Versnellingsmeters in mobiele telefoons, microprocessors in laptops, en gyroscopen die drones balanceren, vertrouwen elk op micro-elektromechanische systemen, of kortweg MEMS. Binnen deze kleine systemen zijn nog kleinere apparaten, genaamd actuatoren en sensoren, die verschillende fysieke functies uitvoeren.

Eén type is een thermische actuator die energie omzet in beweging door uitzetting en samentrekking van materialen als gevolg van temperatuurveranderingen. U vindt MEMS thermische aandrijvingen in schijfstations van computers, scannende sondes, en micromotoren.

Momenteel, deze thermische aandrijvingen zijn gebaseerd op polysilicium, een materiaal dat hoge temperaturen vereist en een aanzienlijke hoeveelheid stroom verbruikt tijdens het fabricageproces. Tijdens het werken aan gerelateerd onderzoek, onderzoekers van Carnegie Mellon University's College of Engineering realiseerden zich dat ze een efficiënte vervanging hadden gevonden.

Onder leiding van Maarten de Boer, hoogleraar werktuigbouwkunde, het team creëerde 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 zeldzame, vuurvast metaal, vaak 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.

Werkend op een lagere spanning dan andere thermische aandrijvingen, de tantaal zijn direct compatibel met complementaire metaaloxide halfgeleider (CMOS) circuits. De tantaalapparaten konden ook bijna bij kamertemperatuur worden verwerkt.

"In principe, dit werk toont de levensvatbaarheid aan 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, fabrikanten plaatsen 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 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, ze vonden de hoge temperaturen die nodig waren om MEMS te fabriceren een wegversperring. Het team van De Boer heeft dit probleem opgelost.

Het tweede papier, 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 op, een professor in elektrische en computertechniek. "Tantaliumdichtheid is ongeveer zeven keer groter dan 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 onder meer Longchang Ni en Ryan Pocratsky, zowel Ph.D. studenten van de faculteit Werktuigbouwkunde.