DE102016225671A1 - Piezoelectric stack actuator and method of making the same - Google Patents
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Abstract
Ein Verfahren (100) zur Herstellung eines piezoelektrischen Stapelaktuators (200), mit folgenden Schritten: Bereitstellen (110) einer piezoelektrischen Schicht (202), die eine säulenförmige Schichtstruktur aufweist, wobei aufgrund der säulenförmigen Schichtstruktur ausgehend von einem Oberflächenbereich (202a) der piezoelektrischen Schicht (202) Zwischenräume (206) mit Kanälen (206a) und Gräben (206b) zwischen benachbarten Säulen (204) in der piezoelektrischen Schicht (202) ausgebildet sind; Einbringen (120) einer leitfähigen Elektrodenstruktur (208) in die piezoelektrische Schicht (202), wobei sich die leitfähige Elektrodenstruktur (208) ausgehend von dem Oberflächenbereich (202a) der piezoelektrischen Schicht (202) in Kanäle (206a) der piezoelektrischen Schicht (202) erstreckt; Einbringen (130) eines Isolationsmaterials (210) in Zwischenräume (206) in der piezoelektrischen Schicht (202), um benachbarte Säulen (204) zumindest bereichsweise mechanisch miteinander zu koppeln; und Anordnen (140) einer Metallisierungsstruktur (212) an dem Oberflächenbereich (202a) der piezoelektrischen Schicht (202) in elektrischem Kontakt mit der leitfähigen Elektrodenstruktur (208).A method (100) of manufacturing a piezoelectric stack actuator (200), comprising the steps of: providing (110) a piezoelectric layer (202) having a columnar layer structure, due to the columnar layer structure starting from a surface region (202a) of the piezoelectric layer (202) spaces (206) are formed with channels (206a) and trenches (206b) between adjacent columns (204) in the piezoelectric layer (202); Introducing (120) a conductive electrode structure (208) into the piezoelectric layer (202), the conductive electrode structure (208) starting from the surface region (202a) of the piezoelectric layer (202) into channels (206a) of the piezoelectric layer (202) extends; Inserting (130) an insulating material (210) into spaces (206) in the piezoelectric layer (202) to mechanically couple adjacent columns (204) at least in regions; and arranging (140) a metallization structure (212) on the surface region (202a) of the piezoelectric layer (202) in electrical contact with the conductive electrode structure (208).
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf piezoelektrische Stapelaktuatoren und auf ein Verfahren zu deren Herstellung. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf viellagige, laterale, piezoelektrische Stapelaktuatoren und auf ein Verfahren zu deren Herstellung.The present invention relates to piezoelectric stack actuators and to a process for their preparation. In particular, the present invention relates to multilayer, lateral, piezoelectric stack actuators and to a method for their production.
Piezoelektrische Keramikmaterialien erlauben den Aufbau von schnellen Aktuatoren, die große Kräfte liefern können. Ein sehr gebräuchliches Material mit großen piezoelektrischen Koeffizienten ist Blei-Zirkonat-Titanat (PZT). Allerdings sind einfache piezoelektrische Aktuatoren trotz hoher Antriebsspannungen von bis zu einigen 100 V auf geringe Auslenkungswege (Stellwege oder Hübe) beschränkt. Größere Auslenkungen lassen sich beispielsweise nur durch eine mechanische Kraft-Weg-Umsetzung oder aber durch eine Reihenschaltung einer großen Anzahl von einzelnen piezoelektrischen Aktuatoren in einem Stapel erreichen. Dazu werden eine Vielzahl von Lagen eines piezoelektrisch aktiven Materials und die jeweils zugehörigen Elektroden „aufeinander“ gestapelt, so dass sich die einzelnen Auslenkungen jeder Einheit bei deren Aktivierung addieren.Piezoelectric ceramic materials allow the construction of fast actuators that can deliver great forces. A very common material with large piezoelectric coefficients is lead zirconate titanate (PZT). However, simple piezoelectric actuators, despite high drive voltages of up to a few 100 V, are limited to small displacement paths (travel paths or strokes). Larger deflections can be achieved, for example, only by a mechanical force-displacement conversion or by a series connection of a large number of individual piezoelectric actuators in a stack. For this purpose, a multiplicity of layers of a piezoelectrically active material and the respective associated electrodes are stacked on top of each other so that the individual deflections of each unit add up when they are activated.
Während mit keramischen Verfahren hergestellte „makroskopische“ Stapelaktuatoren mit bis zu 200 Einzellagen, etwa für den Antrieb von schnellen Einspritzventilen in Dieselmotoren, bereits in der Praxis Anwendung finden, sind Stapelaktuatoren in der Mikrotechnik, d.h. Mikroaktuaktoren, bisher noch nicht im praktischen Einsatz. Als unter die Mikrotechnik fallende Herstellungsverfahren sind Verfahren zur Herstellung von Körpern und geometrischen Strukturen mit Dimensionen im Mikrometerbereich (0,1 - 1000 µm) zu berücksichtigen.While ceramic "macroscopic" stack actuators with up to 200 individual layers, such as for driving fast injectors in diesel engines, are already being used in practice, stack actuators are well known in the art of microtechnology. Microactuators, not yet in practical use. Processes for the production of bodies and geometric structures with dimensions in the micrometer range (0.1-1000 μm) are to be taken into consideration as manufacturing processes falling under the microtechnology.
Die Herstellung einer Mehrzahl gestapelter Lagen piezoelektrischen Materials in Dünnschichttechnik ist mit großen technologischen Hürden verbunden. So ist eine hohe Anzahl an Lithographie- und Strukturierungsschritten für das piezoelektrische Material und dessen Elektroden notwendig. Zudem erfordert die Herstellung in Dünnschichttechnik relativ hohe Prozesstemperaturen, die häufig zu Ablösungen am Piezomaterial-Elektroden-Verbund führen. Daher sind bisher in Dünnschichttechnik hergestellte Stapelaktuatoren in der Praxis nicht bzw. nur mit sehr wenigen Einzellagen verfügbar, da ein sehr hoher Herstellungsaufwand für entsprechende Dünnschicht-Stapelaktuatoren vorliegt, wobei Dünnschicht-Stapelaktuatoren mit mehr Einzellagen nicht zuverlässig realisiert werden können.The production of a plurality of stacked layers of piezoelectric material in thin-film technology is associated with major technological hurdles. Thus, a high number of lithography and structuring steps for the piezoelectric material and its electrodes is necessary. In addition, the production in thin-film technology requires relatively high process temperatures, which often lead to detachment at the piezomaterial-electrode composite. Therefore, previously produced in thin-film stack actuators are not available in practice or only with very few individual layers, since a very high production cost for corresponding thin-film stack actuators is present, with thin-layer stack actuators can not be reliably realized with more individual layers.
Hinsichtlich der Realisierung von piezoelektrischen Mikroaktuaktoren stellt sich also im Bereich der Dünnschichttechnologie folgende Situation dar: Piezoelektrische Mikroaktuatoren werden fast ausschließlich als Einzellagen piezoelektrischer Materialien für den Aufbau piezoelektrischer Biegewandler verwendet. In einer solchen Anordnung als piezoelektrische Biegewandler können die geringen lateralen Dehnungen der aktiven piezoelektrischen Schicht in eine Biegung überführt werden, wodurch an der Spitze des Aktuators eine deutlich vergrößerte Auslenkung erzielt werden kann. Allerdings geht diese Ausgestaltung zu Lasten der erzeugbaren Kräfte und der erreichbaren Antriebsgeschwindigkeiten. Werden hingegen große Auslenkungen (Hübe) und auch große Kräfte, d.h. eine große Kraftbereitstellung, verlangt, ist dies nur durch eine drastische Erhöhung der Dicke des piezoelektrischen Schichtmaterials möglich. Da die Dehnung der piezoelektrischen Schicht jedoch von der antreibenden, angelegten elektrischen Feldstärke abhängig ist, führt die Erhöhung der Schichtdicke gleichermaßen zu einer Erhöhung der notwendigen Antriebs- bzw. Arbeitsspannungen bis zu einigen 100 V. Solche Arbeitsspannungen können aber bei vielen praktischen Anwendungen der Mikrosystemtechnik nicht bereitgestellt und damit auch nicht toleriert werden.With regard to the realization of piezoelectric microactuators, the following situation thus arises in the field of thin-film technology: Piezoelectric microactuators are used almost exclusively as individual layers of piezoelectric materials for the construction of piezoelectric bending transducers. In such an arrangement as a piezoelectric bending transducer, the small lateral strains of the active piezoelectric layer can be converted into a bend, whereby a significantly increased deflection can be achieved at the tip of the actuator. However, this embodiment is at the expense of the forces that can be generated and the achievable drive speeds. On the other hand, if large deflections (strokes) and also large forces, i. requires a large power supply, this is only possible by drastically increasing the thickness of the piezoelectric layer material. However, since the elongation of the piezoelectric layer is dependent on the driving, applied electric field strength, increasing the layer thickness equally leads to an increase of the necessary drive or working voltages up to a few 100 V. However, such working voltages can not be achieved in many practical applications of microsystem technology provided and therefore not be tolerated.
