Accelerometrar i mobiltelefoner, mikroprocessorer i bärbara datorer, och gyroskop som balanserar drönare är beroende av mikroelektromekaniska system, eller MEMS för kort. Inom dessa små system finns ännu mindre enheter, kallade ställdon och sensorer, som utför olika fysiska funktioner.

En typ är ett termiskt ställdon som omvandlar energi till rörelse genom expansion och sammandragning av material på grund av temperaturförändringar. Du hittar MEMS termiska ställdon inuti datorns diskenheter, skanningssonder, och mikromotorer.

För närvarande, dessa termiska ställdon är beroende av polykisel, ett material som kräver höga temperaturer och förbrukar en betydande mängd ström under tillverkningsprocessen. Under arbetet med relaterad forskning, utredare vid Carnegie Mellon Universitys College of Engineering insåg att de hade hittat ett effektivt substitut.

Leds av Maarten de Boer, professor i maskinteknik, teamet skapade mikroelektromekaniska termiska ställdon med tantal istället för polykisel. Detta sänkte både driftstemperaturen och energiförbrukningen som skulle behövas för en given mängd aktivering. Resultaten publicerades i Natur Mikrosystem och nanoteknik . Ytterligare forskning resulterade i ytterligare en artikel publicerad i Journal of Microelectromechanical Systems.

Tantal är en sällsynt, eldfast metall, används ofta i legeringar för att öka styrkan och hållbarheten. Forskarna teoretiserade att termiska ställdon av tantal - på grund av metallens stora värmeutvidgningskoefficient jämfört med kiselsubstratet som den är gjord på - skulle kräva mindre än hälften av energitillförseln för samma kraft och förskjutning än de som tillverkas med polykisel.

Fungerar med lägre spänning än andra termiska ställdon, de tantal är direkt kompatibla med komplementära metalloxidhalvledarkretsar (CMOS). Tantalanordningarna kunde också bearbetas nästan vid rumstemperatur.

"I princip, detta arbete visar lönsamheten i att använda tantal inte bara för att tillverka termoaktuatorer utan också många sensorer för användning i ett brett utbud av integrerad nanoelektronik, sa de Boer.

Under tillverkningsprocessen av en mikroprocessor, telefon, eller annan enhet, tillverkare placerar vanligtvis en MEMS-komponent på ett chip och elektroniska CMOS-komponenter på ett andra chip.

De Boers team tror att tantal som ett MEMS-strukturmaterial kan eliminera både behovet av två separata chips och den extra ledning som skickar signaler mellan dem. Detta kommer att resultera i effektivare enheter tillverkade med mindre material, vilket kommer att kosta mindre att tillverka och resultera i högre prestanda.

Även om andra forskare har undersökt sätt att eliminera det andra chipet, de fann att de höga temperaturerna som behövdes för att tillverka MEMS var en vägspärr. De Boers team har löst problemet.

Den andra tidningen, publiceras i Journal of Microelectromechanical Systems , utforskade användningen av aluminiumnitrid för att hålla en låg temperatur under MEMS-tillverkningsprocessen. Detta skulle kunna öka lönsamheten att utveckla både MEMS och CMOS på samma chip i ett "MEMS-last"-upplägg som kan vara av intresse både för gjuterier och för så kallade fabellösa MEMS-företag.

"Angående CMOS-integrationen, det skulle vara ganska spännande eftersom det lämpar sig för användning av full CMOS under MEMS, " observerade Gary Fedder, professor i el- och datateknik. "Tantaldensiteten är ungefär sju gånger större än kisel, så det blir utmärkt som provmassa. Det är en stor sak eftersom en liknande känslighetsgivare kan vara sju gånger mindre!"

Resultaten kan ha framtida inverkan på en rad branscher som kräver avkänningsteknik, som flyg, sjukvård, optiska nätverk, och robotik. De Boer och hans studenter har lämnat in tre provisoriska patent inom områdena bearbetning av tantal för MEMS.

Ytterligare författare om tekniska papper och provisoriska patent inkluderar Longchang Ni och Ryan Pocratsky, både Ph.D. studenter vid institutionen för maskinteknik.