【儀表網 研發快訊】MEMS(微機電系統)開關芯片廣泛應用于5G/6G通信、航空航天、工業控制及新能源等領域。作為核心元件之一，其微懸臂梁開關不僅需要具備優異的導電性和高強度，還需在實現“開”與“關”狀態切換時承受高達1010次超高周循環的動態彎曲變形。微懸臂梁材料能否在超高周疲勞載荷下保持高服役可靠性是制造高功率、低功耗高端MEMS開關芯片的關鍵挑戰之一。雖然金及其合金憑借低電阻率和良好的可微加工性被廣泛用于微懸臂梁開關，但其較低的拉伸強度和疲勞抗力無法滿足超長疲勞壽命的要求。因此，如何發展高性能開關用微懸臂梁金屬材料的設計新原理與新技術，已成為業界亟需解決的關鍵問題之一。
 

　　中國科學院金屬研究所張廣平研究員團隊近期成功研制了具有優異性能的納米晶Ni/Ni-W層狀復合材料。研究團隊利用自主研發的微小材料超高周疲勞測試系統，對該納米金屬材料的超高周疲勞性能及損傷機制進行了深入研究。研究發現，該材料在109次超高周動態彎曲疲勞加載下的疲勞耐久性顯著優于當前主流MEMS開關材料(金及其合金)，與規定的門檻值相比，超長周次疲勞耐久性提升約60%。在超高周疲勞加載過程中，Ni-W合金層的納米晶粒發生轉動，激活原子擴散路徑，促使Ni原子從光滑的Ni/NiW界面向粗糙界面擴散，進而在NiW合金層形成化學成分梯度，使材料獲得“自我調節和修復”能力。其中：粗糙界面附近的貧W區增強了Ni與Ni-W層間的變形協調性，有效抑制應力集中；平滑界面附近的富W區則因層錯能降低及晶界結構動態重構，促使高密度納米孿晶和層錯不斷形成，顯著減少了循環塑性應變積累。該研究揭示，極端循環載荷下的“納米孿晶輔助晶粒有限粗化”與“擴散調控化學成分梯度”機制的協同作用，可有效抑制材料循環應變局部化并延緩損傷演變，這為大型高功率射頻/微波固態開關及射頻繼電器芯片的高性能材料設計提供了新原理。目前，該團隊已與國內芯片龍頭企業合作，成功實現了高性能微懸臂梁材料制備工藝與MEMS工藝的兼容，完成了新型MEMS開關芯片制造技術“從0到1”的突破。
 

　　相關成果以“Ultra-long fatigue life in nanocrystalline metallic laminated composites via diffusion-mediated chemical composition gradient”為題，發表于近期出版《Acta Materialia》上。研究獲得了中國科學院先導專項和云南省科技計劃項目的支持。