High force piezo aktuator

Den kraften man kan få ut av en piezo aktuator (muskel) avhenger av flere faktorer: - Kjemisk sammensetning (Noen materialer har høyere piezo koeffisient enn andre.) - Utformingen av metallelektrodene har også betydning. - Plassering av piezo elementet i forhold til hvor man ønsker kraften tilført (designmessig utforming). - Ved å plassere piezo filmer oppe på hverandre kan man få en additiv effekt. De to første punktene blir bearbeidet i et separat prosjekt delvis finansiert av NANO2021 (BTHE). De to siste punktene er inkludert i prosjektet HifPac. I HifPac vil vi fokusere på prosess teknologier som kan muliggjøre et antall design og som blant annet inkluderer stabling av tynnfilm piezo oppe på hverandre eller på hver side av en tyn membran (glass). Det er kjent at man kan øke kraften et piezo-element gir ved å legge flere uavhengige tynne lag på hverandre og drive dem uavhengig. Utfordringen er å gjennomføre dette i praksis for komplekse materialsystemer med utfordrende geometri (3D-MEMS). Sammen med SINTEF MINAlab, poLight as jobber med utvikling av MEMS prosesser og nye design, slik at man får et optimalt resultat i forhold til avgitt kraft og produksjonskostnader. Den nyutviklede teknologien vil være nyttig for flere optiske produkter innenfor poLight sitt produktområde (OIS og Zoom), men kan på sikt også være interessant for andre MEMS produkter. Så langt har vi framstilt og testet referanse prøver og prøver der piezoelementene er stablet oppe på hverandre. Disse har rimelig kvalitet og fungerer. Netto kraft er noe mindre enn forventet. Den tosidige løsningen har vært vesentlig mer utfordrende og her har man foreløpig lite resultater. Gjennomføring av prosesseringen ble forsinket både på grunn av utstyr og prosessutfordringer, samt lange leveransetider fra underleverandører. Prosjektet er forlenget med ca. 4 måneder og arbeidet er nå i gang og følger de reviderte planene. To alternative løsninger blir bearbeidet videre og ser foreløpig lovende ut. Prosjektet er nå i avslutningsfasen. Noe gjenstående testing og evaluering vil bli utført i 2018 selv prosjektet formelt avsluttes med denne rapporten.

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.