据麦姆斯咨询介绍,在微机电系统(MEMS)市场中,基于压电原理的微型执行器正在光学、声学、流体学等领域快速发展,应用范围十分广泛,例如喷墨打印头、变焦镜头、微型扬声器、微型反射镜以及触觉应用等。目前,压电执行器应用的主要材料是锆钛酸铅(PZT),它是一种知名并被重点研究的铁电材料。
然而,由于铅(Pb)的存在,PZT压电执行器的应用存在长期威胁。事实上,Pb元素的加工会对人类健康和环境造成损害。从2000年开始,几乎所有的应用和设备都已开始立法禁止使用Pb,但是,在没有合适替代品的情况下,也有一些暂时的例外。欧盟的RoHS指令(限制在电气和电子设备中使用某些有害物质)规定了对Pb的使用限制。该指令每3-5年定期审查一次。
就PZT而言,由于目前在执行器应用领域还没有合适的无铅替代品,因此,其豁免期一直持续到2026年。近20年来,全球范围内一直在积极开发具有良好性能的PZT替代无铅压电材料。值得指出的是,目前产业界已有的无铅压电材料,例如氮化铝(AlN)或Sc掺杂AlN,都无法在执行器中取代PZT,因为它们的压电系数对于所考虑的应用来说太低,其应用优点是横向压电系数d31(或e31)。
无铅压电材料铌酸钾钠(K, Na)NbO3(KNN)是近年兴起的最有前景的候选材料之一,它显示出与PZT相当的压电特性。不过,根据最近的研究,KNN对环境的总体影响似乎并不比PZT小。虽然KNN毒性较低,甚至与PZT相反具有不错的生物相容性,但由于Nb2O5的提炼过程,KNN会带来更多污染物。可能需要开发更环保的新型铌提取和纯化工艺,以及铌基化合物的回收工艺,才能使KNN从生态角度来看比PZT更具吸引力。
直到最近,有关KNN材料的大部分研究工作都是在学术层面、小尺寸衬底(最多几平方厘米)上完成的,而且不一定是基于压电MEMS标准硅衬底。然而,要商业化进入压电MEMS产业,需要扩大规模,并在集成度和可靠性方面不断完善,以满足产业界的需求。在最近的一篇论文中,住友化学(Sumitomo Chemical)证明了KNN薄膜可以沉积在直径达8英寸的大尺寸硅衬底上,并能够使用量产的溅射机台在整个晶圆上实现良好的厚度均匀性。
(a)KNN集成工艺结束后的8英寸MEMS晶圆,放大图为各种通用MEMS结构,包括悬臂梁、微桥、开环和膜等,具有盘形或环形执行器;(b)层堆叠示意图;(c)悬臂梁自由端的SEM横截面图,可以清楚地看到5微米厚的Si膜,其上为结构化的KNN执行器。
(a)8英寸硅晶圆;(b)MEMS微镜俯视图;(c)MEMS微镜的二维扫描表征。
据麦姆斯咨询报道,法国格勒诺布尔-阿尔卑斯大学和雷恩第一大学的研究人员近期在8英寸硅晶圆威廉希尔官方网站 平台上,采用工业兼容工艺将最先进的KNN薄膜集成到了MEMS执行器件中。这项研究成果已发表于Sensors and Actuators A: Physical期刊。研究人员在整个8英寸硅晶圆上,对集成到电容器中厚度分别为1微米和1.9微米的KNN薄膜的铁电、介电和压电特性进行了评估。通过对KNN基器件(如悬臂梁和膜)进行机电测量,突出展示了执行器的特性。最后,研究人员将KNN薄膜用于驱动MEMS微镜。MEMS微镜在不久的将来有望成为推动市场发展的主要压电MEMS执行器之一。研究结果表明,这项KNN威廉希尔官方网站 有望在压电MEMS行业取代含铅的PZT威廉希尔官方网站 。
审核编辑:刘清
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原文标题:应用于MEMS执行器的8英寸硅晶圆上的KNN无铅威廉希尔官方网站
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