Czujniki użytkowane w trudnych warunkach, takich jak głębinowe odwierty naftowe, muszą być w stanie wytrzymać ekstremalne temperatury i ciśnienia przez setki godzin.
Vivek Chidambaram i jego współpracownicy z A*STAR Institute of Microelectronics w Singapurze zbadali stop aluminium i germanu, który może zapewnić ochronę czujnikom MEMS nawet w najcięższych warunkach.
MEMS (z ang. Micro Electro-Mechanical Systems) to określenie zintegrowanych układów elektro-mechanicznych, których co najmniej jeden wymiar szczególny znajduje się w skali mikro (0,1 – 100 µm).
Typowe czujniki MEMS wykonują pomiary temperatury, ciśnienia lub wibracji i są hermetycznie zamknięte wewnątrz wytrzymałej metalowej obudowy. Taka ochrona nie dopuszcza powietrza i wilgoci, które mogłyby uszkodzić elektroniczne detektory.
Zespół Chidambarama chciał znależć tańszy i bardziej trwały materiał niż stosowane obecnie w takich warunkach stopy metali takie złoto i cyna lub miedź i cyna.
Naukowcy zbadali stop aluminium i germanu w proporcjach 70:30. Temperatura topnienia mieszaniny wynosi około 420°C. Temperatury ta (punkt eutektyczny) jest znacznie niższa, niż dla każdego metalu z osobna.
W odróżnieniu od większości materiałów na obudowy, stop aluminium i germanu jest kompatybilny z procesem wytwarzania modułów MEMS. Użycie tego stopu ułatwia produkcję, jest tańsze oraz poprawia wydajność urządzenia.
Badacze zaprojektowali stertę naprzemiennie ułożonych czterech płytek aluminium i germanu. Grubość każdej płytki była mniejsza niż jeden mikrometr. Taką “kanapkę” (z ang. sandwich) ogrzewano pod ciśnieniem do temperatury około 400°C przez 2 godziny. Płytki nie uległy stopieniu, tylko procesowi starzenia termicznego. Następnie naukowcy podwyższyli temperaturę do 475°C i ogrzewali materiał przez kolejne 2 godziny. Płytki aluminium i germanu uległy całkowitemu stopieniu.
Platforma wiertnicza w Santa Barbara, Południowa Kalifornia.
Kolejnym krokiem było przeprowadzenie badań, m.in. mikroskopii akustycznej, skaningowej mikroskopii elektronowej, spektroskopii rentgenowskiej do ujawnienia ewentualnych ubytków lub innych wad w uszczelce.
Okazało się, że proces starzenia termicznego poprawił jakość uszczelnienia. Testy wykazały, że stop był wystarczająco silny, by wytrzymać próbę ścinania o nacisku 46 MPa. Podobny nacisk wywiera pół tony na centymetr kwadratowy. Jedynie ekspozycja na działanie temperatury (300°C) przez kilkaset godzin spowodowała częściowe pogorszenie właściwości mechanicznych.
Zespół Chidambarama testował również stop platyny i indu, który posiada najwyższą temperaturę przetopu (894°C), co jest pożądane dla wysokotemperaturowych zastosowań zarówno w przemyśle energetycznym i lotniczym. Stop nie stanowi jednak alternatywy ze względu na pogorszenie właściwości mikrostruktury wystawionego na działanie temperatury o wartości 300°C przez 500h. W tym wypadku stop aluminium i germanu zapewnił lepsze i mniej kosztowne uszczelnienie dla MEMS.
Źródło:
[1] Chidambaram, V., Yeung, H. B. & Shan, G. Development of metallic hermetic sealing for MEMS packaging for harsh environment applications. Journal of Electronic Materials 41, 2256–2266, 2012.
[2] http://www.ipcsit.com/vol32/027-ICSIC2012-D0019.pdf | 07.08.2013
[3] Oil Drilling Platform in the Santa Barbara CA Channel by Mike Baird, flickr.com, CC BY 2.0