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航空MEMS器件使用的非硅资料

  硅作为机械材料,使微传感器和执行器系统在航空领域有着越来越广泛的应用。但随着对航空飞行器智能控制的迫切需求,硅基和执行器已难以满足恶劣运行环境的巨大挑战。在超过150℃时,硅基电子元器件中的PN结性能开始改变;在超过600℃时,硅基微机械结构的杨氏模量会降低。

  因此,即使将传感器和变化器分离,硅基MEMS器件也难以在超过400℃的恶劣环境(例如发动机内部)中正常工作。幸运的是,以碳化硅(SiC)为代表的多种先进耐高温功能材料被相继开发和应用,使高温MEMS技术得以不断改进和提升,进而能应用于具有腐蚀和侵蚀等特点的恶劣工作环境。

  航空领域恶劣环境常用的传感器和执行器有温度传感器、压力传感器、谐振器、雾化器和应力传感器等。据文献分析可知,目前航空MEMS传感器和执行器核心器件的制备主要涉及碳化硅、金刚石、氮化铝(AlN)、蓝宝石、低温共烧陶瓷、高温共烧陶瓷和聚合物前驱体陶瓷等多种先进功能材料的加工成型技术,尤其是微纳结构的加工技术。

  在不考虑成本的前提下,材料的MEMS工艺兼容性越好,被应用的可能性自然就越高。但是这些功能材料的可加工性却远不如单晶硅材料,因为对恶劣环境的抗蚀性和加工难度往往来源于材料的同一特点。

  碳化硅从20世纪90年代开始被研究,此材料有极好的机械和化学稳定性,能够对抗大多数酸碱环境,还有适合用于高温电子的宽能带间隙,因而常被用作高温和侵蚀环境下的压阻或电容性的结构材料。

航空MEMS器件使用的非硅资料

  据Yole Developpement估计,2013~2022年间SiC功率半导体市场规模的复合年增长率预计将达到38%。面对120亿美元晶体市场,300亿美元电源管理元件市场,400亿美元模拟芯片市场,SiC半导体未来发展和替代空间巨大。然而,普通的各项同性或异性湿法腐蚀工艺难以进行碳化硅材料的图案化处理。

  氮化铝是一种高温条件下仍有压电特性的特殊材料,单晶的本征氮化铝压电薄膜通过沉积工艺即可获得,因而不需要特殊基底,也不存在真实的居里点,它的工作温度仅受限于氮-铝化学键的高温断裂,已有测试结果表明,氮化铝在1150℃下仍有压电效应。有了氮化铝薄膜,能敏锐感知温度和压力变化的传感器会像肥皂泡一样薄,但制备氮化铝是个难题,世界顶级厂商设立了技术壁垒。北京埃德万斯利用双离子束,一束将铝原子轰击出来,一束辅助铝原子沉积为薄膜,精确控制氮化铝薄膜的晶体结构生成,开辟出一条攻克难题的新路。

  PDC材料有良好的硬度、抗氧化和抗热冲击等机械特性,由PDC制备的SiCN材料强度和热冲击稳定性比碳化硅等材料具有明显优势,其低的密度和热膨胀系数为材料兼容性打下了良好基础;材料经掺杂还可形成电导、磁导和压阻等电学特性,这样的机电特性为PDC基传感器近高温场的直接测量提供了可能。

  蓝宝石的高温潜在应用得益于高的熔点、化学惰性和众所周知的材料光学特点和强度,但是现有的MEMS加工技术难以实现蓝宝石基微纳器件的制备,超快脉冲激光切削技术有望实现此材料的初步加工,但仍需进一步研究。

  金刚石有与碳化硅相似的高温兼容性,它的高温应用依赖于钝化层的防氧化保护,一般通过硅基底沉积的方法获得,但是高昂的材料成本是限制此类材料应用的重要原因。

  高/低温共烧陶瓷主要用作传感器的结构支撑材料,有较好的高频和高速传输特性,共烧温度决定了陶瓷使用温度的上限,适合用于高温无线无源传感器和执行器的框架制作。

  在上述材料中,兼具机械和电学两方面应用的主要有碳化硅、氮化铝和PDC,而碳化硅是移植硅基微纳加工技术最为成熟的一种,圆片级材料已较为成熟,可批量制备。相比其它只有机械性能的材料而言,这3种材料在普遍使用电信号的传感器和执行器领域有更为广泛的应用可能。从结构和工艺层面出发,满足机电功能的器件结构形式自然相对复杂,因而对微纳加工工艺的多样性要求要比其它材料更多。

  北京埃德万斯自主研发的离子束技术应用设备以及多年积累的成熟工艺技术对于非硅MEMS未来的发展和应用具有重要的战略意义。埃德万斯正在北京中关村环保科技园建设非硅微纳制造工艺技术中心。工艺技术中心瞄准MEMS、集成电路分立器件、第三代半导体以及新材料开发领域,可对客户提供各种基于新材料、新结构、新工艺的工艺开发与技术转让,芯片的生产、代工,以及人员培训、技术咨询等各方面的综合服务。