基于SiC-CNT复合材料的电容式MEMS加速度计制造

碳化硅（SiC）被认为是微机电系统（MEMS）的优秀材料，尤其是那些在高温、高辐射和腐蚀性等具有挑战性环境中工作的微机电系统。然而，SiC的大批量微机械加工仍然存在挑战，这阻碍了复杂SiC MEMS的发展。

据麦姆斯咨询报道，为了解决上述问题，荷兰代尔夫特理工大学（TU Delft）的Sten Vollebregt副教授团队提出使用涂覆有非晶SiC（a-SiC）的碳纳米管（CNT）阵列作为替代复合材料，以实现高纵横比（HAR）表面微加工。通过使用预图案化的催化剂层，HAR CNT阵列可以作为结构模板生长，然后通过在CNT束中均匀填充低压化学气相沉积（LPCVD）a-SiC来进行致密化。

为了展示SiC-CNT复合材料在MEMS中的应用，研究团队设计、制造和测试了一款应用该材料的电容式MEMS加速度计。制备结果表明，该复合材料与表面微加工器件的制备工艺完全兼容。复合材料的杨氏模量由测得的弹簧常数中提取，结果表明，涂覆a-SiC后，CNT的机械性能有了很大改善。最后，该团队对所制造的SiC-CNT电容式MEMS加速度计进行了电学表征，并使用机械振动器确认了其功能。相关研究成果以“A high aspect ratio surface micromachined accelerometer based on a SiC-CNT composite material”为题发表在Microsystems & Nanoengineering期刊上。

本研究提出的SiC-CNT复合材料的概念如图1所示。首先，将SiO₂层沉积在硅衬底上，作为催化剂堆栈的扩散阻挡层。该氧化层也被用作表面微机械加工器件的牺牲层。然后，通过电子束蒸发生长用于CNT生长的催化剂堆叠。蒸发后，使用Aixtron Blackmagic通过化学气相沉积（CVD）生长CNT阵列。沉积速率为每分钟数十微米；然而，随着时间的推移，这一速率会逐渐降低。这种降低源于催化剂层（即本例中为Fe）的耗尽，最终导致CNT的生长终止。

CNT生长后的横截面如图1a所示，图1c显示了生长后的垂直排列的碳纳米管（VACNT）阵列的表面，其中CNT纤维通过范德华力微弱地交织在一起。最高的CNT阵列通过5分钟沉积获得，其高度为96.3 μm，如图2所示。插图中所示的测试结构的纵横比在0.96到96.3之间。CNT阵列生长后，VACNT阵列被a-SiC的LPCVD填充，如图1b所示。沉积后的结果如图1d所示。比较图1c和1d，可以看出沉积后的单个CNT纤维变得更厚。

图1 制备SiC-CNT复合材料的基本概念示意图

图2 生长后的VACNT阵列的SEM图像（倾斜视图）

为了展示将SiC-CNT复合材料用于HAR器件的潜力，研究人员设计、制造并表征了一种使用SiC-CNT复合材料制造的经典梳状电容式MEMS加速度计。HAR结构对于电容式MEMS传感器特别有用，因为它能有效地增加用于电容检测的表面积。

梳状结构电容式MEMS加速度计的示意图如图3a所示。该器件包括一个基准质量块、叉指状物（固定指状物锚定到衬底，可移动指状物附接到基准质量块）、固定锚和作为连接基准质量块和锚点的弹簧的折叠梁。除固定锚之外，所有结构均采用表面微机械加工工艺悬浮。

图3 SiC-CNT电容式MEMS加速度计示意图

SiC-CNT电容式MEMS加速度计的制造工艺步骤如图4所示。

图4 SiC-CNT电容式MEMS加速度计的制备工艺

使用SEM检测制造完成的SiC-CNT加速度计，器件的全视图如图5a所示。图5b显示了叉指状阵列。图5c显示了叉指状阵列的特写视图，其中可移动电容器板和静态电容器板之间没有发现物理接触。图5f显示了器件悬浮部分的90°倾斜视图，其中没有观察到下垂现象。

图5 使用SEM检测制造的SiC-CNT电容式MEMS加速度计

器件制造完成后，研究人员对晶圆进行切割并在芯片级对其进行表征。他们使用Agilent 4294 精密阻抗分析仪测量MEMS加速度计的电容，结果如图6所示。

图6 SiC-CNT电容式MEMS加速度计的电容测量

研究人员还在振动器上对SiC-CNT电容式MEMS加速度计进行了测试，以验证其对振动环境的响应。实验设置的示意图如图7a所示。器件采用双列直插式封装，并安装在振动器上（图7b）。计算结果绘制在图7d中。线性拟合的确定系数（R²）为97.38%，线性拟合曲线的斜率表明加速度计的灵敏度约为0.14 fF/g。

图7 振动测量实验设置及结果

综上所述，这项研究工作利用涂覆有LPCVD a-SiC的VACNT阵列来制备SiC-CNT复合材料，旨在克服制造HAR-SiC结构的瓶颈。由于CNT的快速生长速率和垂直生长特性，预图案化的CNT阵列为制造HAR微结构提供了极佳的模板。通过利用CNT束的多孔性，a-SiC填料可以容易地渗入CNT模板并均匀地涂覆在每根纤维上，从而使结构致密化。SiC-CNT复合材料的电导率是a-SiC填充材料的10⁷倍。SiC-CNT复合材料的电阻率温度系数（TCR）约为−315 ppm/K，这与纯CNT的类似。SiC-CNT/TiN界面的接触电阻率为4.63 × 10⁻⁴ Ω cm²。

研究人员设计并制造了一种电容式MEMS加速度计，以演示SiC-CNT复合材料在MEMS中的应用。标称电容与设计值一致，C-V曲线表明器件已成功悬浮。SiC-CNT复合材料的杨氏模量是从测得的弹簧常数中提取的，其值为169.61 GPa。高温试验表明，该复合材料具有在恶劣环境中应用的潜力。测得的加速度计的灵敏度为0.14 fF/g（基于间接测量）。研究人员计划继续开展复合材料的机械特性测试、电容输出的实时测量以及与ASIC的集成等方面的研究工作。

论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41378-024-00672-x

 

 

 

审核编辑：刘清