Piezo Modul

Das Fraunhofer ISiT befasst sich seit mehr als 10 Jahren mit der Abscheidung und der Integration von Dünnschichten der piezoelektrischen Materialien Aluminiumnitrid und Bleizirkonattitanat (PZT). Das Phänomen der Piezoelektrizität beschreibt die lineare elektromechanische Wechselwirkung eines Materials, das in der Lage ist, mechanische Energie direkt in elektrische zu transformieren und umgekehrt. Dabei unterscheidet man zwischen dem direkten piezoelektrischen Effekt, bei dem ein mechanisches Einwirken auf das Piezoelektrikum, beispielsweise in Form von Zug oder Druck, in dem Auftreten elektrischer Ladungen auf den Oberflächen dieses Materials resultiert. Umgekehrt führt das Anlegen einer elektrischen Spannung an einen piezoelektrischen Kristall aber auch zu einer Geometrieänderung in Form von Expansion oder Kontraktion (indirekter piezoelektrischer Effekt). Die Basis der Piezo-MEMS-Plattform bilden Sputterprozesse für Aluminiumnitrid (AlN) mit Schichtdicken bis zu 4 µm und Bleizirkonattitanat (PZT) mit Schichtdicken bis zu 3 µm. In Zusammenarbeit mit der Christian-Albrecht Universität zu Kiel wird zudem an scandiumdotiertem AlN gearbeitet, dessen piezoelektrische Koeffizienten im Vergleich zum AlN um den Faktor 2,5 höher sind.

Am ISIT verfügbare AlN-Technologie:

Am ISIT verfügbare PZT-Technologie:

· Prozess: reaktives Magnetronsputtern

· typ. Abscheiderate: 1,1 nm/min

· typ. Schichtdicke: 500nm .. 4000nm

· unteres Elektrodenmaterial: Mo (gesputtert), Pt (gedampft

· e31,f: -1,3 C/m²

· d33,f: 5,1 pm/V

· Prozess: HF Magnetronsputtern

· Stöchiometrie: Pb(Zr0,52Ti0,48)O3

· typ. Abscheiderate: 50 nm/min

· typ. Schichtdicke: 1000nm .. 3000nm

· unteres Elektrodenmaterial: Pt (gedampft)

· e31,f: -17 C/m²

· d33,f: 100 .. 130 pm/V

Die Integration von piezoelektrischen Materialien in mikromechanischen Bauelementen erlaubt die Realisierung von komplexen und effizienten Mikrosystemen, die sensorisch und/oder aktorisch mit ihrer Umwelt interagieren können. Die Grundstruktur, im folgenden Piezo-Wandler genannt, besteht aus einem passiven Material, der piezoelektrischen Schicht (aktives Material) und zwei Metallelektroden. Als passives Material dient neben einkristallinem Silizium insbesondere das bis zu 40 µm dicke Epi-Poly-Silizium (EpiPoly-Technologieplattform). Für aktuatorische Anwendungen dient zumeist PZT als aktives Material, da es große Auslenkungen und hohe Kräfte ermöglicht. Für sensorische Anwendungen wird aufgrund des wesentlich besseren Signal/Rausch-Verhältnisses AlN bevorzugt. AlScN ist sowohl für aktuatorische als auch sensorische Anwendungen geeignet.

Die Abbildung zeigt auf der linken Seite einen MEMS-Scanner, dessen Piezo-Wandler aus 2 µm PZT und dem Substrat-Silizium in voller Dicke (725 µm) bestehen. Das Bauelement ist

äußerst robust und eignet sich zum Scannen von Laserstrahlen mit bis zu 2 W Leistung. In Die Abbildung rechts zeigt einen MEMS-Lautsprecher. Ein Stack aus PZT und Epi-Poly-Silizium bildet die bewegliche Membran. Das Substrat darunter wird durch Trockenätzen entfernt.