aalto1 untyped-item.component.html
Silicon carbide in high-temperature MEMS
Loading...
Files
Aalto login required (access for Aalto Staff only).
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu |
Bachelor's thesis
Electronic archive copy is available locally at the Harald Herlin Learning Centre. The staff of Aalto University has access to the electronic bachelor's theses by logging into Aaltodoc with their personal Aalto user ID. Read more about the availability of the bachelor's theses.
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
Department
Major/Subject
Mcode
CHEM3049
Degree programme
Language
en
Pages
34
Series
Abstract
Microelectro-Mechanical Systems, or MEMS, are microscale sensors or devices that operate based on the interaction between electrical signals and mechanical motion. The majority of MEMS are made from silicon because of the maturity of silicon technology. However, the properties of silicon are highly temperature dependent, which prevents silicon-based microsystems from operating at high temperatures. Many alternative materials for high temperature MEMS operation have been researched, of which silicon carbide (SiC) is one of the most promising. This bachelor's thesis examines the suitability of the three most common SiC polytypes (3C-SiC, 4H-SiC, and 6H-SiC) for high-temperature MEMS applications, the challenges related to crystal growth and patterning, and the most common SiC MEMS applications according to current research. The work is a literature review.
Silicon carbide withstands high temperatures because of its mechanical robustness, chemical inertness, and wide band gap. In theory, SiC MEMS are able to operate in temperatures up to 800 °C in electrical applications and up to 1200 °C in mechanical applications. However, due to the strong mechanical preperties and chemical inertness, the crystal growth and patterning of SiC is challenging and slow. These problems are especially apparent in patterning, where enhancing the speed and precision of patterning methods is essential for the commercialization of SiC MEMS. In addition, the degradation of interfaces between materials at high temperatures limits the operational temperature range of MEMS applications. As of date, researchers have been able to fabricate SiC pressure and inertial sensors that can reliably operate at temperatures up to 600 °C and 800 °C, respectively. Current research has focused primarily on pressure and inertial MEMS fabricated from 4H- and 6H-SiC since the bulk fabrication of these polytypes is feasible.
Mikrosysteemit (engl. Microelectro-Mechanical Systems, MEMS) ovat mikrotason antureita tai laitteita, joiden toiminta perustuu sähköisten signaalien ja mekaanisen liikkeen keskinäiseen vuorovaikutukseen. Valtaosa mikrosysteemeistä on valmistettu piistä, sillä piiteknologia on hyvin kehittynyttä. Piin ominaisuuksien korkea lämpötilariippuvuus kuitenkin estää piipohjaisten mikrosysteemien toiminnan korkeissa lämpötiloissa. Korkean lämpötilan sovelluksiin on tutkittu useita eri materiaaleja, joista piikarbidi (SiC) on yksi lupaavimmista. Tämä kandidaatintyö tarkastelee piikarbidin kolmen yleisimmän polytyypin (3C-SiC, 4H-SiC ja 6H-SiC) soveltuvuutta korkean lämpötilan MEMS-sovelluksiin, haasteita kiteenkasvatuksessa ja kuvioinnissa, sekä nykytutkimuksen mukaan yleisimpiä SiC MEMS-sovelluksia. Työ on kirjallisuuskatsaus.
Piikarbidi on mekaanisesti kestävä, kemiallisesti inertti, leveän band gapin, korkeita lämpötiloja sietävä materiaali. SiC MEMS-sovellukset sietävät teoriassa jopa 800 °C lämpötilaa sähköisiltä ominaisuuksiltaan ja mekaanisilta ominaisuuksiltaan jopa 1200 °C lämpötilaa. Kuitenkin vahvojen mekaanisten ominaisuuksien ja kemiallisen inerttiyden takia SiC kiteenkasvatus ja kuviointi on haasteellista ja hidasta. Etenkin kuvioinnin nopeuden ja MEMS-rakenteisiin vaaditun tarkkuuden parantaminen ovat keskeisiä ongelmia, joiden ratkaiseminen on olennaista SiC mikrosysteemien kaupallistamisen kannalta. Lisäksi sovellusten materiaalirajapintojen välisten yhteyksien heikentyminen korkeissa lämpötiloissa rajoittaa MEMS-sovellusten toimintalämpötiloja. Näistä syistä työn julkaisuun mennessä tutkijat ovat onnistuneet valmistamaan painemittareita, jotka pystyvät toimimaan luotettavasti 600 °C lämpötilassa ja kiihtyvyysmittareita, joita on testattu käytännössä 800 °C lämpötilassa. Nykytutkimus on keskittynyt pääasiassa 4H- ja 6H-SiC polytyyppien MEMS-sovelluksiin, sillä kyseisten polytyyppien bulkkikasvatus on mahdollista.