5-6-5 SiC Микроэлектромеханические системы (МЭМС) и датчики

5-6-5 SiC Микроэлектромеханические системы (МЭМС) и датчики

5-6-5 SiC Микроэлектромеханические системы (МЭМС) и датчики

Как описано в главе Хескета о микрообработке в этой книге, разработка и использование МЭМС на основе кремния продолжает расширяться. В то время как предыдущие разделы этой главы были сосредоточены на использовании SiC для традиционных полупроводниковых электронных устройств, ожидается, что SiC будет играть значительную роль в новых приложениях MEMS. SiC обладает превосходными механическими свойствами, которые устраняют некоторые недостатки МЭМС на основе кремния, такие как чрезвычайная твердость и низкое трение, снижающие механический износ, а также отличная химическая инертность к коррозионным средам. Например, изучается превосходная долговечность SiC, позволяющая в течение длительного времени эксплуатировать электрические микродвигатели и источники энергии для микрореактивных двигателей, где механические свойства кремния оказываются недостаточными.

К сожалению, те же свойства, которые делают SiC более долговечным, чем кремний, также делают SiC более трудным для микромашиностроения. Подходы к изготовлению структур MEMS в жестких условиях на SiC и прототипы результатов SiC-MEMS, полученные к настоящему времени, рассмотрены в ссылках 124 и 190. Невозможность выполнить травление с мелким рисунком монокристаллического 4H- и 6H-SiC влажными химикатами (раздел 5.5.4) затрудняет микрообработку этого электронного SiC. Таким образом, большая часть микрообработки SiC на сегодняшний день реализована в электрически неполноценном гетероэпитаксиальном 3C-SiC и поликристаллическом SiC, нанесенном на кремниевые пластины. Различные методы объемной микрообработки, поверхностной микрообработки и микролитья были использованы для изготовления широкого спектра микромеханических структур, включая резонаторы и микродвигатели. Стандартизированная услуга литейного процесса микромеханического производства SiC на кремниевых пластинах, которая позволяет пользователям реализовывать свои собственные микромеханические устройства на основе SiC для конкретных приложений, разделяя пространство и стоимость пластины с другими пользователями, коммерчески доступна.

Для приложений, требующих высокотемпературной SiC-электроники с малой утечкой, невозможной со слоями SiC, нанесенными на кремний (включая высокотемпературные транзисторы, как обсуждалось в разделе 5.6.2), концепции для интеграции гораздо более мощной электроники с MEMS на пластинах SiC 4H / 6H с эпитаксиальными слоями. Например, датчики давления, разрабатываемые для использования в областях с более высокими температурами реактивных двигателей, реализованы в 6H-SiC, в основном из-за того, что для обеспечения надлежащей работы датчика требуется небольшая утечка в переходе. Также разрабатывается интегрированная транзисторная электроника 4H / 6H, которая позволяет формировать сигнал в месте измерения высокой температуры. Для всех датчиков на основе микромеханики жизненно важно упаковать датчик таким образом, чтобы свести к минимуму наложение термомеханических индуцированных напряжений (которые возникают из-за несоответствия коэффициентов теплового расширения в гораздо больших диапазонах температур, обеспечиваемых SiC) на чувствительные элементы. Следовательно (как упоминалось ранее в разделе 5.5.6), усовершенствованная упаковка почти так же важна, как и использование SiC для полезного расширения рабочего диапазона МЭМС в суровых условиях.

Как обсуждалось в разделе 5.3.1, основное применение SiC-датчиков для агрессивных сред - обеспечение активного мониторинга и управления системами двигателей внутреннего сгорания для повышения эффективности использования топлива при одновременном снижении загрязнения. С этой целью высокотемпературные возможности SiC позволили реализовать прототипы газовых сенсоров типа каталитический металл-SiC и металл-изолятор-SiC, которые имеют большие перспективы для приложений мониторинга выбросов и обнаружения утечек в топливной системе. Работа этих структур при высоких температурах, невозможная с кремнием, позволяет быстро обнаруживать изменения содержания водорода и углеводородов с чувствительностью до миллионных долей с помощью очень малогабаритных датчиков, которые легко можно незаметно разместить на двигателе без необходимости охлаждения. Однако необходимы дальнейшие улучшения надежности, воспроизводимости и стоимости газовых датчиков на основе SiC, прежде чем эти системы будут готовы к широкому использованию в потребительских автомобилях и самолетах. В общем, то же самое можно сказать и о большинстве SiC MEMS, которые не смогут обеспечить широкое распространение полезных системных вставок до тех пор, пока высокая надежность в суровых условиях не будет обеспечена за счет дальнейшего развития технологий.

Поделиться этой записью