Piezo Modul

Das Fraunhofer ISIT befasst sich seit mehr als 10 Jahren mit der Abscheidung von Dünnschichten der piezoelektrischen Materialien Aluminiumnitrid (AlN) und Bleizirkonattitanat (PZT). Momentan sind Sputterprozesse mit Schichtdicken bis zu 4 µm für AlN und bis zu 3 µm für PZT verfügbar. Die Integration in mikromechanische Bauelemente erfolgt zumeist in Form von Biegeelementen (Unimoph), die aus einer passiven Trägerschicht aus einkristallinem Silizium oder Polysilizium und der darauf befindlichen, zwischen zwei Metallelektroden eingebetteten piezoelektrischen Schicht bestehen. Für aktuatorische Anwendungen wird vor allem PZT verwendet, da es aufgrund seiner hohen piezoelektrischen Koeffizienten besonders große Auslenkungen und hohe Kräfte bei nur geringen Antriebsspannungen ermöglicht. Im Zusammenhang damit wird am ISIT derzeit vor allem an MEMS-Scannern und -Lautsprechern gearbeitet.

Für sensorische Anwendungen wird aufgrund des wesentlich besseren Signal/Rausch-Verhältnisses AlN bevorzugt. Aktuell wird es am ISIT in Ultraschallwandlern, MEMS-Mikrofonen sowie Vibrationsharvestern eingesetzt. Neben diesen etablierten Materialien wird in Zusammenarbeit mit der Christian-Albrecht Universität zu Kiel zudem an scandiumdotiertem AlN (AlScN) gearbeitet. Trotz der im Vergleich zu reinem AlN höheren piezoelektrischen Koeffizienten, behält dieses Material die vorteilhaften Eigenschaften (hohe Spannungsfestigkeit, IC-kompatibel, geringe dielektrische Verluste) des AlNs bei und ist damit sowohl für sensorische als auch aktuatorische MEMS-Bauelemente geeignet. Langfristig soll es das bleihaltige PZT vollständig ersetzen. Derzeit werden unter anderem ein hochempfindlicher, magnetoelektrischer Sensor sowie MEMS-Scanner auf der Basis von AlScN entwickelt.