تتم الطلب بشكل متزايد على أجهزة MEMS الكهربائية التي تعمل في درجات حرارة مرتفعة في التطبيقات التي يجب فيها إجراء الاستشعار الكهربائي المباشر أو التشغيل في ظل ظروف حرارية متطرفة ،بما في ذلك نظم تحويل الطاقةفي مثل هذه البيئات، غالبًا ما تتجاوز درجات حرارة الجهاز 700 درجة مئوية.نظام يتحدى القيود المادية لتقنيات MEMS التقليدية القائمة على السيليكون.
غالبًا ما تكون درجة حرارة تشغيل MEMS التقليدية مقيدة بسبب تدهور المواد الهيكلية ، وفشل المعادن ،والإجهاد الناجم عن عدم تطابق معامل التوسع الحراري (CTE) بين الطبقات الوظيفية والرصيف الداعمبينما أظهرت أنظمة الألياف MEMS\مختلطة العمل فوق 1000 درجة مئوية، فإن تعقيدها وغياب قابليتها للتوسع يحدون من ملاءمتها لمنصات الاستشعار المتكاملة المدمجة.
يقدم نيوبات الليثيوم (LN) العديد من المزايا للتطبيقات الكهربائية العالية درجة الحرارة ، بما في ذلك درجة حرارة كوري العالية (~ 1200 درجة مئوية) ، الارتباط الكهربائي القوي ،و خصائص إلكتروليكية بصرية و صوتية بصرية ممتازةعلى وجه الخصوص ، يظهر ليثيوم نيوبات (SLN) استقرارًا حراريًا متفوقًا مقارنةً بليثيوم نيوبات متطابق (CLN) ،الذي يعاني من فراغات الليثيوم والتدهور الناجم عن العيوب فوق حوالي 300 درجة مئويةعلى الرغم من أن أجهزة الموجات الصوتية السطحية (SAW) القائمة على LN عالية دراسة على نطاق واسع على الركائز السائبة،لا تزال القدرة الحرارية على البقاء على قيد الحياة من منصات LN معلقة رقيقة الفيلم التي تمكن من موجات صوتية كبيرة (BAW) وأجهزة موجات Lamb لا تزال غير مكتملة.
الهياكل المعلقة MEMS توفر مزيد من الارتباط الكهروميكانيكي والحبس الصوتي ولكن هي بطبيعتها أكثر عرضة للضغوط الحرارية الميكانيكية، كسر،وتنهار في ظروف شديدةفهم حدودها الحرارية أمر ضروري لذلك لتطوير MEMS عالية درجة الحرارة الموثوق بها.
الأجهزة التي تمت دراستها في هذا العمل هي الموجات الصوتية المعلقة ذات الأغشية الرقيقة LN المصممة لدعم أنماط موجات لامب المتماثلة.الموجات الصوتية مصنوعة على كومة متعددة الطبقات تتكون من مقاومة عاليةرصيف السيليكون، طبقة من السيليكون غير المتبلور و فيلم LN ستيوكيومتري بقطع X سميكه 600 نانومتر.يتم اختيار LN المقطوعة بالرنين بسبب استخدامها على نطاق واسع في MEMS والأنظمة الفوتونية وخصائصها الميكانيكية الكهربائية المواتية.
يتم استخدام البلاتين كمادة للكهرباء بسبب نقطة انصهار عالية واستقرارها الكيميائي عند درجات حرارة مرتفعة.يتم إدخال طبقة صلابة من التيتانيوم رقيقة بين LN و Pt لتحسين الصلابة وتخفيف حدوث تحلل في المعدن أثناء الدورة الحراريةتشمل هندسية الرنين الاختلافات في زاوية الدوران داخل الطائرة، وتكوين المرساة،وتخطيط الكهرباء بين الرقميات من أجل تجنب تحيز نتائج التحمل الحراري نحو تصميم واحد.
بالإضافة إلى المقاومات الوظيفية ، يتم تصنيع المقاومات المعدنية serpentine على نفس الركيزة باستخدام المعادن المتطابقة.هذه الهياكل تسمح بمراقبة مباشرة لمقاومة المعدن كدالة على درجة حرارة التسخين، مما يوفر نظرة ثاقبة على تدهور المعادن وتأثيرها على أداء الجهاز.
