Acelerómetros en teléfonos móviles, microprocesadores en portátiles, y los giroscopios que equilibran los drones se basan en sistemas microelectromecánicos, o MEMS para abreviar. Dentro de estos pequeños sistemas hay dispositivos aún más pequeños, llamados actuadores y sensores, que realizan diversas funciones físicas.

Un tipo es un actuador térmico que transforma la energía en movimiento mediante la expansión y contracción de los materiales debido a los cambios de temperatura. Encontrará actuadores térmicos MEMS dentro de las unidades de disco de la computadora, sondas de exploración, y micro motores.

En la actualidad, estos actuadores térmicos se basan en polisilicio, un material que requiere altas temperaturas y consume una cantidad considerable de energía durante el proceso de fabricación. Mientras trabajaba en una investigación relacionada, Los investigadores de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Carnegie Mellon se dieron cuenta de que habían encontrado un sustituto eficaz.

Dirigido por Maarten de Boer, profesor de ingeniería mecánica, el equipo creó actuadores térmicos microelectromecánicos con tantalio en lugar de polisilicio. Esto redujo tanto la temperatura de funcionamiento como el consumo de energía que serían necesarios para una determinada cantidad de actuación. Los resultados fueron publicados en Naturaleza Microsistemas y nanoingeniería . Investigaciones posteriores dieron como resultado un artículo adicional publicado en el Revista de sistemas microelectromecánicos.

El tantalio es un raro metal refractario, se utiliza a menudo en aleaciones para aumentar la resistencia y durabilidad. Los investigadores teorizaron que los actuadores térmicos de tantalio, debido al gran coeficiente de expansión térmica del metal en comparación con el sustrato de silicio sobre el que está hecho, requerirían menos de la mitad de la entrada de energía para la misma fuerza y ​​desplazamiento que los fabricados con polisilicio.

Operando a un voltaje más bajo que otros actuadores térmicos, los de tantalio son directamente compatibles con los circuitos semiconductores de óxido de metal complementarios (CMOS). Los dispositivos de tantalio también podrían procesarse casi a temperatura ambiente.

"En principio, este trabajo demuestra la viabilidad de usar tantalio no solo para fabricar termoactuadores sino también muchos sensores para su uso en una amplia gama de nanoelectrónica integrada, "dijo De Boer.

Durante el proceso de fabricación de un microprocesador, teléfono, u otro dispositivo, Los fabricantes suelen colocar un componente MEMS en un chip y los componentes electrónicos CMOS en un segundo chip.

El equipo de De Boer cree que el tantalio como material estructural MEMS puede eliminar tanto la necesidad de dos chips separados como el cableado adicional que envía señales entre ellos. Esto dará como resultado dispositivos más eficientes fabricados con menos material, lo que costará menos de fabricar y dará como resultado un mayor rendimiento.

Aunque otros investigadores han explorado formas de eliminar el segundo chip, encontraron que las altas temperaturas necesarias para fabricar MEMS eran un obstáculo. El equipo de De Boer ha resuelto este problema.

El segundo papel, publicado en el Revista de sistemas microelectromecánicos , exploró el uso de nitruro de aluminio para mantener una temperatura baja durante el proceso de fabricación de MEMS. Esto podría aumentar la viabilidad de desarrollar MEMS y CMOS en el mismo chip en un enfoque "MEMS-last" que puede ser de interés tanto para las fundiciones como para las llamadas empresas MEMS sin fábrica.

"Con respecto a la integración CMOS, Sería bastante emocionante ya que se presta al uso de CMOS completo en MEMS, "observó Gary Fedder, profesor de ingeniería eléctrica e informática. "La densidad del tantalio es aproximadamente siete veces mayor que la del silicio, por lo que será excelente como masa de prueba. ¡Eso es un gran problema, ya que un transductor de sensibilidad similar puede ser siete veces más pequeño! "

Los resultados podrían tener un impacto futuro en una variedad de industrias que requieren tecnologías de detección, como aeroespacial, cuidado de la salud, redes ópticas, y robótica. De Boer y sus estudiantes han presentado tres patentes provisionales en las áreas de procesamiento de tantalio para MEMS.

Otros autores sobre los artículos técnicos y las patentes provisionales incluyen Longchang Ni y Ryan Pocratsky, ambos Ph.D. estudiantes del Departamento de Ingeniería Mecánica.