Präzisere Gasflussmessung mit NEMS-Sensoren
Vielleicht haben Sie schon von MEMS (Mikroelektromechnische Systemen) gehört, aber was sind NEMS? Als regelmässiger nano.swiss-User ahnen Sie es vielleicht schon: Nanoelektromechanische Systeme (NEMS) stellen eine Weiterentwicklung der etablierten MEMS dar. Während MEMS bereits in zahlreichen Bereichen wie Sensorik, Medizintechnik und Kommunikationssystemen etabliert sind, zeichnen sich NEMS durch ihre noch kleinere Struktur aus, die in den Nanometerbereich reicht.
Potenzial bei Präzision, Herausforderungen bei der Fertigung
Diese nächste Evolutionsstufe treibt die Miniaturisierung technologischer Systeme konsequent voran. Während MEMS bereits erfolgreich in Bereichen wie Sensorik, Medizintechnik und Automobilindustrie eingesetzt werden, ermöglicht die Verkleinerung auf den Nanometerbereich bei NEMS eine höhere Präzision und Empfindlichkeit. Dieser Fortschritt beruht auf ähnlichen Fertigungstechniken wie bei MEMS, darunter lithografische Verfahren, chemische Abscheidung und Ätztechniken. Jedoch erfordert die Herstellung von NEMS noch präzisere Verfahren und Materialien, um die Herausforderungen der Nanostrukturierung zu meistern. Die Weiterentwicklung hin zu NEMS verspricht somit bedeutende Verbesserungen bei Leistung und Energieeffizienz, insbesondere in Feldern wie Quantencomputing und fortschrittlicher Sensorik.
Design und Herstellungsprozess des Sensors. a) Schematische Ansicht des Geräts mit Angabe der drei Hauptkomponenten des Sensors: i) Interaktionsplattform (Prüfmasse), ii) piezoresistive Silizium-Nanodrähte und iii) Haltefedern, b) REM-Aufnahme des hergestellten Sensors und c) Diagramme, die den Herstellungsablauf für A-A′- und B-B′-Querschnitte zeigen: i) erstes Ätzen von Si, ii) zweites Ätzen von Si zur Definition der Nanosdrähte, iii) Dotierung, iv) Metallisierungsprozess für die Signalleitungen, v) HF-Ätzen der BOX-Schicht und vi) Verkapselung und Packaging des Sensors.
Stärkere Miniaturisierung für kompaktere Sensorarrays und kleinere Temperaturabhängigkeit
Zwei Forschungsgruppen in der Türkei und Polen haben nun gemeinsam die Herstellung und Charakterisierung eines innovativen nanoelektromechanischen Kraftsensors untersucht, der nanoskalige Silizium-Drähte zur Erfassung mehrachsiger Kräfte im Mikronewton-Bereich verwendet. Der Sensor kombiniert eine schwebende, bewegliche, mikroskalige Struktur mit Nanodraht-Piezowiderständen und Rückhaltefedern. Den Studienautoren gelang es, Herstellung des Sensors mit einer Reihe von Prozessen wie Si-Ätzen, Dotieren, Metallisieren, Ablösen und Verkapseln auf Silizium-auf-Isolator-Wafern herzustellen. Die elektromechanische Charakterisierung zeigt die Zuverlässigkeit des Sensors bei mechanischen Belastungen von bis zu 10% sowie die ein sehr präzises dynamisches Ansprechverhalten. Zudem hat der Sensor einen sehr geringen Temperaturkoeffizienten des Widerstands von 6,4 × 10-4 °C-1.
Eine erste Anwendung liegt in der Messung schneller Gasströmungen. Die Charakterisierung zeigte, dass der NEMS-Sensor in der Lage ist, starke Gasflüsse zuverlässig zu messen. Die elektromechanische Leistung des Sensors in Verbindung mit seinem geringen Platzbedarf verspricht neue Möglichkeiten bei Anwendungen wie der Analyse von Geschwindigkeitsgradienten in mikroskaligen Strömungen hin, einschließlich Mikro-/ Nanodiffusoren und Düsen in kleinen Satellitenantrieben.
(MMo/nano.swiss)
Originalpublikation
Multiscale Fabrication and Characterization of a NEMS Force Sensors, https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/admt.202400022 (open source)