يتم تقييم المقاومة الحرارية باستخدام بروتوكول التسخين والتوصيف التدريجي. يتم إجراء التسخين في ظروف فراغ لتقليل الأكسدة ،مع معدلات تسخين وتبريد خاضعة للرقابة لقمع الآثار الكهربائية في LNيتم تعيين درجة حرارة التسخين الأولية إلى 250 درجة مئوية، تليها دورات متتالية مع زيادات في درجة الحرارة من 50 درجة مئوية. يتم الاحتفاظ بكل خطوة التسخين في درجة الحرارة المستهدفة لمدة 10 ساعات،باستثناء أعلى درجات الحرارةحيث تتطلب قيود الفرن أوقات إقامة أقصر.
بعد كل دورة تصليح ، يتم وصف الأجهزة باستخدام المجهر البصري لتقييم النزاهة الهيكلية ، وقياسات المسبار ذات النقاط الأربع لتقييم مقاومة المعدن ،القياسات الكهربائية للترددات الراديوية (RF) لاستخراج تردد الرنين وعامل الجودة (Q)، وتقطيع الأشعة السينية (XRD) لدراسة جودة البلورات وتطور السلالة.
يظهر الفحص البصري تغيرات ضئيلة مرئية في أغشية LN المعلقة حتى حوالي 400 درجة مئوية. بعد 500 درجة مئوية ، يبدأ التشقق الناجم عن التوتر في المناطق المعلقة ،على الرغم من أن معظم الأجهزة تبقى سليمة ميكانيكيا وفعالةحتى 550 درجة مئوية، لا تنتشر الشقوق بشكل عام إلى المرساة أو تسبب انهيار كارثي.
يحدث تدهور هيكلي شديد بين 600 و 750 درجة مئوية. في هذا النطاق الحراري ، يتم ملاحظة زيادة في التشقق ، وتشوه الغشاء ، وتفكيك LN ، وكسر المرساة.عند حوالي 700 درجة مئوية، تشكل الشقوق بشكل تفضيلي على طول الاتجاهات البلورية المرتبطة بـ CTE عالية في الطائرة وطاقة الانقسام المنخفضة.ويعزى هذا السلوك إلى عدم تطابق CTE الكبير بين LN والركن السيليكوني، جنبا إلى جنب مع anisotropy الجوهرية من X-cut LN.
عند 800 درجة مئوية ، يؤدي تلف المعادن الواسع النطاق وفشل المرسات إلى عدم فعالية الموجات.
تشير قياسات مقاومة المعادن إلى انخفاض أولي في المقاومة بعد دورة التسخين الأولى ، وربما بسبب نمو الحبوب وتسخين العيب في فيلم Pt.في درجات حرارة أعلى، فإن المقاومة تزداد بشكل ملحوظ، مما يشير إلى تشكيل الفراغات والتلال والتقطعات في الطبقة المعدنية.
فوق 650 درجة مئوية، تظهر أفلام Pt تدهورًا واضحًا، بما في ذلك تكوين المسام وفقدان جزئي للستمرارية الكهربائية.هذا التدهور يساهم بشكل مباشر في زيادة الخسائر الكهربائية وفشل الجهاز في نهاية المطاف، حتى عندما يبقى غشاء LN سليما جزئيا.
أظهرت قياسات الترددات الراديوية أن ترددات الرنين تنخفض تدريجيا مع زيادة درجة حرارة التسخين ، بما يتفق مع الاسترخاء من الإجهاد الحراري والتغيرات في الثوابت المرنة الفعالة.ومن المثير للاهتمام أن عامل الجودة لعدة أنماط رنين يزداد بعد التسخين عالي الحرارة، وخاصة فوق 700 درجة مئوية.ويعزى هذا التحسن إلى إعادة توزيع الإجهاد وتقليل تسرب الطاقة الصوتية في الهياكل الشقوق جزئيا أو تخفيف الإجهاد.
على الرغم من هذه التحسينات المحلية في الأداء ، تنخفض قابلية تشغيل الجهاز بشكل عام بشكل حاد فوق 750 درجة مئوية بسبب فشل التمعين وكسر المرساة.
تتضمن آليات الفشل السائدة التي تم تحديدها في هذه الدراسة:
عدم تطابق التوسع الحراريبين LN، الأقطاب الكهربائية المعدنية، والرصيف السيليكون، مما يؤدي إلى تراكم الإجهاد والتشقق.
التقسيم البلورغرافي لـ LN، وخاصة على طول الطائرات ذات طاقة كسر منخفضة تحت ضغط حراري مرتفع.
عدم استقرار المعادن، بما في ذلك ضخامة الحبوب ، وتشكيل الفراغ ، وفقدان التوصيل في أفلام Pt.
تدهور الرسّام، والذي يعرض الدعم الميكانيكي والاستمرارية الكهربائية.
هذه الآليات تعمل بشكل متكافئ لتحديد الحد الحراري النهائي لـ LN MEMS المعلقة.
يظهر هذا العمل أن الرنينات الصوتية الليثيوم نيوبات المعلقة ذات الأفلام الرقيقة يمكن أن تتحمل درجات حرارة التسخين تصل إلى 750 درجة مئوية ،تمثل واحدة من أعلى حدود التحمل الحراري التي تم التحقق منها للمنصات الكهربائية الصلبة القائمة على MEMS فقطعلى الرغم من حدوث تدهور كبير عند درجات حرارة مرتفعة،البقاء على قيد الحياة الجهاز والوظائف الجزئية في مثل هذه الظروف الشديدة تسليط الضوء على صلابة LN الستيوغرافية لتطبيقات MEMS عالية الحرارة.
توفر الرؤى المكتسبة من هذه الدراسة مبادئ توجيهية عملية لاختيار المواد وتصميم المعادنوالتحسين الهيكلي الذي يهدف إلى توسيع نطاق درجة حرارة تشغيل أجهزة LN معلقةهذه النتائج تفتح طرقًا لنشر MEMS القائم على LN في البيئات القاسية وتطوير أنظمة فوتونية عالية درجة الحرارة والبصرية الكهربائية والبصرية الصوتية.
تتم الطلب بشكل متزايد على أجهزة MEMS الكهربائية التي تعمل في درجات حرارة مرتفعة في التطبيقات التي يجب فيها إجراء الاستشعار الكهربائي المباشر أو التشغيل في ظل ظروف حرارية متطرفة ،بما في ذلك نظم تحويل الطاقةفي مثل هذه البيئات، غالبًا ما تتجاوز درجات حرارة الجهاز 700 درجة مئوية.نظام يتحدى القيود المادية لتقنيات MEMS التقليدية القائمة على السيليكون.
غالبًا ما تكون درجة حرارة تشغيل MEMS التقليدية مقيدة بسبب تدهور المواد الهيكلية ، وفشل المعادن ،والإجهاد الناجم عن عدم تطابق معامل التوسع الحراري (CTE) بين الطبقات الوظيفية والرصيف الداعمبينما أظهرت أنظمة الألياف MEMS\مختلطة العمل فوق 1000 درجة مئوية، فإن تعقيدها وغياب قابليتها للتوسع يحدون من ملاءمتها لمنصات الاستشعار المتكاملة المدمجة.
يقدم نيوبات الليثيوم (LN) العديد من المزايا للتطبيقات الكهربائية العالية درجة الحرارة ، بما في ذلك درجة حرارة كوري العالية (~ 1200 درجة مئوية) ، الارتباط الكهربائي القوي ،و خصائص إلكتروليكية بصرية و صوتية بصرية ممتازةعلى وجه الخصوص ، يظهر ليثيوم نيوبات (SLN) استقرارًا حراريًا متفوقًا مقارنةً بليثيوم نيوبات متطابق (CLN) ،الذي يعاني من فراغات الليثيوم والتدهور الناجم عن العيوب فوق حوالي 300 درجة مئويةعلى الرغم من أن أجهزة الموجات الصوتية السطحية (SAW) القائمة على LN عالية دراسة على نطاق واسع على الركائز السائبة،لا تزال القدرة الحرارية على البقاء على قيد الحياة من منصات LN معلقة رقيقة الفيلم التي تمكن من موجات صوتية كبيرة (BAW) وأجهزة موجات Lamb لا تزال غير مكتملة.
الهياكل المعلقة MEMS توفر مزيد من الارتباط الكهروميكانيكي والحبس الصوتي ولكن هي بطبيعتها أكثر عرضة للضغوط الحرارية الميكانيكية، كسر،وتنهار في ظروف شديدةفهم حدودها الحرارية أمر ضروري لذلك لتطوير MEMS عالية درجة الحرارة الموثوق بها.
الأجهزة التي تمت دراستها في هذا العمل هي الموجات الصوتية المعلقة ذات الأغشية الرقيقة LN المصممة لدعم أنماط موجات لامب المتماثلة.الموجات الصوتية مصنوعة على كومة متعددة الطبقات تتكون من مقاومة عاليةرصيف السيليكون، طبقة من السيليكون غير المتبلور و فيلم LN ستيوكيومتري بقطع X سميكه 600 نانومتر.يتم اختيار LN المقطوعة بالرنين بسبب استخدامها على نطاق واسع في MEMS والأنظمة الفوتونية وخصائصها الميكانيكية الكهربائية المواتية.
يتم استخدام البلاتين كمادة للكهرباء بسبب نقطة انصهار عالية واستقرارها الكيميائي عند درجات حرارة مرتفعة.يتم إدخال طبقة صلابة من التيتانيوم رقيقة بين LN و Pt لتحسين الصلابة وتخفيف حدوث تحلل في المعدن أثناء الدورة الحراريةتشمل هندسية الرنين الاختلافات في زاوية الدوران داخل الطائرة، وتكوين المرساة،وتخطيط الكهرباء بين الرقميات من أجل تجنب تحيز نتائج التحمل الحراري نحو تصميم واحد.
بالإضافة إلى المقاومات الوظيفية ، يتم تصنيع المقاومات المعدنية serpentine على نفس الركيزة باستخدام المعادن المتطابقة.هذه الهياكل تسمح بمراقبة مباشرة لمقاومة المعدن كدالة على درجة حرارة التسخين، مما يوفر نظرة ثاقبة على تدهور المعادن وتأثيرها على أداء الجهاز.
يتم تقييم المقاومة الحرارية باستخدام بروتوكول التسخين والتوصيف التدريجي. يتم إجراء التسخين في ظروف فراغ لتقليل الأكسدة ،مع معدلات تسخين وتبريد خاضعة للرقابة لقمع الآثار الكهربائية في LNيتم تعيين درجة حرارة التسخين الأولية إلى 250 درجة مئوية، تليها دورات متتالية مع زيادات في درجة الحرارة من 50 درجة مئوية. يتم الاحتفاظ بكل خطوة التسخين في درجة الحرارة المستهدفة لمدة 10 ساعات،باستثناء أعلى درجات الحرارةحيث تتطلب قيود الفرن أوقات إقامة أقصر.
بعد كل دورة تصليح ، يتم وصف الأجهزة باستخدام المجهر البصري لتقييم النزاهة الهيكلية ، وقياسات المسبار ذات النقاط الأربع لتقييم مقاومة المعدن ،القياسات الكهربائية للترددات الراديوية (RF) لاستخراج تردد الرنين وعامل الجودة (Q)، وتقطيع الأشعة السينية (XRD) لدراسة جودة البلورات وتطور السلالة.
يظهر الفحص البصري تغيرات ضئيلة مرئية في أغشية LN المعلقة حتى حوالي 400 درجة مئوية. بعد 500 درجة مئوية ، يبدأ التشقق الناجم عن التوتر في المناطق المعلقة ،على الرغم من أن معظم الأجهزة تبقى سليمة ميكانيكيا وفعالةحتى 550 درجة مئوية، لا تنتشر الشقوق بشكل عام إلى المرساة أو تسبب انهيار كارثي.
