Stop aluminium i germanu na trudne warunki

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.

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

Dodaj pierwszy komentarz

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *