압전 미세 전기 공학 시스템

Piezoelectric microelectromechanical systems

압전 미세전기역학계(piezo microelectronical system, piezo MEMS)는 압전기를 사용하여 운동을 발생시키고 그 작업을 수행하는 소형 또는 현미경 장치입니다.기계적 응력 하에서 나타나는 전위를 이용하는 마이크로 전자기계 시스템입니다.PiezoMEMS는 스위치, 잉크젯 프린터 헤드, 센서, 마이크로펌프, 에너지 [1]하베스터 등 다양한 애플리케이션에서 찾을 수 있습니다.

발전

피에조에 대한 관심MEMS 기술은 1990년대 초 과학자들이 무선 주파수(RF) 마이크로 전자기계 시스템(MEMS)[2]의 정전 작동에 대한 대안을 모색하면서 시작되었다.RF MEMS의 경우 전극 간극 간격이 작고 구동 전압이 크기 때문에 정전기 작동에 특수화된 고전압 충전 펌프 회로가 사용됩니다.반면 압전 작동은 감도가 높을 뿐 아니라 저전압 및 전력 소비도 수 밀리볼트까지 [3][4]가능했습니다.또한 큰 수직 간격을 좁히면서도 마이크로초의 낮은 작동 [5]속도를 유지할 수 있습니다.특히 지르코네이트 티탄산납(PZT)은 높은 압전계수, 조정 가능한 유전율 및 전기기계 결합계수 [4]때문에 압전재료로서 가장 유망한 재료입니다.Piezo MEMS는 스위치에서 센서까지 다양한 기술에 적용되어 왔으며, 향후 연구를 통해 압전 박막의 생성으로 이어졌으며, 이는 고도로 통합된 피에조의 실현에 도움이 되었다.MEMS [6]디바이스

최초의 압전 작동 RF MEMS 스위치는 2005년 [3]한국 서울에 있는 LG 전자 기술원의 과학자들에 의해 개발되었다.연구진은 작동 전압이 2.5V인 [7]압전 캔틸레버 액추에이터를 갖춘 RF MEMS 스위치를 설계하고 구현했다.

2017년 미국 육군연구연구소(ARL) 연구진은 PZT 박막의 압전 반응에서 발생하는 방사선 효과를 처음으로 평가한 바 있다.그들은 PZT가 기존의 백금 전극 대신 전도성 산화물 전극을 사용함으로써 더 확장될 수 있는 방사선 경도를 보인다는 것을 알아냈다.또한 감마선 시험에서는 스위치, 공진기 및 관성장치와 같은 작동 장치가 PZT의 방사선 허용오차로부터 혜택을 받을 수 있음을 보여주어 작동기와 센서가 핵물질을 평가하는 플랫폼에 통합되고 방사선에 대한 [8][9]인간의 피폭을 줄일 수 있음을 시사한다.

협회에서 수십년간 이어진 연구 투자 노력 티탄산 지르콘산 연 박막 기술의 piezoMEMS.[4]기타 piezoMEMS-related 일에 활용하기에는 압전 마이크 압전소자 얇은 films,[10]RFMEMS을 위한 새로운 통합 표면 미세 기계 가공 과정 박막 PZTactua 통합하는 것을 바탕으로 개발이 포함되어 있었 실력을 향상시키기 위해 이번 실험은 일부였다.ptors,[11]단석 일체형 피에조의 첫 번째 실험 시연 주행MEMS RF 스위치는 등고선 모드 [12]필터로 전환하여 박막 PZT MEMS를 [13]이용한 진동 에너지 하베스팅의 실현 가능성을 입증하고 있으며, ARL의 연구진은 산화 이리듐 [8]전극 재료를 사용하여 PZT 박막의 전체적인 전자기학적 반응을 15~30% 향상시켰다.

설계.

Piezo MEMS 디바이스를 [14]실현하기 위한 주요 접근법은 다음 3가지가 있습니다.

  1. 추가 접근법:압전 박막은 실리콘 기판 위에 단열 및 전도성 재료 층과 함께 퇴적되고 표면 또는 실리콘 벌크 마이크로머신이 이어집니다.
  2. 감산적 접근법: 단결정 또는 다결정 압전자와 피에조세라믹스는 직접 벌크 마이크로머시닝 후 전기전극됩니다.
  3. 통합적 접근법: 마이크로머신 구조는 벌크 압전 또는 실리콘 기판에 접합 기술을 사용하여 실리콘 또는 압전기에 통합됩니다.

피에조 MEMS는 두 가지 주요 결정 구조인 Wurtzite와 Perovskite [6]구조를 사용합니다.

