卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的研究人員正在探索一種用于微機(jī)電系統(tǒng) (MEMS) 熱致動器和傳感器的有效替代材料。圖片來源：卡內(nèi)基梅隆大學(xué)德波爾實驗室

手機(jī)中的加速度計、筆記本電腦中的微處理器以及平衡無人機(jī)的陀螺儀都依賴于微機(jī)電系統(tǒng)，簡稱 MEMS。在這些小型系統(tǒng)中還有更小的設(shè)備，稱為執(zhí)行器和傳感器，可以執(zhí)行各種物理功能。  

一種是熱致動器，它通過材料因溫度變化而膨脹和收縮將能量轉(zhuǎn)化為運(yùn)動。您會在計算機(jī)磁盤驅(qū)動器、掃描探針和微型引擎中找到 MEMS 熱致動器。  

目前，這些熱致動器依賴于多晶硅，這種材料在制造過程中需要高溫并消耗大量功率。在進(jìn)行相關(guān)研究時，卡內(nèi)基梅隆大學(xué)工程學(xué)院的研究人員意識到他們找到了一種有效的替代品。 

在機(jī)械工程教授 Maarten de Boer 的帶領(lǐng)下，該團(tuán)隊用鉭代替多晶硅創(chuàng)建了微機(jī)電熱致動器。這降低了給定驅(qū)動量所需的工作溫度和能耗。結(jié)果發(fā)表在 Nature  Microsystems & Nanoengineering 上。進(jìn)一步的研究導(dǎo)致在《微機(jī)電系統(tǒng)雜志》上發(fā)表了一篇額外的論文 。 

鉭是一種稀有的難熔金屬，常用于合金中以增加強(qiáng)度和耐用性。研究人員推測，鉭熱致動器（由于金屬的熱膨脹系數(shù)與制造它的硅基板相比較大）在相同的力和位移下所需的功率輸入少于多晶硅制造的熱致動器的一半。 

鉭的工作電壓低于其他熱致動器，與互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體 (CMOS) 電路直接兼容。鉭器件也可以在接近室溫下進(jìn)行加工。 

“原則上，這項工作證明了使用鉭不僅可以制造熱致動器，而且可以用于制造多種傳感器，以用于廣泛的集成納米電子器件的可行性，”de Boer 說。

在微處理器、電話或其他設(shè)備的制造過程中，制造商通常將 MEMS 組件放在一個芯片上，將電子 CMOS 組件放在第二個芯片上。  

De Boer 的團(tuán)隊認(rèn)為，鉭作為一種 MEMS 結(jié)構(gòu)材料可以消除對兩個獨(dú)立芯片的需求以及在它們之間發(fā)送信號的額外布線。這將導(dǎo)致用更少的材料制造更高效的設(shè)備，這將降低制造成本并帶來更高的性能。 

盡管其他研究人員已經(jīng)探索了消除第二個芯片的方法，但他們發(fā)現(xiàn)制造 MEMS 所需的高溫是一個障礙。De Boer 的團(tuán)隊已經(jīng)解決了這個問題。  

第二篇論文發(fā)表在 《微機(jī)電系統(tǒng)雜志》上，探討了在 MEMS制造過程中使用氮化鋁來保持低溫。這可以提高在同一芯片上以“MEMS-last”方法開發(fā) MEMS 和 CMOS 的可行性，這可能會引起代工廠和所謂的無晶圓 MEMS 公司的興趣。 

“關(guān)于 CMOS 集成，這將是非常令人興奮的，因為它有助于在 MEMS 下使用全 CMOS，”電氣和計算機(jī)工程教授 Gary Fedder 觀察到。“鉭的密度大約是硅的 7 倍，因此它非常適合作為檢測質(zhì)量。這很重要，因為類似的靈敏度傳感器可以小 7 倍！”

結(jié)果可能會對需要傳感技術(shù)的一系列行業(yè)產(chǎn)生未來影響，如航空航天、醫(yī)療保健、光網(wǎng)絡(luò)和機(jī)器人技術(shù)。De Boer 和他的學(xué)生在 MEMS 鉭加工領(lǐng)域申請了三項臨時專利。  

技術(shù)論文和臨時專利的其他作者包括 Longchang Ni 和 Ryan Pocratsky，他們都是博士。機(jī)械工程系的學(xué)生。