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Atuadores e sensores de tântalo podem ter importantes aplicações médicas
Acelerômetros em telefones celulares, microprocessadores em notebooks e giroscópios que equilibram drones, cada um depende de sistemas microeletromecânicos (MEMS, da sigla em inglês). Dentro desses pequenos sistemas, existem dispositivos ainda menores, chamados atuadores e sensores, que executam várias funções físicas.
Um destes elementos pode ser um atuador térmico, que transforma energia em movimento pela expansão e contração de materiais devido às mudanças de temperatura. Podem ser encontrados atuadores térmicos MEMS dentro de unidades de disco de computador, sondas de varredura e micromotores.
Atualmente, esses atuadores térmicos são de polissilício, um material que requer altas temperaturas e consome uma quantidade considerável de energia durante o processo de fabricação. Enquanto trabalhavam em pesquisas relacionadas, pesquisadores da Faculdade de Engenharia da Universidade Carnegie Mellon, nos Estados Unidos, perceberam que haviam encontrado um substituto eficiente.
Liderada pelo Dr. Maarten de Boer, professor de Engenharia Mecânica, a equipe criou atuadores térmicos microeletromecânicos com tântalo em vez de polissilício. Isso reduziu a temperatura de operação e o consumo de energia que seriam necessários para uma determinada quantidade de acionamentos. Os resultados foram publicados na revista científica Nature Microsystems & Nanoengineering.
O tântalo é um metal refratário raro, frequentemente usado em ligas para aumentar a resistência e durabilidade. Os pesquisadores teorizaram que os atuadores térmicos de tântalo – devido ao grande coeficiente de expansão térmica do metal em comparação com o substrato de silício no qual é feito – exigiriam menos da metade da entrada de energia para a mesma força e deslocamento do que aqueles feitos com polissilício.
Operando em uma tensão mais baixa do que outros atuadores térmicos, os de tântalo são diretamente compatíveis com circuitos semicondutores de óxido metálico complementar (CMOS). Os dispositivos de tântalo podem ser processados quase à temperatura ambiente.
“Em princípio, este trabalho demonstra a viabilidade do uso do tântalo não apenas para fabricar termoativadores, mas também muitos sensores para uso em uma ampla gama de nanoeletrônica integrada”, disse o Dr. Maarten de Boer.
Durante o processo de fabricação de um microprocessador, telefone ou outro dispositivo, os fabricantes normalmente colocam um componente MEMS em um chip e os componentes CMOS eletrônicos em um segundo chip. A equipe de pesquisa acredita que o tântalo como um material estrutural de MEMS pode eliminar a necessidade de dois chips separados e a fiação extra que envia sinais entre eles. Isso resultará em dispositivos mais eficientes, feitos com menos material, que custarão menos para fabricar e resultarão em melhor desempenho.
Embora outros pesquisadores tenham explorado maneiras de eliminar o segundo chip, eles descobriram que as altas temperaturas necessárias para fabricar MEMS são um obstáculo. E a equipe resolveu esse problema.
Um artigo adicional publicado na revista científica Journal of Microelectromechanical Systems explorou o uso de nitreto de alumínio para manter uma temperatura baixa durante o processo de fabricação do MEMS. Isso poderia aumentar a viabilidade de desenvolver MEMS e CMOS no mesmo chip em uma abordagem “MEMS-last” que pode ser interessante.
“Com relação à integração do CMOS, seria muito emocionante, pois [a solução] se presta ao uso de CMOS completo sob o MEMS”, observou o Dr. Gary Fedder, professor de Engenharia Elétrica e de Computação na Universidade Carnegie Mellon. “A densidade do tântalo é cerca de sete vezes maior do que o silício, então será excelente como massa de prova. Isso é um grande negócio, pois um transdutor de sensibilidade semelhante pode ser sete vezes menor!”, destacou o professor.
Os resultados podem ter impacto futuro em uma gama de indústrias que requerem tecnologias de detecção, como aeroespacial, saúde, redes ópticas e robótica.
Acesse o artigo científico completo publicado na revista Nature Microsystems & Nanoengineering (em inglês).
Acesse o resumo do artigo publicado na revista Journal of Microelectromechanical Systems (em inglês).
Acesse a notícia completa na página da Universidade Carnegie Mellon (em inglês).
Fonte: Lisa Kulick, Universidade Carnegie Mellon.
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