Der Realisierung viellagiger Stapelaktuatoren stehen somit bislang eine ganze Reihe gravierender technologischer Probleme gegenüber. So führen die nötigen Prozesstemperaturen von 600°C - 700°C zu unerwünschten Reaktionen des PZT-Materials mit den bereits hergestellten Metallelektroden und letztlich zu einer schlechten Anhaftung dieser Metallelektroden am PZT-Material. Weiterhin bedeutet jede weitere Schichtebene aber auch zusätzliche Prozessschritte in Form von Lithographie- und Ätzschritten für deren Strukturierung, die den Herstellungsaufwand und damit die Herstellungskosten weiter kontinuierlich erhöhen. Aufgrund dieser Probleme haben solche Multilayer-Dünnfilmaktuatoren in der praktischen Realisierung noch keinen Einzug gefunden, wobei eine Realisierung von Multilayer-Dünnfilmaktuatoren bisher auf maximal fünf Einzelschichten mit einer Gesamtdicke von 5 µm beschränkt ist (siehe auch [1] und [6]).Thus, the realization of multi-layer stack actuators has been confronted with a whole series of serious technological problems. Thus, the necessary process temperatures of 600 ° C - 700 ° C lead to undesirable reactions of the PZT material with the metal electrodes already prepared and ultimately to a poor adhesion of these metal electrodes on the PZT material. Furthermore, each additional layer plane also means additional process steps in the form of lithographic and etching steps for their structuring, which further increase the production costs and thus the production costs. Because of these problems, multilayer thin-film actuators of this kind have not yet found their way into practical implementation, with realization of multilayer thin film actuators hitherto restricted to a maximum of five individual layers with a total thickness of 5 μm (see also [1] and [6]).
Ausgehend von diesem Stand der Technik besteht die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe darin, verbesserte piezoelektrische Aktuatoren als auch ein verbessertes Herstellungsverfahren für piezoelektrische Aktuatoren zu schaffen.Starting from this prior art, the object underlying the present invention is to provide improved piezoelectric actuators as well as an improved manufacturing method for piezoelectric actuators.
Diese Aufgabe wird durch die unabhängigen Patentansprüche gelöst. Erfindungsgemäße Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert. This object is solved by the independent claims. Inventive developments are defined in the dependent claims.
Ein Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Stapelaktuators umfasst folgende Schritte: Bereitstellen einer piezoelektrischen Schicht, die eine säulenförmige Schichtstruktur aufweist, wobei aufgrund der säulenförmigen Schichtstruktur ausgehend von einem Oberflächenbereich der piezoelektrischen Schicht Zwischenräume mit Kanälen und Gräben zwischen benachbarten Säulen in der piezoelektrischen Schicht ausgebildet sind; Einbringen einer leitfähigen Elektrodenstruktur in die piezoelektrische Schicht, wobei sich die leitfähige Elektrodenstruktur ausgehend von dem Oberflächenbereich der piezoelektrischen Schicht in Kanäle der piezoelektrischen Schicht erstreckt; Einbringen eines Isolationsmaterials in Zwischenräume in der piezoelektrischen Schicht, um benachbarte Säulen zumindest bereichsweise mechanisch miteinander zu koppeln; und Anordnen einer Metallisierungsstruktur an dem Oberflächenbereich der piezoelektrischen Schicht in elektrischem Kontakt mit der leitfähigen Elektrodenstruktur.A method for producing a piezoelectric stack actuator comprises the steps of: providing a piezoelectric layer having a columnar layer structure, wherein due to the columnar layer structure, spaces having channels and trenches are formed between adjacent columns in the piezoelectric layer from a surface portion of the piezoelectric layer; Introducing a conductive electrode structure into the piezoelectric layer, the conductive electrode structure extending from the surface region of the piezoelectric layer into channels of the piezoelectric layer; Introducing an insulating material into intermediate spaces in the piezoelectric layer in order to at least partially mechanically couple adjacent columns to one another; and placing a metallization structure on the surface region of the piezoelectric layer in electrical contact with the conductive electrode structure.
Ein piezoelektrischer Stapelaktuator umfasst eine piezoelektrische Schicht, die eine säulenförmige Schichtstruktur aufweist, wobei aufgrund der säulenförmigen Schichtstruktur ausgehend von einem Oberflächenbereich der piezoelektrischen Schicht Zwischenräume mit Kanälen und Gräben zwischen benachbarten Säulen in der piezoelektrischen Schicht ausgebildet sind; eine leitfähige Elektrodenstruktur in der piezoelektrischen Schicht, wobei sich die leitfähige Elektrodenstruktur ausgehend von dem Oberflächenbereich der piezoelektrischen Schicht vertikal in eine Mehrzahl der Kanäle der piezoelektrischen Schicht erstreckt; ein Isolationsmaterial zumindest bereichsweise in verbleibenden Zwischenräumen in der piezoelektrischen Schicht, um benachbarte Säulen zumindest bereichsweise mechanisch miteinander zu koppeln/zu verbinden; und eine Metallisierungsstruktur an dem Oberflächenbereich der piezoelektrischen Schicht in elektrischem Kontakt mit der leitfähigen Elektrodenstruktur in der piezoelektrischen Schicht.A piezoelectric stack actuator includes a piezoelectric layer having a columnar layer structure, and due to the columnar layer structure, spaces having channels and trenches are formed between adjacent columns in the piezoelectric layer from a surface portion of the piezoelectric layer; a conductive electrode structure in the piezoelectric layer, the conductive electrode structure extending vertically from the surface portion of the piezoelectric layer into a plurality of the channels of the piezoelectric layer; an insulation material at least partially in remaining interstices in the piezoelectric layer in order to at least partially mechanically couple / connect adjacent columns with one another; and a metallization structure on the surface region of the piezoelectric layer in electrical contact with the conductive electrode structure in the piezoelectric layer.
Der Kerngedanke der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, anstelle eines vertikalen Schichtaufbaus, bei dem viele Lagen piezoelektrischen Materials übereinander bzw. aufeinander geschichtet werden/sind, einen lateralen Aufbau eines piezoelektrischen Stapelaktuators zu realisieren, bei dem viele Lagen, z.B. in einem Substrat, nebeneinander angeordnet werden/sind. Dabei ist die Vielzahl dünner, lateral nebeneinander angeordneter Streifen (Lagen) mechanisch bzw. kraftschlüssig miteinander verbunden. Dazu wird die ausgeprägt kolumnare (säulenförmige) Struktur von piezoelektrischen, dicken PZT-Schichten für eine vertikale Strukturierung sowohl der piezoelektrischen Schichtelemente als auch der erforderlichen (elektrisch) leitfähigen Elektroden verwendet, wobei bei der Integration der notwendigen Elektroden und bei der mikrotechnischen „lateralen“ Strukturierung der (dazwischen liegenden) schmalen Streifen aus piezoelektrischem Material die mechanische Verbindung (Kraftschlüssigkeit) des gesamten Materialverbundes beibehalten werden kann. Die kolumnare Struktur von piezoelektrischen Schichten, die beispielsweise mit einem Gasflusssputter-Prozess hergestellt werden, ist i.A. auch ausgeprägt anisotrop ausgebildet. Die vertikale Strukturierung sowohl der piezoelektrischen Schichtelemente als auch der erforderlichen (elektrisch) leitfähigen Elektroden kann also senkrecht zur lateralen Anordnung unter Beibehaltung der mechanische Verbindung des gesamten Materialverbundes erfolgen, um die lateral abwechselnde Anordnung der leitfähigen Elektroden und der piezoelektrischen Schichtelemente zu erhalten.The core idea of the present invention is, instead of a vertical layer structure in which many layers of piezoelectric material are stacked on top of each other, to realize a lateral construction of a piezoelectric stack actuator in which many layers, e.g. in a substrate, are arranged side by side. In this case, the plurality of thin, laterally juxtaposed strips (layers) are mechanically or non-positively connected to each other. For this purpose, the pronounced columnar (columnar) structure of piezoelectric, thick PZT layers is used for vertical structuring of both the piezoelectric layer elements and the required (electrically) conductive electrodes, wherein in the integration of the necessary electrodes and in the microtechnical "lateral" structuring the (intermediate) narrow strip of piezoelectric material, the mechanical connection (positive engagement) of the entire composite material can be maintained. The columnar structure of piezoelectric layers made by, for example, a gas flow sputtering process is i.A. also pronounced anisotropic. The vertical structuring of both the piezoelectric layer elements and the required (electrically) conductive electrodes can therefore be perpendicular to the lateral arrangement while maintaining the mechanical connection of the entire composite material to obtain the laterally alternating arrangement of the conductive electrodes and the piezoelectric layer elements.
Bei der Herstellung der lateral abwechselnden Anordnung werden also Strukturen, wie Metallelektroden, ein mechanisches Verbindungsmaterial, etc., beispielsweise jeweils in einzelnen Herstellungsschritten vertikal zu dem Oberflächenbereich in das piezoelektrische Material eingebracht.In the production of the laterally alternating arrangement, therefore, structures such as metal electrodes, a mechanical bonding material, etc., for example, in each case in individual manufacturing steps are introduced vertically into the piezoelectric material to the surface area.
Bei dem Herstellungsverfahren kann beispielsweise eine einzige (zusammenhängende) relativ dicke (z.B. 5 - 50 µm oder 5 - 35 µm dicke) piezoelektrische Schicht (z.B. eine PZT-Schicht), die eine säulenförmige Schichtstruktur aufweist, bereitgestellt werden. Die säulenförmige Schichtstruktur weist ausgehend von einem Oberflächenbereich der piezoelektrischen Schicht Zwischenräume (Poren) mit (breiten) Kanälen und (schmalen) Gräben zwischen benachbarten Säulen in der piezoelektrischen Schicht auf. Eine leitfähige Elektrodenstruktur wird in die säulenförmige Schichtstruktur der piezoelektrischen Schicht eingebracht, indem beispielsweise ein (bei einer relativ niedrigen Temperatur < 350 °C) verflüssigbares Metallmaterial bzw. Metalllegierungsmaterial, wie etwa Gallium oder Indium, periodisch in die piezoelektrische Schicht eingebracht wird. Die Infiltration kann vertikal zum Oberflächenbereich, d.h. senkrecht zur lateralen Erstreckung der piezoelektrischen Schicht, erfolgen. Mit dem Begriff „flüssige oder verflüssigbares Metalle“ sind bei niedrigen Temperaturen verflüssigbare Metalle, Metalllegierungen oder Lote gemeint.In the manufacturing method, for example, a single (continuous) relatively thick (e.g., 5 - 50 μm or 5 - 35 μm thick) piezoelectric layer (e.g., a PZT layer) having a columnar layer structure may be provided. The columnar layer structure has spaces (pores) with (wide) channels and (narrow) trenches between adjacent columns in the piezoelectric layer starting from a surface area of the piezoelectric layer. A conductive electrode structure is introduced into the columnar layer structure of the piezoelectric layer by periodically introducing a (at a relatively low temperature <350 ° C) liquefiable metal material such as gallium or indium into the piezoelectric layer. The infiltration can be vertical to the surface area, i. perpendicular to the lateral extent of the piezoelectric layer, take place. By the term "liquid or liquefiable metals" is meant at low temperatures liquefiable metals, metal alloys or solders.
Das Einbringen bzw. Infiltrieren des verflüssigten Metallmaterials kann unter erhöhtem Druck derart erfolgen, dass das verflüssigte Metallmaterial nur entlang der vertikalen Zwischenräume in (vorgegebene) Bereiche der PZT-Schicht eingebracht bzw. infiltriert wird. The introduction or infiltration of the liquefied metal material can take place under elevated pressure such that the liquefied metal material is introduced or infiltrated into (predetermined) regions of the PZT layer only along the vertical interspaces.
Die mit dem Metallmaterial zu versehenden Bereiche können beispielweise mittels einer entsprechenden Maskierung auf dem Oberflächenbereich der piezoelektrischen Schicht definiert werden, d.h. diese Bereiche sind freiliegend und von dem Maskierungsmaterial nicht bedeckt. Durch eine geeignete bzw. ausreichende Druckeinstellung auf das verflüssigte Metallmaterial kann das Eindringen des flüssigen (verflüssigten) Metallmaterials auf die (relativ großen) vertikal verlaufenden Kanäle bzw. Poren, die beispielsweise einen Durchmesser zwischen 20 und 30 nm aufweisen, zwischen den Säulen der piezoelektrischen Schicht beschränkt werden. Die Elektroden sind z.B. die vertikalen Metallisierungen in der säulenförmigen Schichtstruktur der piezoelektrischen Schicht nach einer Verfestigung bzw. Abkühlung des Metallmaterials.The areas to be provided with the metal material may be defined, for example, by means of a corresponding masking on the surface area of the piezoelectric layer, i. these areas are exposed and not covered by the masking material. By appropriate pressure adjustment on the liquefied metal material, penetration of the liquid (liquefied) metal material onto the (relatively large) vertical channels or pores, for example having a diameter between 20 and 30 nm, can occur between the pillars of the piezoelectric layer be limited. The electrodes are e.g. the vertical metallizations in the columnar layer structure of the piezoelectric layer after solidification or cooling of the metal material.
Anschließend können die piezoelektrisch „aktiven“ Bereiche zwischen den Elektroden durch eine zusätzliche isolierende Beschichtung infiltriert, miteinander verklebt und damit mechanisch kraftschlüssig aneinander gekoppelt werden. Die zusätzliche isolierende Beschichtung kann beispielsweise mittels eines sogenannten „ALD-Prozesses“ (ALD = Atomic Layer Deposition = Atomlagenabscheidung) eingebracht werden, wobei als ein isolierendes Material für die Beschichtung neben anderen Materialien beispielsweise TiO2 verwendet werden kann.Subsequently, the piezoelectrically "active" areas between the electrodes can be infiltrated by an additional insulating coating, glued together and thus mechanically coupled to each other non-positively. The additional insulating coating (ALD Atomic layer deposition = ALD) can be introduced, for example by means of a so-called "ALD process", wherein as an insulating material can be used for the coating, among other materials, for example, TiO 2.
Nachfolgend kann beispielsweise das aufgebrachte Isolationsmaterial, d.h. die ALD-Schicht, in dem Bereich der bis an die Oberfläche reichenden Metallelektroden entfernt werden, um die Metallelektroden zumindest an dem Oberflächenbereich der piezoelektrischen Schicht freizulegen. Die Entfernung des Isolationsmaterials kann beispielweise ausgehend von dem Oberflächenbereich der piezoelektrischen Schicht (z.B. schichtweise bzw. parallel zum Oberflächenbereich) in die säulenförmige Schichtstruktur hinein erfolgen. Die Freilegung kann beispielsweise mittels Plasmaätzen erfolgen. Daraufhin kann lokal eine weitere oberflächliche Metallstruktur (Metallisierungsstruktur) an dem Oberflächenbereich der piezoelektrischen Schicht in elektrischen Kontakt mit der leitfähigen Elektrodenstruktur in der piezoelektrischen Schicht vorgesehen werden und beispielsweise zu einer Interdigitalstruktur verschaltet werden.Hereinafter, for example, the applied insulating material, i. the ALD layer, in the region of the metal electrodes reaching to the surface, are removed to expose the metal electrodes at least at the surface area of the piezoelectric layer. The removal of the insulating material may take place, for example, starting from the surface region of the piezoelectric layer (for example, in layers or parallel to the surface region) into the columnar layer structure. The exposure can be done for example by means of plasma etching. Thereupon, a further superficial metal structure (metallization structure) may be locally provided on the surface region of the piezoelectric layer in electrical contact with the conductive electrode structure in the piezoelectric layer and interconnected, for example, to form an interdigital structure.
Eine elektrische Ansteuerung des gesamten Stapels, d.h. dem piezoelektrischen Stapelaktuator, kann schließlich mit einer relativ niedrigen Steuerspannung (z.B. in einem Bereich von 10 V oder von 5 - 15 V etc.) über die hergestellte Interdigitalstruktur erfolgen. Einerseits kann die durch eine elektrische Ansteuerung entstehende Auslenkung (Dehnung) des piezoelektrischen Stapels nun beispielsweise „direkt“ genutzt werden, wenn die piezoelektrische Schicht freigestellt bzw. freistehend ist, d.h. von einem Substrat mechanisch entkoppelt ist. Anderseits kann durch die piezoelektrische Schicht, d.h. den piezoelektrischen Stapelaktuator, in einer sogenannten „Bimorph-Anordnung“ eine starke Verbiegung generiert werden. Bei einer sogenannten „Bimorph-Anordnung“ ist der piezoelektrische Stapel lateral an einem Biegebalken (Cantilever) oder einer auslenkbaren Membran angeordnet, so dass eine elektrische Aktivierung des piezoelektrischen Stapelaktuators als Aktuatorbewegung eine Auslenkung des Biegebalkens oder der Membran bewirkt.An electrical drive of the entire stack, i. the piezoelectric stack actuator may eventually be made with a relatively low control voltage (e.g., in a range of 10V or 5 - 15V, etc.) across the fabricated interdigital structure. On the one hand, the deflection (expansion) of the piezoelectric stack resulting from an electric drive can now be used, for example, "directly" if the piezoelectric layer is free-standing, ie. is mechanically decoupled from a substrate. On the other hand, the piezoelectric layer, i. the piezoelectric Stapelaktuator, in a so-called "bimorph arrangement" a strong bending are generated. In a so-called "bimorph arrangement", the piezoelectric stack is arranged laterally on a bending beam (cantilever) or a deflectable membrane, so that an electrical activation of the piezoelectric stack actuator as actuator movement causes a deflection of the bending beam or the membrane.
Das erfindungsgemäße Konzept eines piezoelektrischen Stapelaktuators und dessen Herstellungsverfahren basiert also auf einer piezoelektrischen Schicht mit einer säulenförmigen Schichtstruktur und einer darin angeordneten Elektroden- bzw. Metallisierungsstruktur sowie eines darin angeordneten Isolationsmaterials. Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren beschreibt somit die Realisierung der Integration von Metallelektroden vertikal zu einem Oberflächenbereich der piezoelektrischen Schicht, d.h. in einer zusätzlichen dritten Dimension (3D-Integration), zur Kontaktierung eines piezoelektrischen Materials. Während in der Mikrosystemtechnik die Elektroden in piezoelektrischen Bauelementen bislang auf eine planare Anordnung beschränkt waren, so wird entsprechend dem vorliegenden Konzept nun eine Implementierung auch in die dritte Dimension, d.h., in das piezoelektrische Material hinein, umgesetzt. In der Kombination mit dicken, kolumnaren (säulenförmigen) piezoelektrischen Schichten kann durch die Herstellung von lateralen Stapelaktuatoren eine Vervielfachung des piezoelektrischen Effekts in mikromechanischen Bauelementen erreicht werden. Im Unterschied zu einem vertikalen Dünnschicht-Stapelaktuator kann mit relativ wenigen Prozessschritten im lateralen Stapelaktuator, d.h. in der lateral angeordneten piezoelektrischen Schicht, eine große Zahl von „Lagen“, z.B. in der Größenordnung von 100 Lagen, in Form der Elektroden- bzw. Metallisierungsstrukturen innerhalb der piezoelektrischen Schicht erzeugt werden. Obwohl jede einzelne Lage durch die Steuerung mit einer signifikanten niedrigen Spannung, z.B. im Bereich von 10 V, nur eine relativ geringe „einzelne“ Dehnung (Auslenkung) erzeugt, wird das Gesamtsystem, d.h. der gesamte laterale, piezoelektrische Stapelaktuator, über die große Anzahl von Einzelelementen, die durch die Elektrodenstruktur in der piezoelektrischen Schicht definiert werden, extrem stark gedehnt.The inventive concept of a piezoelectric stack actuator and its production method is thus based on a piezoelectric layer having a columnar layer structure and an electrode or metallization structure arranged therein and an insulation material arranged therein. The manufacturing method according to the invention thus describes the realization of the integration of metal electrodes vertically to a surface area of the piezoelectric layer, i. in an additional third dimension (3D integration), for contacting a piezoelectric material. While in microsystem technology the electrodes in piezoelectric devices have heretofore been limited to a planar arrangement, according to the present concept an implementation is now also implemented in the third dimension, i.e. into the piezoelectric material. In combination with thick, columnar (columnar) piezoelectric