Enabling technology for high-quality piezoMEMS

Med konseptet Tingenes Internett (TI) har etterspørselen etter ulike sensorer, sensor nettverk og trådløse løsninger økt raskt. Ofte er liten størrelse (Mål i millimeter) etterspurt. Dette gjør det krevende for sensor- og elektronikk-leverandører samt pakkebedriftene som skal få alt til å passe i liten pakke. Videre er det et behov for selvdrevne løsninger som kan operere i flere år uten bytte av batterier. ENPIEZO har hatt som mål å utvikle piezoelektriske energihøstere som kan levere strøm fra vibrasjoner basert på et piezoelektrisk mikro-elektromekanisk system (piezoMEMS). Dette vil ha utallige bruksområder. For eksempel kan energihøsterne bli drevet av hjerteslag til å levere strøm til implanterbare sensorer eller til sensorer på avsidesliggende steder som vindmølleblader. Pulset laser deponering (PLD) av epitaksielle PbMg(1/3)Nb(2/3)O3-PbTiO3 (PMN-PT) tynne filmer med høy kvalitet på silisium, tilpasset komponent-fabrikasjon har blitt utviklet. Dette arbeidet har blitt utført ved bruk av SINTEFs skivenivå PLD system som er den første av sitt slag i verden. God tilpasning av grenseflatene mellom silisiumskiven og PMN-PT ved hjelp av flere bufferlag har vært nødvendig for å få den nødvendige kvaliteten. For energihøstere basert på tynn film PMN-PT er det via modellering funnet at et design med interdigitale toppelektroder uten bunnelektrode vil være mest effektivt. Dette er ikke blitt gjort tidligere og publiserte arbeider er basert på alltid å ha en bunn og topp elektrode. SINTEF har fått utviklet en tynnfilmstakk basert på yttrium stabilisert zirkonia (YSZ), ceria (CeO2) og strontium titanat (STO) som gjør det mulig å overføre epitaksien fra den en-krystallinske silisiumskiven til den aktive PMN-PT tynnfilmen. SINTEF er en av de første som har vært i stand til å lage en slik komplisert epitaksiell tynnfilmstakk på en full 150 mm silisiumskive. Metoden fram til nå har vært begrenset til et område på ~2 cm i diameter. I tillegg til å kunne lage MEMS-baserte energihøstere er dette et viktig steg videre mot bruk av PLD som metode for deponering av diverse funksjonelle oksider for produksjon av MEMS.

SINTEF har laget en plattform for å integrere epitaksielle funksjonelle perovskitter med 150 mm Si-skiver. Dette er et viktig skritt for at slike materialer, som tidligere bare er studert på substrater opp til 10 x 10 mm, kan brukes i prosesser som egner seg for produksjon av komponenter. SINTEF bruker kompetansen i andre prosjekter som f.eks. H2020 PETMEM som potensielt kan bane vei for prosessorer som bruker 10-50 x mindre strøm dagens teknologi basert på CMOS. SINTEF vil bruke kompetansen videre til å både etablere prosjekter som omhandler energihøsting spesielt og mer på systemnivå der energihøstere er en del av dette. Energihøsting fra vibrasjoner ha mange bruksområder innen digitalisering. SINTEF opplever at etterspørselen etter ulike sensorer, sensornettverk og trådløse løsninger økt raskt. Vi ser det for veldig sannsynlig at dette vil finne veien til både etablerte og oppstartsbedrifter i Norge.

ENPIEZO aims to develop piezoelectric-based energy-harvesting devices to provide a remote source of electricity from waste vibrations with countless applications. For instance, energy-harvesting devices can be powered by a heartbeat to operate pace-makers or it can provide electricity for sensors at remote locations like wind-turbine air blades. Fabrication-friendly pulsed-laser deposition of high-quality PbMg(1/3)Nb(2/3)O3-PbTiO3 thin films on silicon will be developed, based on the delicate engineering of silicon-oxide interfaces. The study will be performed on laboratory- and industrial-scale systems, the first of its kind in the world, which is believed to result in a breakthrough for the production of energy-harvesting devices with state-of-the-art p erformance. In the project, aerosol deposition and environmentally friendly Na0.5Bi0.5TiO3-based piezoelectric alternatives will also be investigated. The project brings together four partners with expertise in a very diverse field of research and develop ment.