以当前成本的百分之一开发新型器件的新技术

admin 2018-05-16

来自MIT的研究人员已经开发出了以当前成本的百分之一来构建微机电系统的新技术。 / em

微机电系统(或MEMS)在2014年的营业额为120亿美元。但该市场仅由少数设备支配,例如重新调整大多数智能手机屏幕的加速度计。

这是因为制造MEMS传统上需要复杂的半导体制造设施,这需要花费数千万美元来建造。潜在有用的MEMS在开发过程中受到影响,因为它们没有足够大的市场来证明最初的生产投资。

麻省理工学院微系统技术实验室的研究人员最近发表的两篇论文提供了希望,可能会改变。其中一项研究表明,使用台式设备制造的基于MEMS的气体传感器的性能至少与传统生产设施中建造的商用传感器一样好。

在另一篇论文中,他们表明桌面制作设备的中心组件本身可以用3D打印机构建。这些论文共同表明,一种广泛使用的MEMS气体传感器的成本可能是成本的百分之一,而且质量没有损失。

研究人员的制造设备避开了传统MEMS制造商昂贵的许多要求。 “我们所做的添加剂制造是基于低温和无真空的,”麻省理工学院微系统技术实验室的首席研究科学家Luis FernandoVelásquez-García说。 “我们使用的最高温度大概是60摄氏度。在芯片中,您可能需要生长氧化物,其生长温度大约为1000摄氏度。而且在许多情况下,反应器需要这些高真空来防止污染。我们也非常快速地制造这些设备。我们报告的设备始终在几个小时内完成。“

欢迎抵抗

多年来,Velásquez-García一直在研究制造技术,这种技术涉及密集的发射体阵列,当受到强电场作用时会喷射出微小流体流。对于气体传感器,Velásquez-García和Anthony Taylor是英国公司Edwards Vacuum的访问研究员,他们使用所谓的“内部发射器”。这些发射器具有圆柱形孔,允许流体通过它们。

在这种情况下,流体中含有石墨烯氧化物的小片。石墨烯于2004年发现,是一种原子厚的碳,具有卓越的电性能。 Velásquez-García和Taylor使用它们的发射器在硅衬底上以规定的图案喷射流体。流体迅速蒸发,留下仅仅几十纳米厚的氧化石墨烯薄片涂层。

薄片太薄以至于与气体分子的相互作用以可测量的方式改变其阻力,使得它们用于感测。 Velásquez-García说:“我们使用价值数百美元的商用产品来运行气体传感器。” “我们展示的是它们一样精确,而且速度更快。我们以非常低的成本制造 - 可能是美分 - 与商业同行一样好或者比其更好。“

为了生产这些传感器,Velásquez-García和Taylor使用了使用传统工艺制造的电喷射发射器。然而,在12月号的微机电系统杂志上,Velásquez-García报道使用经济实惠的高质量3D打印机生产塑料电喷射发射体,其尺寸和性能与产生气体传感器的发射体相匹配。

定做

Velásquez-García说,除了使电喷雾设备更具成本效益外,3D打印还可以更容易地针对特定应用对其进行定制。 “当我们开始设计它们时,我们什么都不知道,”Velásquez-García说。 “但在本周结束时,我们可能有15代设备,每种设计都比以前的版本效果更好。”

事实上,Velásquez-García说,电喷雾的好处并不在于使现有的MEMS器件能够以更便宜的价格制造,而是能够实现全新的器件。除了使小型市场的MEMS产品具有成本效益之外,电喷雾还可以使产品与现有的制造技术不相容。

Velásquez-García说:“在某些情况下,MEMS制造商必须根据模型以及基于微制造技术制定的目标,在他们打算制造的产品之间妥协。” “只有少数设备适合描述具有大型市场并且没有低水平表现的设备,这些设备已经成功了。”

Velásquez-García说,电喷雾还可能导致新颖的生物传感器。 “它允许我们沉积与高温半导体制造不相容的材料,如生物分子,”他说。

“肯定的是,这篇论文为制造气体微传感器开辟了新的技术路径,”波兰弗罗茨瓦夫理工大学微型工程系主任Jan Dziuban说。 “从技术角度来看,这个过程可能很容易适应大规模生产。”

“但是有希望的结果必须在统计学上证明,”他警告说。 “个人经验告诉我,使用纳米结构材料的新型传感器有很多非常有前途的材料,这些材料已发表在高级科学论文中,但并未产生可靠的产品。”

出版物:

Anthony P Taylor和Luis FVelásquez-García,“Electrospray-printed nanostructured graphene oxide gas sensors”,Nanotechnology,2015; doi:10.1088 / 0957-4484 / 26/50 / 505301Velasquez-Garcia,L.F.,“SLA 3-D Printed Arrays of Miniaturized,Internally Fed,Polymer Electrospray Emitters”Journal of Microelectromechanical Systems,2015; DOI:10.1109 / JMEMS.2015.2475696

资料来源:麻省理工学院新闻节目Larry Hardesty


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