يحدث تدهور هيكلي شديد بين 600 و 750 درجة مئوية. في هذا النطاق الحراري ، يتم ملاحظة زيادة في التشقق ، وتشوه الغشاء ، وتفكيك LN ، وكسر المرساة.عند حوالي 700 درجة مئوية، تشكل الشقوق بشكل تفضيلي على طول الاتجاهات البلورية المرتبطة بـ CTE عالية في الطائرة وطاقة الانقسام المنخفضة.ويعزى هذا السلوك إلى عدم تطابق CTE الكبير بين LN والركن السيليكوني، جنبا إلى جنب مع anisotropy الجوهرية من X-cut LN.
عند 800 درجة مئوية ، يؤدي تلف المعادن الواسع النطاق وفشل المرسات إلى عدم فعالية الموجات.
تشير قياسات مقاومة المعادن إلى انخفاض أولي في المقاومة بعد دورة التسخين الأولى ، وربما بسبب نمو الحبوب وتسخين العيب في فيلم Pt.في درجات حرارة أعلى، فإن المقاومة تزداد بشكل ملحوظ، مما يشير إلى تشكيل الفراغات والتلال والتقطعات في الطبقة المعدنية.
فوق 650 درجة مئوية، تظهر أفلام Pt تدهورًا واضحًا، بما في ذلك تكوين المسام وفقدان جزئي للستمرارية الكهربائية.هذا التدهور يساهم بشكل مباشر في زيادة الخسائر الكهربائية وفشل الجهاز في نهاية المطاف، حتى عندما يبقى غشاء LN سليما جزئيا.
أظهرت قياسات الترددات الراديوية أن ترددات الرنين تنخفض تدريجيا مع زيادة درجة حرارة التسخين ، بما يتفق مع الاسترخاء من الإجهاد الحراري والتغيرات في الثوابت المرنة الفعالة.ومن المثير للاهتمام أن عامل الجودة لعدة أنماط رنين يزداد بعد التسخين عالي الحرارة، وخاصة فوق 700 درجة مئوية.ويعزى هذا التحسن إلى إعادة توزيع الإجهاد وتقليل تسرب الطاقة الصوتية في الهياكل الشقوق جزئيا أو تخفيف الإجهاد.
على الرغم من هذه التحسينات المحلية في الأداء ، تنخفض قابلية تشغيل الجهاز بشكل عام بشكل حاد فوق 750 درجة مئوية بسبب فشل التمعين وكسر المرساة.
تتضمن آليات الفشل السائدة التي تم تحديدها في هذه الدراسة:
عدم تطابق التوسع الحراريبين LN، الأقطاب الكهربائية المعدنية، والرصيف السيليكون، مما يؤدي إلى تراكم الإجهاد والتشقق.
التقسيم البلورغرافي لـ LN، وخاصة على طول الطائرات ذات طاقة كسر منخفضة تحت ضغط حراري مرتفع.
عدم استقرار المعادن، بما في ذلك ضخامة الحبوب ، وتشكيل الفراغ ، وفقدان التوصيل في أفلام Pt.
تدهور الرسّام، والذي يعرض الدعم الميكانيكي والاستمرارية الكهربائية.
هذه الآليات تعمل بشكل متكافئ لتحديد الحد الحراري النهائي لـ LN MEMS المعلقة.
يظهر هذا العمل أن الرنينات الصوتية الليثيوم نيوبات المعلقة ذات الأفلام الرقيقة يمكن أن تتحمل درجات حرارة التسخين تصل إلى 750 درجة مئوية ،تمثل واحدة من أعلى حدود التحمل الحراري التي تم التحقق منها للمنصات الكهربائية الصلبة القائمة على MEMS فقطعلى الرغم من حدوث تدهور كبير عند درجات حرارة مرتفعة،البقاء على قيد الحياة الجهاز والوظائف الجزئية في مثل هذه الظروف الشديدة تسليط الضوء على صلابة LN الستيوغرافية لتطبيقات MEMS عالية الحرارة.
توفر الرؤى المكتسبة من هذه الدراسة مبادئ توجيهية عملية لاختيار المواد وتصميم المعادنوالتحسين الهيكلي الذي يهدف إلى توسيع نطاق درجة حرارة تشغيل أجهزة LN معلقةهذه النتائج تفتح طرقًا لنشر MEMS القائم على LN في البيئات القاسية وتطوير أنظمة فوتونية عالية درجة الحرارة والبصرية الكهربائية والبصرية الصوتية.
