p Acelerômetros em telefones celulares, microprocessadores em laptops, e giroscópios que equilibram drones, cada um depende de sistemas microeletromecânicos, ou MEMS para breve. Dentro desses pequenos sistemas estão dispositivos ainda menores, chamados atuadores e sensores, que executam várias funções físicas. p Um tipo é um atuador térmico que transforma energia em movimento pela expansão e contração de materiais devido às mudanças de temperatura. Você encontrará atuadores térmicos MEMS dentro das unidades de disco do computador, sondas de varredura, e micro motores.

p Atualmente, esses atuadores térmicos dependem de polissilício, um material que requer altas temperaturas e consome uma quantidade considerável de energia durante o processo de fabricação. Enquanto trabalhava em pesquisas relacionadas, investigadores da Faculdade de Engenharia da Carnegie Mellon University perceberam que haviam encontrado um substituto eficiente.

p Liderado por Maarten de Boer, professor de engenharia mecânica, a equipe criou atuadores térmicos microeletromecânicos com tântalo em vez de polissilício. Isso reduziu a temperatura de operação e o consumo de energia que seriam necessários para uma determinada quantidade de acionamento. Os resultados foram publicados em Natureza Microsistemas e Nanoengenharia . Outras pesquisas resultaram em um artigo adicional publicado no Journal of Microelectromechanical Systems.

p Tântalo é um raro, metal refratário, frequentemente usado em ligas para aumentar a resistência e durabilidade. Os pesquisadores teorizaram que os atuadores térmicos de tântalo - devido ao grande coeficiente de expansão térmica do metal em comparação com o substrato de silício no qual é feito - exigiriam menos da metade da entrada de energia para a mesma força e deslocamento do que aqueles feitos com polissilício.

p Operando em uma tensão mais baixa do que outros atuadores térmicos, os de tântalo são diretamente compatíveis com circuitos semicondutores de óxido metálico complementar (CMOS). Os dispositivos de tântalo também podem ser processados ​​quase à temperatura ambiente.

p "Em princípio, este trabalho demonstra a viabilidade do uso de tântalo não apenas para fabricar termoativadores, mas também muitos sensores para uso em uma ampla gama de nanoeletrônica integrada, "disse de Boer.

p Durante o processo de fabricação de um microprocessador, telefone, ou outro dispositivo, os fabricantes normalmente colocam um componente MEMS em um chip e os componentes eletrônicos CMOS em um segundo chip.

p A equipe de De Boer acredita que o tântalo como um material estrutural de MEMS pode eliminar a necessidade de dois chips separados e a fiação extra que envia sinais entre eles. Isso resultará em dispositivos mais eficientes, feitos com menos material, que custará menos para fabricar e resultará em melhor desempenho.

p Embora outros pesquisadores tenham explorado maneiras de eliminar o segundo chip, eles descobriram que as altas temperaturas necessárias para fabricar MEMS eram um obstáculo. A equipe de De Boer resolveu esse problema.

p O segundo artigo, publicado no Journal of Microelectromechanical Systems , explorou o uso de nitreto de alumínio para manter uma temperatura baixa durante o processo de fabricação de MEMS. Isso poderia aumentar a viabilidade de desenvolver MEMS e CMOS no mesmo chip em uma abordagem "MEMS-last" que pode ser de interesse tanto para fundições quanto para as chamadas empresas de MEMS sem fábrica.

p "Com relação à integração CMOS, seria muito emocionante, pois se presta ao uso de CMOS completo sob o MEMS, "observou Gary Fedder, professor de engenharia elétrica e da computação. "A densidade do tântalo é cerca de sete vezes maior do que o silício, então será excelente como massa de prova. Isso é muito importante, pois um transdutor de sensibilidade semelhante pode ser sete vezes menor! "

p Os resultados podem ter impacto futuro em uma variedade de indústrias que requerem tecnologias de detecção, como aeroespacial, cuidados de saúde, redes ópticas, e robótica. De Boer e seus alunos entraram com três patentes provisórias nas áreas de processamento de tântalo para MEMS.

p Os autores adicionais dos artigos técnicos e patentes provisórias incluem Longchang Ni e Ryan Pocratsky, ambos Ph.D. alunos do Departamento de Engenharia Mecânica.