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传统MEMS器件寻突破,石墨烯助力性能大幅提升
2018-09-12    来源:麦姆斯咨询  浏览次数:
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据麦姆斯咨询报道,石墨烯材料领先供应商Graphenea公司与英飞凌(Infineon Technologies)、WITec、亚琛工业大学(RWTH Aachen University)和Simune Atomistics等工业和学术界伙伴合作,宣布成功完成了NanoGraM项目,该项目专注于基于石墨烯的NEMS / MEMS(纳米/微机电)器件研究。NanoGraM项目为未来的潜在应用重点关注的三类特定器件包括:石墨烯麦克风、石墨烯膜压力传感器和石墨烯膜霍尔传感器。

 

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这些石墨烯器件的目标市场包括便携式电子产品(智能手机、笔记本电脑)、汽车、工业以及智能家居等


MEMS麦克风芯片全球主要供应商英飞凌,在其申请的一篇专利中介绍了这种应用石墨烯膜的MEMS麦克风/扬声器。

 

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顶部包括石墨烯薄膜的MEMS麦克风设计

 

传统MSMS麦克风/微型扬声器通常以硅技术进行制造。硅微加工的麦克风包括在声场中移动的柔性薄膜以及被称作背板的静态穿孔电极的电容换能器。在压力过度的情况下,该薄膜会经受到高达10bar的压力差。在该情况下,通常的薄膜会由于其断裂强度过低而失效。

 

为了解决硅麦克风薄膜中的压力过度的问题,可在麦克风前部插入阻尼垫圈,然而这会引入额外的不期望出现的噪声,此外,还可能增加麦克风的前部体积。解决压力过度问题的另外的可能方式是经由弹簧支撑的薄膜或者通过提供排气通道来提供透气,不过,这需要特殊的设计以及结构的低应力梯度。

 

石墨烯的机械特性对于生产非常高柔度和大断裂强度的麦克风薄膜而言是有利的,由此允许设计相对任何大行程位移均具有鲁棒性的高灵敏度麦克风。另一方面,微型扬声器可以从高柔度所获得的益处在于,可以减少用于获得高行程的驱动电压,同时高的断裂强度降低了故 障风险并且实现了高耐久性。可以通过形成两个或更多单层石墨烯膜的叠层,而增大石墨烯薄膜的强度。

 

从下表石墨烯与硅进行比较时的机械属性的表格可以看出,在杨氏模量、断裂强度、泊松比(Poisson ratio)和密度方面,石墨烯胜过硅。因此,出于以上原因,在以MEMS技术实现麦克风/微型扬声器时使用石墨烯作为薄膜材料是有利的。

 

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石墨烯麦克风展现出了超高的灵敏度,以及覆盖从音频到超声波频段的运行频谱,这可以带来很多新颖的功能。

 

对于压力传感器和霍尔传感器,应用石墨烯材料的预期优势包括更高的灵敏度(高达100倍)、坚固性(高达5倍)、增强的信噪比以及避免工艺中的有害材料等。

 

石墨烯NEMS/MEMS传感器结合硅技术将实现新的智能系统,增强人类的福祉、食品安全、交通安全、污染监控以及国土安全。这项研究作为NanoGraM项目的一部分,为工业NEMS/MEMS制造商和参与的中小企业带来了决定性的技术领先优势。

 

Graphenea作为石墨烯供应商,通过开发在NEMS/MEMS器件的空腔和开孔上悬浮CVD单层和多层石墨烯的半干(semi-dry)转移工艺来支持该项目的研究。Graphenea的工艺可使石墨烯层成功地悬浮在直径达500微米的开孔上。这一系列研究帮助Graphenea推出了一类新产品:在腔体上悬浮的单层石墨烯。

 

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悬浮在腔体上的单层石墨烯

 

该项目提交了三份专利申请和至少七篇科学论文出版,还有更多研究成果正在整理发布中。除了制造之外,大面积石墨烯膜的表征也被提升到了新的高度。

 

该项目持续了3年,由德国(BMBF)和西班牙巴斯克自治区共同资助,项目总金额约为196万欧元。