Philips sleutelt aan nieuwe generatie piëzo-elektrische technologie
Philips Research ontwikkelt een techniek voor componenten met dunne lagen loodzirkonaattitanaat (PZT). Dat materiaal heeft goede piëzo-elektrische eigenschappen waardoor het geschikt is om miniatuuractuatoren en -sensoren te ontwikkelen. Philips Research bouwde al onder meer een sonar voor echoscopie en een bewegingssensor voor aanwezigheidsdetectie.
Piëzo-elektrische en ferro-elektrische dunne films en micro-elektromechanische processen worden steeds belangrijker voor innovatieve elektronische apparaten die zich richten op miniaturisatie en systeemintegratie. Denk aan sensoren en actuatoren in bijvoorbeeld infraroodsensoren, bewegings- en afstandssensoren, microfoons, autofocuslenzen en inkjetkoppen. Binnen Philips Research en Philips Innovation Services is een brede expertise opgebouwd over piëzo-elektrische dunne films en Mems-technologieën. Een voorbeeld is de miniaturisatie van ultrasone zenders en ontvangers met een scala aan frequenties (variërend van 50 kHz tot 10 MHz). De miniaturisatie van deze ultrasoundtechnologie zorgt ervoor dat dit soort apparaten niet alleen meer mogelijkheden en toepassingsgebieden levert, maar ook bij een laag voltage werkt en robuust is.
De ontwikkeling van loodzirkonaattitanaat (PZT), dat compatibel is met de huidige CMos-processen, dateert van het einde van de vorige eeuw. Een van de eerste toepassingen van dit materiaal in dunne films is permanent geheugen. Hierbij wordt de polarisatietoestand van ferro-elektrisch loodzirkonaattitanaat geschakeld met behulp van een elektrisch veld. Op dit moment bieden diverse halfgeleiderbedrijven zoals Fujitsu, Ramtron, Rohm, Panasonic en Texas Instruments dit geheugen op de markt aan. Bovendien wordt ferro-elektrisch PZT sinds een aantal jaar ook gebruikt voor de realisatie van geïntegreerde condensatoren vanwege de hoge relatieve diëlektrische constante (hoger dan duizend) in combinatie met een hoge doorslagspanning (> 50 V). Hiermee kunnen capaciteiten worden gehaald tot 500 nF/mm2.
Net zoals het bekende en veel voorkomende keramische PZT heeft de dunnefilmvariant ook goede piëzo-elektrische eigenschappen, waarmee elektrische energie kan worden omgezet in mechanische energie en omgekeerd. Door PZT-lagen te gebruiken in micro-elektromechanische structuren zijn er miniatuuractuatoren en -sensoren ontwikkeld, onder meer door Philips. De belangrijkste toepassingen van ferro-elektrische en piëzo-elektrische dunne films liggen vandaag de dag op het gebied van inkjetkoppen van printers, infraroodsensoren, autofocuslenzen en RF-schakelaars.
Echo
Andere opkomende toepassingen van de dunne PZT Mems-componenten liggen op het terrein van geminiaturiseerde ultrasone transducers voor bijvoorbeeld afstandssensoren, aanwezigheidsdetectie en akoestische beeldvormingstechnologieën. Verder wordt veel onderzoek gedaan naar toepassingen van een piëzo-Mems-actuator voor energieopwekking, geïntegreerde druksensoren en microfoons. De productievolumes van dit soort ferro-elektrische en piëzo-elektrische dunnefilm-Mems-componenten was in 2011 ongeveer zeshonderdduizend plakken van zes inch. De verwachting is dat deze volumes zes procent per jaar zullen groeien tot ongeveer achthonderdduizend zes inch plakken in 2015, aldus het Ferroelectric Thin Film Market Report van Yole Development.
Binnen Philips Research hebben we een technologieplatform ontwikkeld dat het mogelijk maakt om met dunne PZT-films een sonar te maken. Deze sonar bestaat uit een aantal membranen op een rij die onafhankelijk van elkaar, middels elektrische pulsen, deformeren en ultrasoon geluid kunnen uitzenden en ontvangen. Het unieke van deze membranen is dat we ze zo kunnen ontwerpen dat ze werken op lage frequenties vanaf 50 kHz voor bijvoorbeeld bewegings- en afstandssensoren tot en met hoge frequenties van 10 MHz voor onder meer medische echoscopie. De belangrijkste parameter die deze frequentie bepaalt, is de afmeting van het membraan.
Ingredients enabling carbon neutrality of warehouse systems
5 oktober 2023 vindt de INCOSE-NL workshop 2023 plaats, met spreker Daan Meijsen van Vanderlande. Tijdens de workshop krijg je inzicht in de verschillende cross-cutting duurzaamheidsperspectieven voor hightech systemen. Bekijk het volledige programma online en registreer nu!
Het technologieplatform bestaat uit een ontwerp van een membraanafmeting (frequentie) die past bij de toepassing van sonar. Vervolgens bouwen we de sonar op door laagjes te deponeren op een silicium plak volgens standaard processen uit de halfgeleiderindustrie. Als eerste deponeren we de membranen van siliciumnitride en siliciumoxide. Vervolgens brengen we de piëzo-elektrische PZT-laag aan met behulp van een spin-on-techniek. Hierna sputteren we de elektrodes van titanium en goud. De piëzo-elektrische laag en elektrodelagen patroneren we met lithografie. Ten slotte wordt de achterkant van de silicium plak deels geëtst om de membranen los te maken.
Een van de bekendste toepassingen van piëzo-elektrische sonars is echoscopie. Hierbij wordt een matrix van piëzo-elementen aangestuurd om een ultrasone puls van typisch 4 MHz te richten in het lichaam van een patiënt om vervolgens de echosignalen op te vangen. Zo‘n sonar hebben we gemaakt met het technologieplatform van Philips Research. Om een frequentie te maken van 4 MHz is een membraanbreedte van 100 µm nodig per element. De eerste echoscopieresultaten zijn inmiddels behaald door een transducer te maken van 32 elementen. Met een kleine matrix van veertien elementen wordt al een druk van meer dan 1 MPa behaald bij een frequentie van 4 MHz, wat vergelijkbaar is met standaard medische sonars.
Een heel ander voorbeeld van het gebruik van ultrasoon geluid zijn bewegingssensoren zoals die worden gebruikt bij aanwezigheidssensoren, inbraakalarmsystemen of parkeersensoren. Deze werken bij een veel lagere frequentie van ongeveer 50 kHz. Hierbij wordt typisch gebruikgemaakt van piëzo-elektrisch keramisch materiaal. Dit soort sensoren heeft een oppervlakte van 227 mm2. Door gebruik te maken van de dunne PZT-films en een membraanbreedte te kiezen van 0,7 tot 1,0 mm kunnen we dezelfde frequentie van 50 tot 100 kHz behalen. Door bovendien acht elementen op een rij te zetten, kan een enkele afstandssensor onder verschillende hoeken de afstand bepalen. Daarnaast is de totale sensor kleiner (slechts ongeveer 40 mm2) en veel platter.
Beide voorbeelden illustreren hoe het ontwikkelde piëzo-elektrische PZT-platform kan worden gebruikt in toekomstige sensoren, waarbij miniaturisatie en integratie een belangrijke rol spelen. Doordat de technologie compatibel is met de huidige elektronische fabricagetechnologieën, is het gemakkelijk om snel een breed scala aan producten te ontwikkelen met uiteenlopende toepassingen.
