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(dòng)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(shí)驗(yàn)室

手機(jī)中的加速度計(jì)、筆記本電腦中的微處理器以及平衡無(wú)人機(jī)的陀螺儀都依賴于微機(jī)電系統(tǒng)，簡(jiǎn)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(dòng)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(dòng)。您會(huì)在計(jì)算機(jī)磁盤驅(qū)動(dòng)器、掃描探針和微型引擎中找到 MEMS 熱致動(dòng)器。  

目前，這些熱致動(dòng)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(shí)，卡內(nèi)基梅隆大學(xué)工程學(xué)院的研究人員意識(shí)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(duì)用鉭代替多晶硅創(chuàng)建了微機(jī)電熱致動(dòng)器。這降低了給定驅(qū)動(dòng)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(cè)，鉭熱致動(dòng)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(dòng)器的一半。 

鉭的工作電壓低于其他熱致動(dòng)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(xiàng)工作證明了使用鉭不僅可以制造熱致動(dòng)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(gè)芯片上，將電子 CMOS 組件放在第二個(gè)芯片上。  

De Boer 的團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，鉭作為一種 MEMS 結(jié)構(gòu)材料可以消除對(duì)兩個(gè)獨(dú)立芯片的需求以及在它們之間發(fā)送信號(hào)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(gè)芯片的方法，但他們發(fā)現(xiàn)制造 MEMS 所需的高溫是一個(gè)障礙。De Boer 的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)解決了這個(gè)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(huì)引起代工廠和所謂的無(wú)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?yàn)樗兄谠?MEMS 下使用全 CMOS，”電氣和計(jì)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(cè)質(zhì)量。這很重要，因?yàn)轭愃频撵`敏度傳感器可以小 7 倍！”

結(jié)果可能會(huì)對(duì)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(qǐng)了三項(xiàng)臨時(shí)專利。  

技術(shù)論文和臨時(shí)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。