Verleidelijk tantaal: verbetering van thermische actuatoren en sensoren van MEMSMS

Versnellingsmeters in mobiele telefoons, microprocessors in laptops en gyroscopen die drones in evenwicht brengen, zijn elk afhankelijk van micro-elektromechanische systemen, kortweg MEMS. Binnen deze kleine systemen bevinden zich nog kleinere apparaten, actuatoren en sensoren genaamd, die verschillende fysieke functies vervullen.

Eén type is een thermische actuator die energie omzet in beweging door de uitzetting en samentrekking van materialen als gevolg van temperatuurveranderingen. U vindt MEMS thermische actuatoren in computerschijfstations, scansondes en micro-engines.

Momenteel vertrouwen deze thermische actuatoren op polysilicium, een materiaal dat hoge temperaturen vereist en een aanzienlijke hoeveelheid stroom verbruikt tijdens het fabricageproces. Terwijl ze aan gerelateerd onderzoek werkten, realiseerden onderzoekers van Carnegie Mellon University’s College of Engineering zich dat ze een efficiënt alternatief hadden gevonden.

Onder leiding van Maarten de Boer, hoogleraar werktuigbouwkunde, creëerde het team micro-elektromechanische thermische actuatoren met tantaal in plaats van polysilicium. Dit verlaagde zowel de bedrijfstemperatuur als het energieverbruik dat nodig zou zijn voor een bepaalde hoeveelheid bediening. De resultaten zijn gepubliceerd in Natuur Microsystemen en nano-engineering. Nader onderzoek resulteerde in een aanvullend artikel gepubliceerd in de Journal of micro-elektromechanische systemen.

Tantaal is een zeldzaam, vuurvast metaal dat vaak wordt gebruikt in legeringen om de sterkte en duurzaamheid te vergroten. De onderzoekers theoretiseerden dat thermische actuatoren van tantaal – vanwege de grote thermische uitzettingscoëfficiënt van het metaal in vergelijking met het siliciumsubstraat waarop het is gemaakt – minder dan de helft van het ingangsvermogen nodig hebben voor dezelfde kracht en verplaatsing dan die gemaakt met polysilicium.

De tantaal-actuators werken op een lagere spanning dan andere thermische actuatoren en zijn direct compatibel met complementaire metaaloxide-halfgeleidercircuits (CMOS). De tantaalapparaten konden ook bijna bij kamertemperatuur worden verwerkt.

“In principe demonstreert dit werk de levensvatbaarheid van het gebruik van tantaal, niet alleen om thermoactuators te fabriceren, maar ook voor veel sensoren voor gebruik in een breed scala van geïntegreerde nano-elektronica,” zei de Boer.

Tijdens het fabricageproces van een microprocessor, telefoon of ander apparaat plaatsen fabrikanten meestal een MEMS-component op één chip en elektronische CMOS-componenten op een tweede chip.

Het team van De Boer is van mening dat tantaal als MEMS-structuurmateriaal zowel de noodzaak voor twee afzonderlijke chips als de extra bedrading die signalen tussen hen verzendt, kan elimineren. Dit zal resulteren in efficiëntere apparaten die zijn gemaakt met minder materiaal, wat minder kost om te produceren en resulteert in hogere prestaties.

Hoewel andere onderzoekers manieren hebben onderzocht om de tweede chip te elimineren, vonden ze de hoge temperaturen die nodig waren om MEMS te fabriceren een wegversperring. Het team van De Boer heeft dit probleem opgelost.

Het tweede artikel, gepubliceerd in de Journal of micro-elektromechanische systemen, onderzocht het gebruik van aluminiumnitride om een ​​lage temperatuur te handhaven tijdens het MEMS-fabricageproces. Dit zou de levensvatbaarheid kunnen vergroten van het ontwikkelen van zowel MEMS als CMOS op dezelfde chip in een “MEMS-last”-benadering die interessant kan zijn voor zowel gieterijen als zogenaamde fabless MEMS-bedrijven.

“Wat betreft de CMOS-integratie, het zou best spannend zijn omdat het zich leent voor het gebruik van volledige CMOS onder de MEMS”, merkte Gary Fedder, een professor in elektrische en computertechniek, op. “De dichtheid van tantaal is ongeveer zeven keer groter dan die van silicium, dus het zal uitstekend zijn als proefmassa. Dat is een groot probleem, aangezien een vergelijkbare gevoeligheidstransducer zeven keer kleiner kan zijn!”

De resultaten kunnen toekomstige gevolgen hebben voor een reeks industrieën die detectietechnologieën nodig hebben, zoals ruimtevaart, gezondheidszorg, optische netwerken en robotica. De Boer en zijn studenten hebben drie voorlopige octrooien aangevraagd op het gebied van de verwerking van tantaal voor MEMS.

Andere auteurs op de technische documenten en voorlopige patenten zijn Longchang Ni en Ryan Pocratsky, beide Ph.D. studenten van de faculteit Werktuigbouwkunde.