layers, the production of lateral stack actuators can achieve a multiplication of the piezoelectric effect in micromechanical components. Unlike a vertical thin-film stack actuator, with relatively few process steps in the lateral stack actuator, i. in the laterally arranged piezoelectric layer, a large number of "layers", e.g. in the order of 100 layers, in the form of the electrode or Metallisierungsstrukturen be generated within the piezoelectric layer. Although each individual layer is controlled by the controller at a significant low voltage, e.g. in the range of 10V, producing only a relatively small "single" strain (deflection), the overall system, i. the entire lateral piezoelectric stack actuator is extremely stretched over the large number of discrete elements defined by the electrode structure in the piezoelectric layer.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1A-F ein prinzipielles Block- bzw. Ablaufdiagramm des Verfahrens zur Herstellung eines piezoelektrischen Stapelaktuators gemäß einem Ausführungsbeispiel; -
2 eine Prinzipdarstellung eines piezoelektrischen Stapelaktuators gemäß einem Ausführungsbeispiel; -
3A eine Querschnittsdarstellung (Bruch) einer beispielhaften piezoelektrischen Schicht mit einer säulenförmigen Schichtstruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel; -
3B eine Draufsicht auf eine beispielhafte (schräg angeschliffene) piezoelektrische Schicht mit einer säulenförmigen Schichtstruktur mit interkolumnaren Poren gemäß einem Ausführungsbeispiel; und -
3C eine beispielhafte Darstellung der Porengrößenverteilung sowie des kumulativen Porenvolumens in Abhängigkeit vom Porendurchmesser (Pore = Zwischenraum).
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1A-F a schematic block or flow chart of the method for producing a piezoelectric stack actuator according to an embodiment; -
2 a schematic diagram of a piezoelectric stack actuator according to an embodiment; -
3A a cross-sectional view (fracture) of an exemplary piezoelectric layer having a columnar layer structure according to an embodiment; -
3B a plan view of an exemplary (obliquely ground) piezoelectric layer having a columnar layer structure with inter-columnar pores according to an embodiment; and -
3C an exemplary representation of the pore size distribution and the cumulative pore volume as a function of the pore diameter (pore = gap).
Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele des Verfahrens zur Herstellung eines piezoelektrischen Stapelaktuators sowie der Aufbau eines Stapelaktuators selbst im Detail anhand der Zeichnungen und Figuren näher beschrieben werden, wird darauf hingewiesen, dass identische, funktionsgleiche oder gleichwirkende Elemente, Objekte, Funktionsblöcke und/oder Verfahrensschritte in den unterschiedlichen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellte Beschreibung dieser Elemente, Objekte, Funktionsblöcke und/oder Verfahrensschritte untereinander austauschbar ist bzw. aufeinander angewendet werden kann.Before embodiments of the method for producing a piezoelectric Stapelaktuators and the construction of a Stapelaktuators themselves are described in detail with reference to the drawings and figures, it is noted that identical, functionally identical or equivalent elements, objects, functional blocks and / or method steps in the different figures are provided with the same reference numerals, so that the description of these elements, objects, functional blocks and / or method steps shown in different embodiments is interchangeable or can be applied to each other.
In der folgenden Beschreibung werden unterschiedliche Ausführungsbeispiele im Detail erörtert, wobei jedoch darauf hingewiesen wird, dass die unterschiedlichen Ausführungsbeispiele viele anwendbare Konzepte liefern, die bei einer Vielzahl von lateralen piezoelektrischen Stapelaktuatoren und den entsprechenden Herstellungsverfahren derselben umgesetzt bzw. implementiert werden können. Die nachfolgenden erörterten spezifischen Ausführungsbeispiele stellen lediglich unterschiedliche spezifische Möglichkeiten dar, das vorliegende Konzept für laterale piezoelektrische Stapelaktuatoren und deren Herstellungsverfahren durchzuführen und zu verwenden.In the following description, different embodiments will be discussed in detail, however, it should be understood that the various embodiments provide many applicable concepts that may be implemented or implemented with a variety of lateral piezoelectric stack actuators and the corresponding fabrication methods thereof. The following specific embodiments discussed are merely various specific ways of making and using the present concept for lateral piezoelectric stack actuators and their fabrication processes.
