改进 MEMS 热致动器和传感器

卡内基梅隆大学的研究人员正在探索一种用于微机电系统 (MEMS) 热致动器和传感器的有效替代材料。图片来源：卡内基梅隆大学德波尔实验室

手机中的加速度计、笔记本电脑中的微处理器以及平衡无人机的陀螺仪都依赖于微机电系统，简称 MEMS。在这些小型系统中还有更小的设备，称为执行器和传感器，可以执行各种物理功能。  

一种是热致动器，它通过材料因温度变化而膨胀和收缩将能量转化为运动。您会在计算机磁盘驱动器、扫描探针和微型引擎中找到 MEMS 热致动器。  

目前，这些热致动器依赖于多晶硅，这种材料在制造过程中需要高温并消耗大量功率。在进行相关研究时，卡内基梅隆大学工程学院的研究人员意识到他们找到了一种有效的替代品。 

在机械工程教授 Maarten de Boer 的带领下，该团队用钽代替多晶硅创建了微机电热致动器。这降低了给定驱动量所需的工作温度和能耗。结果发表在 Nature  Microsystems & Nanoengineering 上。进一步的研究导致在《微机电系统杂志》上发表了一篇额外的论文 。 

钽是一种稀有的难熔金属，常用于合金中以增加强度和耐用性。研究人员推测，钽热致动器（由于金属的热膨胀系数与制造它的硅基板相比较大）在相同的力和位移下所需的功率输入少于多晶硅制造的热致动器的一半。 

钽的工作电压低于其他热致动器，与互补金属氧化物半导体 (CMOS) 电路直接兼容。钽器件也可以在接近室温下进行加工。 

“原则上，这项工作证明了使用钽不仅可以制造热致动器，而且可以用于制造多种传感器，以用于广泛的集成纳米电子器件的可行性，”de Boer 说。

在微处理器、电话或其他设备的制造过程中，制造商通常将 MEMS 组件放在一个芯片上，将电子 CMOS 组件放在第二个芯片上。  

De Boer 的团队认为，钽作为一种 MEMS 结构材料可以消除对两个独立芯片的需求以及在它们之间发送信号的额外布线。这将导致用更少的材料制造更高效的设备，这将降低制造成本并带来更高的性能。 

尽管其他研究人员已经探索了消除第二个芯片的方法，但他们发现制造 MEMS 所需的高温是一个障碍。De Boer 的团队已经解决了这个问题。  

第二篇论文发表在 《微机电系统杂志》上，探讨了在 MEMS制造过程中使用氮化铝来保持低温。这可以提高在同一芯片上以“MEMS-last”方法开发 MEMS 和 CMOS 的可行性，这可能会引起代工厂和所谓的无晶圆 MEMS 公司的兴趣。 

“关于 CMOS 集成，这将是非常令人兴奋的，因为它有助于在 MEMS 下使用全 CMOS，”电气和计算机工程教授 Gary Fedder 观察到。“钽的密度大约是硅的 7 倍，因此它非常适合作为检测质量。这很重要，因为类似的灵敏度传感器可以小 7 倍！”

结果可能会对需要传感技术的一系列行业产生未来影响，如航空航天、医疗保健、光网络和机器人技术。De Boer 和他的学生在 MEMS 钽加工领域申请了三项临时专利。  

技术论文和临时专利的其他作者包括 Longchang Ni 和 Ryan Pocratsky，他们都是博士。机械工程系的学生。 

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