाने पर केशिका और वान डर वाल्स बल ढाँचे के वज़न पर हावी हो जाते हैं, इसलिए रिलीज़ वाष्प में किया जाता है और नीचे डिंपल या चिपकाव-रोधी परत लगाई जाती है।

MEMS जायरोस्कोप घूर्णन कैसे नापता है?

वह एक द्रव्यमान को एक अक्ष पर कँपाता रहता है। उपकरण घूमने पर कोरिओलिस प्रभाव उस काँपते द्रव्यमान को घूमने की दर के अनुपात में बग़ल की ओर धकेलता है, और धारिता वाले इलेक्ट्रोड उस दूसरी हरकत को पकड़ लेते हैं।

फ़ोन के सेंसरों को कैलिब्रेशन और फ़्यूज़न की ज़रूरत क्यों पड़ती है?

क्योंकि हर सेंसर अलग तरह से खिसकता या बहकता है — जायरोस्कोप का शून्य तापमान और पैकेट के दबाव से सरकता है, एक्सेलेरोमीटर शोर भरा है, और मैग्नेटोमीटर पास की धातु से बिगड़ता है। इन्हें मिला देने से हर एक दूसरे की ग़लती की भरपाई कर देता है।