Accéléromètres dans les téléphones portables, microprocesseurs dans les ordinateurs portables, et les gyroscopes qui équilibrent les drones reposent chacun sur des systèmes microélectromécaniques, ou MEMS pour faire court. Dans ces petits systèmes se trouvent des appareils encore plus petits, appelés actionneurs et capteurs, qui remplissent diverses fonctions physiques.

Un type est un actionneur thermique qui transforme l'énergie en mouvement par l'expansion et la contraction des matériaux en raison des changements de température. Vous trouverez des actionneurs thermiques MEMS à l'intérieur des lecteurs de disque d'ordinateur, sondes de balayage, et micromoteurs.

Actuellement, ces actionneurs thermiques reposent sur du polysilicium, un matériau qui nécessite des températures élevées et consomme une quantité considérable d'énergie pendant le processus de fabrication. Tout en travaillant sur des recherches connexes, Les enquêteurs du Collège d'ingénierie de l'Université Carnegie Mellon ont réalisé qu'ils avaient trouvé un substitut efficace.

Dirigé par Maarten de Boer, professeur de génie mécanique, l'équipe a créé des actionneurs thermiques microélectromécaniques avec du tantale au lieu du polysilicium. Cela a réduit à la fois la température de fonctionnement et la consommation d'énergie qui seraient nécessaires pour une quantité donnée d'actionnement. Les résultats ont été publiés dans La nature Microsystèmes et nano-ingénierie . D'autres recherches ont abouti à un article supplémentaire publié dans le Journal des systèmes microélectromécaniques.

Le tantale est un rare, métal réfractaire, souvent utilisé dans les alliages pour augmenter la résistance et la durabilité. Les chercheurs ont émis l'hypothèse que les actionneurs thermiques au tantale, en raison du coefficient de dilatation thermique élevé du métal par rapport au substrat de silicium sur lequel il est fabriqué, nécessiteraient moins de la moitié de la puissance absorbée pour la même force et le même déplacement que ceux fabriqués avec du polysilicium.

Fonctionnant à une tension inférieure à celle des autres actionneurs thermiques, ceux au tantale sont directement compatibles avec les circuits semi-conducteurs à oxyde métallique complémentaire (CMOS). Les dispositifs au tantale pourraient également être traités presque à température ambiante.

"En principe, ce travail démontre la viabilité de l'utilisation du tantale non seulement pour fabriquer des thermoactionneurs mais aussi de nombreux capteurs pour une utilisation dans une large gamme de nanoélectronique intégrée, " dit de Boer.

Au cours du processus de fabrication d'un microprocesseur, téléphone, ou autre appareil, les fabricants placent généralement un composant MEMS sur une puce et des composants électroniques CMOS sur une seconde puce.

L'équipe de De Boer pense que le tantale en tant que matériau structurel MEMS peut éliminer à la fois le besoin de deux puces séparées et le câblage supplémentaire qui envoie des signaux entre elles. Cela se traduira par des appareils plus efficaces fabriqués avec moins de matériel, qui coûtera moins cher à fabriquer et se traduira par des performances plus élevées.

Bien que d'autres chercheurs aient exploré des moyens d'éliminer la deuxième puce, ils ont découvert que les températures élevées nécessaires à la fabrication des MEMS étaient un obstacle. L'équipe de De Boer a résolu ce problème.

Le deuxième papier, publié dans le Journal des systèmes microélectromécaniques , a exploré l'utilisation du nitrure d'aluminium pour maintenir une basse température pendant le processus de fabrication du MEMS. Cela pourrait augmenter la viabilité du développement à la fois de MEMS et de CMOS sur la même puce dans une approche « MEMS-last » qui peut intéresser à la fois les fonderies et les sociétés MEMS dites sans usine.

"En ce qui concerne l'intégration CMOS, ce serait assez excitant car il se prête à l'utilisation du CMOS complet sous le MEMS, " a observé Gary Fedder, professeur de génie électrique et informatique. "La densité du tantale est environ sept fois supérieure à celle du silicium, il sera donc excellent comme masse d'épreuve. C'est un gros problème car un transducteur de sensibilité similaire peut être sept fois plus petit !"

Les résultats pourraient avoir un impact futur sur une gamme d'industries qui nécessitent des technologies de détection, comme l'aérospatiale, soins de santé, réseaux optiques, et robotique. De Boer et ses étudiants ont déposé trois brevets provisoires dans les domaines du traitement du tantale pour les MEMS.

Les autres auteurs des articles techniques et des brevets provisoires incluent Longchang Ni et Ryan Pocratsky, les deux Ph.D. étudiants du département de génie mécanique.