Back to search

BIA-Brukerstyrt innovasjonsarena

High force piezo aktuator

Alternative title: Høy kraft piezo aktuator

Awarded: NOK 6.3 mill.

The effective power one can obtain from a piezo actuator (muscle) depends on several factors: - Chemical composition (Some materials have clearly higher piezoelectric coefficient than others.) - The design of the metal electrodes. - Location of the piezo element with respect to where the force is to be applied (design considerations). - By stacking piezo films on top of each other or close to one another one may get an additive effect. The first two points are included in a separate project, partially funded by the research program NANO2021 (BTHE). The last two points are included in this project (HifPac). In HifPac we focus on the process technology that can enable a number of new designs, including stacking of two thin piezoelectric films on top of each other or one on each side of a thin membrane (glass). It is already known that one can increase the power of a piezoelectric element by stacking independent thin piezoelectric layers and operate them independently. The challenge is to implement this in practice for complex material systems with challenging geometries (3D-MEMS). Together with SINTEF MiNaLab, poLight works on developing MEMS processes and innovative designs to give optimal results in terms of actuation power and production costs. The newly developed technology will be useful for several optical products within poLight's product range (OIS and zoom) but may eventually also be interesting for other MEMS products. So far we have processed and tested reference samples and samples with a double stack piezoelectric element. They have reasonably good quality and are working. The actuation force that they provide is slightly lower than expected. The double-sided solution is more challenging and we have little results so far. Processing was delayed due to both equipment and process challenges, as well as long delivery times from subcontractors. The project has been extended by four months and work is now underway, following the revised plans. Two alternative solutions are being processed further and results so far look promising.The project is now in the last phase. Some testing and evaluation will be carried out in 2018 even though the project are formally finished with this report.

TLens ® er basert på MEMS-teknologi (Mikro Elektro Mekanisk System) med utgangspunkt i en tynn glassmembran som aktueres av en piezoelektrisk tynnfilm. Da materialet som brukes, PZT, ikke kan optimaliseres i særlig større grad må det designmessige tiltak til for å øke tilgjengelig kraft. Vårt forslag er å bruke to piezoelektriske aktuatorer deponert enten på hver sin side eller på samme side av glassmembranet. Dette vil imidlertid kreve mere kompleks produskjonsprosesser, og pr dags dato har ingen realise rt to-sidig tynnfilm piezo-aktuator hverken for optiske eller andre applikasjoner. Dette skyldes primært to årsaker: Prosessene har ikke vært tilgjengelig hverken i laboratorier eller «waferfab». Samtidig har nok også etterspørselen etter denne typen pros esser og design vært begrenset. Prosjektet vil gi oss muligheten til å tenke nytt både når det gjelder framtidig design og produktområder. Konvensjonell MEMS-teknologi innholder deponering av forskjellige lag som senere etses selektivt for å forme define rte strukturer. I mange tilfeller er det snakk om relativt komplekse strukturer i tre dimensjoner. Det siste krever at man må sammenstille (bonde) to eller flere skiver i glass eller silisium. En av de større utfordringene ligger i å legge på nye lag av a ndre materialer uten å skade ytelsen eller påliteligheten til enheten. Dette er utfordrende fordi silisiumskiven vil utsettes for store temperatur svingninger og tøffe kjemiske miljøer i hvert prosesstrinn. Det er derfor viktig at man velger riktige pros essbetingelser og rekkefølge på prosesstrinnene. Øker man antallet lag øker også risikoen for å innføre defekter som reduserer kvaliteten og i verste fall må man innføre ytterligere trinn for å reparere skaden. Aktuatoren består av flere tynne filmer av forskjellige materialer med hvert sitt toleransevindu. Den piezoelektriske filmen PZT er spesielt vanskelig da den må deponeres på en elektrode som både beskytter mot diffusjon og fungerer som seedlag for PZT.

Funding scheme:

BIA-Brukerstyrt innovasjonsarena