Tantaliserende tantal:Forbedring af MEMS termiske aktuatorer og sensorer

Accelerometre i mobiltelefoner, mikroprocessorer i bærbare computere, og gyroskoper, der balancerer droner, er hver især afhængige af mikroelektromekaniske systemer, eller MEMS for kort. Inden for disse små systemer er der endnu mindre enheder, kaldet aktuatorer og sensorer, der udfører forskellige fysiske funktioner.

En type er en termisk aktuator, som omdanner energi til bevægelse ved udvidelse og sammentrækning af materialer på grund af temperaturændringer. Du finder MEMS termiske aktuatorer inde i computerens diskdrev, scanning sonder, og mikromotorer.

I øjeblikket, disse termiske aktuatorer er afhængige af polysilicium, et materiale, der kræver høje temperaturer og forbruger en betydelig mængde strøm under fremstillingsprocessen. Mens du arbejder med relateret forskning, efterforskere ved Carnegie Mellon University's College of Engineering indså, at de havde fundet en effektiv erstatning.

Anført af Maarten de Boer, professor i maskinteknik, holdet skabte mikroelektromekaniske termiske aktuatorer med tantal i stedet for polysilicium. Dette sænkede både driftstemperaturen og energiforbruget, som ville være nødvendigt for en given mængde aktivering. Resultaterne blev offentliggjort i Natur Mikrosystemer og nanoteknik . Yderligere undersøgelser resulterede i en yderligere artikel offentliggjort i Journal of Microelectromechanical Systems.

Tantal er en sjælden ildfast metal, bruges ofte i legeringer for at øge styrke og holdbarhed. Forskerne teoretiserede, at tantal termiske aktuatorer - på grund af metallets store termiske udvidelseskoefficient sammenlignet med siliciumsubstratet, som det er lavet på - ville kræve mindre end halvdelen af ​​strømtilførslen for den samme kraft og forskydning end dem, der er lavet med polysilicium.

Kører ved en lavere spænding end andre termiske aktuatorer, tantalerne er direkte kompatible med komplementære metaloxid-halvleder-kredsløb (CMOS). Tantalanordningerne kunne også behandles næsten ved stuetemperatur.

"I princippet, dette arbejde demonstrerer levedygtigheden af ​​at bruge tantal ikke kun til at fremstille termoaktuatorer, men også mange sensorer til brug i en bred vifte af integreret nanoelektronik, sagde de Boer.

Under fremstillingsprocessen af ​​en mikroprocessor, telefon, eller anden enhed, producenter placerer typisk en MEMS-komponent på en chip og elektroniske CMOS-komponenter på en anden chip.

De Boers team mener, at tantal som et MEMS-strukturmateriale kan eliminere både behovet for to separate chips og de ekstra ledninger, der sender signaler mellem dem. Dette vil resultere i mere effektive enheder lavet med mindre materiale, som vil koste mindre at fremstille og resultere i højere ydeevne.

Selvom andre forskere har undersøgt måder at fjerne den anden chip på, de fandt, at de høje temperaturer, der var nødvendige for at fremstille MEMS, var en vejspærring. De Boers team har løst dette problem.

Det andet papir, offentliggjort i Journal of Microelectromechanical Systems , undersøgte brugen af ​​aluminiumnitrid til at opretholde en lav temperatur under MEMS-fremstillingsprocessen. Dette kunne øge levedygtigheden af ​​at udvikle både MEMS og CMOS på samme chip i en "MEMS-sidste" tilgang, der kan være af interesse både for støberier og for såkaldte fabelløse MEMS-virksomheder.

"Med hensyn til CMOS-integration, det ville være ret spændende, da det egner sig til brug af fuld CMOS under MEMS, " observerede Gary Fedder, professor i elektro- og computerteknik. "Tantaltætheden er omkring syv gange større end silicium, så den vil være fremragende som bevismasse. Det er en stor sag, da en lignende følsomhedstransducer kan være syv gange mindre!"

Resultaterne kan have fremtidig indflydelse på en række industrier, der kræver sensorteknologier, ligesom rumfart, sundhedspleje, optiske netværk, og robotteknologi. De Boer og hans elever har indgivet tre foreløbige patenter inden for behandling af tantal til MEMS.

Yderligere forfattere om de tekniske papirer og foreløbige patenter omfatter Longchang Ni og Ryan Pocratsky, både ph.d. studerende på Institut for Maskinteknik.