과제들

피에조메스는 여전히 성공적인 상용화를 가로막는 많은 어려움에 직면해 있다.예를 들어, 압전자의 균일한 막을 퇴적하는 것의 성공은 여전히 적절한 핵생성과 막성장의 적절한 층의 사용에 크게 좌우된다.따라서 적절한 센서 구조를 만들기 위해서는 광범위한 장치별 개발 노력이 필요합니다.또한 박막 압전 재료의 재료 및 센서 드리프트 및 노화 특성을 줄이고 제어하는 방법을 지속적으로 모색하고 있습니다.벌크 재료에 근접하는 성질을 가진 박막을 만드는 증착 기술은 아직 개발 중이며 개선이 필요하다.게다가 대부분의 압전 재료의 화학 및 식각 특성은 매우 [14]느린 상태로 유지됩니다.

레퍼런스

  1. ^ "High-Speed Switching Enhances Piezoelectric Response in piezoMEMS Devices". AZoSensors. August 30, 2017. Retrieved August 27, 2018.
  2. ^ "PZT". SINTEF. April 22, 2010. Retrieved August 27, 2018.
  3. ^ a b Polcawich, Ronald; Judy, Daniel; Pulskamp, Jeffrey; Trolier-McKinstry, Susan; Dubey, Madan (June 2007). "Advances in Piezoelectrically Actuated RF MEMS Switches and Phase Shifters". 2007 IEEE/MTT-S International Microwave Symposium: 2083–2086. doi:10.1109/MWSYM.2007.380297. ISBN 978-1-4244-0687-6. ISSN 0149-645X.
  4. ^ a b c Metzger, Brian. "Piezoelectric MEMS (PiezoMEMS) Patent Portfolio: Thin Film PZT Deposition, Development, Device Designs, and Testing". TechLink. Retrieved August 27, 2018.
  5. ^ Polcawich, Ronald; Pulskamp, Jeffrey; Judy, Daniel; Ranade, Prashant; Trolier-McKinstry, Susan; Dubey, Madan (December 6, 2007). "Surface Micromachined Microelectromechancial Ohmic Series Switch Using Thin-Film Piezoelectric Actuators". IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 55 (12): 2642–2654. Bibcode:2007ITMTT..55.2642P. doi:10.1109/TMTT.2007.910072.
  6. ^ a b Eom, Chang-Beom; Trolier-McKinstry, Susan (November 2012). "Thin-film piezoelectric MEMS". MRS Bulletin. 37 (11): 1007–1017. doi:10.1557/mrs.2012.273.
  7. ^ Lee, Hee-Chul; Park, Jae-Yeong; Bu, Jong-Uk (April 11, 2005). "Piezoelectrically actuated RF MEMS DC contact switches with low voltage operation". IEEE Microwave and Wireless Components Letters. 15 (4): 202–204. doi:10.1109/LMWC.2005.845689.
  8. ^ a b "Army Research Laboratory (ARL) Scientist Honored as the Department of Defense (DoD) Laboratory Scientist of the Quarter". Department of Defense Research & Engineering Enterprise. Retrieved August 27, 2018.
  9. ^ Brewer, Steven; Cress, Cory; Williams, Samuel; Zhou, Hanhan; Rivas, Manuel; Polcawich, Ronald; Glaser, Evan; Jones, Jacob; Bassiri-Gharb, Nazanin (July 13, 2017). "Phenomenological Model for Defect Interactions in Irradiated Functional Materials". Scientific Reports. 7 (1): 5308. Bibcode:2017NatSR...7.5308B. doi:10.1038/s41598-017-05071-z. PMC 5509665. PMID 28706227.
  10. ^ Polcawich, Ronald (November 2004). "A Piezoelectric MEMS Microphone Based on Lead Zirconate Titanate (PZT) Thin Films". U.S. Army Research Laboratory. Archived from the original on June 3, 2018 – via Defense Technical Information Center.
  11. ^ Polcawich, Ronald; Pulskamp, Jeffrey; Judy, Daniel; Ranade, Prashant; Trolier-McKinstry, Susan; Dubey, Madan (December 6, 2007). "Surface Micromachined Microelectromechancial Ohmic Series Switch Using Thin-Film Piezoelectric Actuators". IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 55 (12): 2642–2654. Bibcode:2007ITMTT..55.2642P. doi:10.1109/TMTT.2007.910072.
  12. ^ Pulskamp, Jeffrey; Judy, Daniel; Polcawish, Ronald; Kaul, Roger; Chandrahalim, Hengky; Bhave, Sunil (January 2009). Monolithically Integrated Piezomems SP2T Switch and Contour-Mode Filters. 2009 IEEE 22nd International Conference on Micro Electro Mechanical Systems. pp. 900–903. CiteSeerX 10.1.1.162.2655. doi:10.1109/MEMSYS.2009.4805529. ISBN 978-1-4244-2977-6.
  13. ^ Pulskamp, Jeffrey (February 2005). "Modeling, Fabrication, and Testing of a Piezoelectric MEMS Vibrational Energy Reclamation Device". U.S. Army Research Laboratory. Archived from the original on June 1, 2018 – via Defense Technical Information Center.
  14. ^ a b Tadigadapa, Srinivas (September 2010). "Piezoelectric microelectromechanical systems — challenges and opportunities". Procedia Engineering. 5: 468–471. doi:10.1016/j.proeng.2010.09.148.