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一种新的方法可以帮助研究人员制作出微小的三维结构图为两个封装的微芯片,每个微芯片都在其表面上制造微小的桥梁麻省理工学院的研究人员开发出一种MEMS器件,通过使用新的设计方法在单个芯片上实现3-D感应

设计方法使用现有的制造工艺,硅器件可配备传感器,放置在芯片的微小桥梁顶部和下方,以检测三维现象,如加速度微机电系统或MEMS,是具有巨大潜力的小型设备通常由组件制成尺寸小于100微米 - 人类头发的直径 - 它们被用作微小的生物传感器,加速度计,陀螺仪和执行器在大多数情况下,现有的MEMS器件是二维的,功能元件设计在一个表面上芯片据认为,三维操作 - 例如检测加速度 - 将需要复杂的制造和精确定位的多个器件的昂贵合并现在,麻省理工学院的研究人员提出了一种新的MEMS设计方法,使工程师能够利用现有的制造工艺设计三维配置

通过这种方法,研究人员构建了一种能够在单个芯片上实现3-D感应的MEMS器件硅片器件,比亚伯拉罕林肯的美国便士耳朵大得多,包含有关红细胞宽度的微观元素,可以是设计达到芯片表面上方数百微米的高度Fabio Fachin是航空航天系的博士后,该设备可能配备了传感器,放置在芯片的微小桥梁顶部和下方,以检测三维现象作为加速器这种紧凑型加速度计可用于多种应用,包括自主空间导航,其中三维加速度场的极其精确分辨率是关键“当前MEMS行业的主要驱动因素之一是试图完全制造三个 - 单芯片上的尺寸设备,不仅可以实现真正的3-D感应和驱动,还可以带来显着的成本效益, Fachin说:“MEMS加速度计可以为您提供非常精确的加速度[测量],占地面积非常小,在太空中是至关重要的”Fachin与麻省理工学院航空航天学副教授Brian Wardle和设计工程师Stefan Nikles合作在开发无线传感器技术的马萨诸塞州安多弗公司MEMSIC上,该团队在“微电子机械系统期刊”上发表的一篇论文中概述了他们的三维方法背后的原理,而大多数MEMS器件都是两个 - 维度,已经努力将该领域转移到3D领域,特别是对于由聚合物制成的设备科学家们已经使用光刻技术从聚合物制造复杂的三维结构,这些结构已被用作微型齿轮,齿轮和微型涡轮机

,Fachin说,聚合物缺乏某些应用所需的刚度和强度,并且可能在高温下变形 - 质量不理想在诸如执行器和减震器等应用中,硅等材料相对耐用且耐温

但是,Fachin说,在硅中制造三维器件是棘手的MEMS工程师使用一种称为深反应离子蚀刻的常用技术来制造部分3 -D结构,其中二维元件被蚀刻到晶片中然而,该技术不能实现完整的3-D配置,其中结构在芯片表面上方升高为了制造这样的器件,工程师制造微小的二维桥,或者悬臂,在芯片表面上生产芯片后,它们施加一小小的力将桥拱成三维结构.Fachin说,最后一步需要很高的精度内部压力相反,麻省理工学院的团队提出了一条方法在没有最终微调的情况下创建三维MEMS元件该组基于残余应力的方法:在任何桥梁结构中,无论其尺寸如何,都存在材料中存在的应力即使在生产它所需的原始力 - 例如制造过程的热量或机械力 - 已经消失之后,这种应力可能足以使材料变形,这取决于其尺寸 Fachin和他的同事研究了以前关于微束配置的工作,并开发了方程式来表示薄膜材料的柔韧性,几何形状和残余应力之间的关系

然后,该组将他们所需的桥高度插入方程中,并得出残余应力的数量需要将结构弯曲或弯曲成所需形状Fachin说其他研究人员可以使用该组方程作为分析工具,使用预先存在的制造工艺设计其他3-D器件“这为3-D提供了一种非常经济的方法结构,“佛罗里达大学电气和计算机工程副教授YK Yoon说,他没有参与这项研究”由于该工艺基于硅衬底,并且与标准互补金属氧化物半导体(CMOS)兼容这一过程,它还将提供通向智能CMOS-MEMS工艺的途径,具有良好的可制造性“该团队使用了他们的a用于设计复合硅结构的微型3-D器件的分析工具,每个芯片包含高度弯曲或弯曲的微光束Fachin的传感器,放置在每个桥的顶部和芯片的表面上,可以三角测量以测量加速度“对于其他如果你希望尺寸更大的应用,你可以选择一种具有较大残余应力的材料,这会导致光束弯曲更多,“Fachin说”工具的灵活性非常重要“来源:Jennifer Chu ,MIT新闻办公室图片:麻省理工学院新闻办公室

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