科技前沿

MEMS材料谁为王? 独立合金薄膜将取代硅

  

       据外媒报道,约翰·霍普金斯大学(Johns Hopkins University)带队研发了新款金属薄膜,未来该材料或将被用于制造传感器等微机电系统(MEMS)设备,其抗拉强度、耐热、耐高温性能比硅强。

  硅的耐热、抗压性能不足

  当今科技日新月异,无论是汽车、物联网、发动机还是公用设施都离不开微型传感器的支持与推动。然而,问题在于这类传感器通常由硅制成,但硅物理特性上的不足使其未来应用受限。

  约翰·霍普金斯大学材料科学家兼机械工程师Kevin J. Hemker携团队已在新材料研发方面取得成功,该材料有助于确保这类传感器(即人们熟知的“微机电系统”MEMS)能继续满足未来技术前沿的要求。

  该校威汀工程学院(Whiting School of Engineering)机械工程学(Mechanical Engineering)的Hemker表示:“多年前,我们就开始尝试采用更为复杂的复合材料制造MEMS设备。”

  大多数微机电设备(MEMS)内部结构复杂,其尺寸比人类发丝的宽度还要小,主要成分为硅。在常温下,该类设备运作良好,但在适度受热(加热几百摄氏度)后,该材料将导致其丧失强度及电子讯号的传导能力。此外,硅较脆,易破碎。

  尽管如此,硅一度是微机电系统技术的核心材料,其产品历经数代而不衰。然而,如今该材料却并未制造商们的理想选择,未来这类MEMS设备将被用于物联网技术的相关设备中,该类设备对材质的耐高温、耐高压的要求很高。显而易见,硅无法胜任该要求。

  研发新款合金薄膜

  Hemker表示:“这就要求科研人员研发强度与密度更大,导电、导热能力更强的先进材料。此外,对形状维持的要求也较高,其制作及塑形务必要符合微观标准。据称,目前尚无符合上述特性的MEMS材料。”

  为研发这类新材料,研究人员考虑结合使用含镍金属,这是一款常用的先进结构材料(advanced structural materials)。例如,镍基超合金(Nickel-base superalloys)就被用于制造喷气式发动机。鉴于外形稳定性的需求,研究人员做了大量实验,他们将金属钼(molybdenum)、钨(tungsten),力图提升纯镍受热膨胀对应的温度界限值。

  约翰·霍普金斯大学的研究团队采用的试验设备尺寸较大,与冰箱相近,该团队采用离子去击中目标物,将合金气化并保持原子状态,使其积聚在表面或基材上,进而产生了一款可剥离的薄膜,最终生成了一款独立合金薄膜(freestanding films),其平均厚度在29微米,比人类发丝还小。

  这类独立薄膜拥有超强的特性。该薄膜在进行拉伸试验时展现了极强的抗拉强度,这意味着形状保持能力极强,不会变形或破碎,其抗拉强度是高强度钢的三倍。尽管极少数其他材料也有类似的抗拉强度,但那些材料既不耐高温,也无法轻易加工成形并制造MEMS部件。

  Hemker表示:“我们认为合金将有助于提升其强度及耐热性(thermal stability),但我们不知道对性能提升的作用会有这么大。”

  由于该合金内部晶体结构的原子排列方式,该材料的强度特别高。该结构强化了材料的强度,且不会对该材料的导电性能产生影响。

  Hemker表示:“该结构使合金薄膜的综合性能极强,平衡了各项了材料特性。该薄膜耐高温,热稳定性及机械稳定性极强。该研发团队正忙于下一阶段的研发,涉及薄膜的塑形与MEMS部件制造。研究团体正在为该项独立合金薄膜申请专利。”