Kæmpe piezoelektrisk effekt for at forbedre MEMS-enheder

Forskere i Department of Materials Science and Engineering og Materials Research Institute i Penn State er en del af et tværfagligt team af forskere fra universiteter og nationale laboratorier i hele USA, som har fremstillet piezoelektriske tynde film med rekordsættende egenskaber. Disse konstruerede film har et stort potentiale til energihøst, såvel som i mikro-elektromekaniske systemer (MEMS), mikro aktuatorer, og sensorer til en række miniaturiserede systemer, såsom ultralydsbilleddannelse, mikrofluidik, og mekanisk sansning.

Piezoelektriske materialer kan omdanne elektrisk energi til mekanisk energi og omvendt. De fleste MEMS bruger silicium, standardmaterialet til halvlederelektronik, som underlag. Integrering af piezoelektriske tynde film på siliciumbaserede MEMS-enheder med dimensioner fra mikrometer til et par millimeter i størrelse vil tilføje en aktiv komponent, der kan drage fordel af bevægelse, såsom et fodtrin eller en vibrerende motor, at generere elektrisk strøm, eller brug en lille påført spænding til at skabe bevægelse på mikronniveau, såsom ved at fokusere på et digitalt kamera.

Tidligere, de bedste piezoelektriske MEMS-enheder blev lavet med lag af silicium og bly zirconium titanat (PZT) film. For nylig, et team ledet af Chang-Beom Eom fra University of Wisconsin-Madison syntetiserede en tynd blymagnesiumniobat-blytitanat (PMN-PT) film integreret på et siliciumsubstrat.

Penn State-holdet, ledet af Susan Trolier-McKinstry, professor i keramisk videnskab og teknik, og herunder forskningsassistent Srowthi Bharadwaja, PhD, målte den elektriske og piezoelektriske ydeevne af de tynde film og sammenlignede PMN-PT-filmene med de rapporterede værdier af andre mikrobearbejdede aktuatormaterialer for at vise potentialet af PMN-PT til aktuator- og energihøstapplikationer.

I en nylig artikel i Science, holdet rapporterede de højeste værdier af piezoelektriske egenskaber for enhver piezoelektrisk tyndfilm til dato, og en to gange højere værdi end de bedst rapporterede PZT-film til energihøstapplikationer. Denne stigning i den effektive piezoelektriske aktivitet i en tynd film vil resultere i en dramatisk forbedring af ydeevnen. For eksempel, energihøst ved hjælp af sådanne tynde film vil give lokale strømkilder til trådløse sensorknuder til broer, fly, og potentielt til menneske-kropssensorer.

Sammen med forskerne fra Penn State og UW-Madison, de deltagende institutioner omfattede National Institute of Standards and Technology (NIST), University of Michigan, University of California, Berkeley, Cornell University, og Argonne National Laboratory. Papiret, med titlen "Giant Piezoelectricity on Si for Hyperactive MEMS, ” optrådte i 18. november-udgaven af Videnskab . Arbejdet i Penn State blev støttet af et National Security Science and Engineering Faculty Fellowship. Anden støtte blev ydet af National Science Foundation, Energiministeriet, luftvåbnets kontor for videnskabelig forskning, og et David Lucile Packard Fellowship.