Im Folgenden wird Bezug nehmend auf
Zunächst wird in
In die bereitgestellte piezoelektrische Schicht
Bei Schritt
Bei einem Schritt
Wie nun in bei der
Im Folgenden werden nun weitere exemplarische Ausgestaltungen und Implementierungen des Verfahrens
Bei Schritt
Hinsichtlich des PVD-Prozesses bzw. GFS-Prozesses zur Abscheidung der piezoelektrischen Schicht
Um die piezoelektrische Schicht
Bei Schritt
Daraufhin wird bei dem Schritt
Das Aufbringen der Maskenstruktur
Unter Berücksichtigung einer beispielhaften Schichtdicke D1 von 10 - 20 µm (in einer vertikalen Richtung zu dem Oberflächenbereich
Als eine weitere Möglichkeit zum Aufbringen der Maskenstruktur
Zusammenfassend kann also festgestellt werden, dass die Maskenstruktur (Schutzmaske bzw. Schutzabdeckung) 214 beispielsweise mittels Lithographie als Lackmaterial und/oder auch als ein Polymermaterial auf dem Oberflächenbereich
Es wird in diesem Zusammenhang darauf hingewiesen, dass die Verwendung einer Maskenstruktur
So ist beispielsweise vorstellbar, dass die leitfähige Elektrodenstruktur mit einer ausreichend hohen Genauigkeit direkt in die piezoelektrische Schicht
Für die leitfähige Elektrodenstruktur
Durch diese Vorgehensweise kann ein (unerwünschtes) Ausbreiten der erzeugten leitfähigen Bereiche über die vorgegebenen Bereiche
Als verflüssigbare Metallmaterialien bzw. Metalllegierungsmaterialien zum Bilden der leitfähigen Elektrodenstruktur
Als beispielhafte Materialien für die Lote, d.h. für die unter Wärmeeinwirkung verflüssigbaren Metalle bzw. Legierungen, können beispielsweise Gold (Au) und Zinn (Sn) aufweisende Lotlegierungen eingesetzt werden, wobei diesen AuSn-Lotlegierungen noch Lutetium (Lu) beigefügt werden kann. Ein weiteres Beispiel einer einsetzbaren Lotlegierung kann Silber (Ag-) und Zinn- (Sn) Anteile (AgSn-Lotlegierung) aufweisen, wobei ferner Materialanteile der Nebengruppenelemente Cer oder Titan beigefügt sein können. In diesem Zusammenhang wird häufig auch von Aktivloten bzw. aktiven bzw. reaktiven Loten gesprochen.As exemplary materials for the solders, i. for the metals or alloys which can be liquefied under heat, it is possible, for example, to use solder alloys comprising gold (Au) and tin (Sn), with lutetium (Lu) still being added to these AuSn solder alloys. Another example of an insertable solder alloy may comprise silver (Ag) and tin (Sn) components (AgSn solder alloy), wherein material constituents of the subgroup elements cerium or titanium may also be added. In this context, active solders or active or reactive solders are often spoken of.
Abhängig von den Porenstrukturgrößen, d.h. der Größe der Kanäle bzw. Kapillare
Die „Kanal- bzw. Spaltfüllung“ kann also mittels einer sogenannten Metallinfiltration unter Druck erfolgen. Da der erforderliche Kapillardruck, der zu überwinden ist, um das flüssige Metallmaterial in die Kanalstruktur einbringen bzw. einpressen zu können, von dem Durchmesser der Kanäle
Die Porenverteilung bzw. Porengrößenverteilung lässt sich beispielsweise mittels einer sogenannten „Quecksilberporosimetrie“ oder auch mit einer REM-Analyse (REM = Rasterelektronenmikroskop) ermitteln, wobei beide Vorgehensweisen im Wesentlichen die gleichen Ergebnisse liefern.The pore distribution or pore size distribution can be determined, for example, by means of a so-called "mercury porosimetry" or else by means of an SEM analysis (SEM = scanning electron microscope), both procedures providing essentially the same results.
Gemäß der vorliegenden Vorgehensweise werden somit die großen Poren bzw. Kanäle 206a entlang der Kontaktpunkte dreier Säulen, d.h. entlang des Bereichs benachbarter dreier Säulen, gefüllt, während ein Eindringen des verflüssigten Metallmaterials in die „schmalen“ Gräben zwischen den Säulen (zwischen zwei benachbarten Säulen) erst bei einem höheren Druckniveau auftreten würde. Somit kann die leitfähige Elektrodenstruktur 208 gezielt in die Kanäle
Bei dem Einbringen der leitfähigen Elektrodenstruktur
In diesem Zusammenhang wird ferner darauf hingewiesen, dass grundsätzlich auch andere flüssige Metalle oder Lote als Gallium oder Indium einsetzbar sind, wenn die Verflüssigungstemperaturen dieser Metallmaterialien unterhalb von etwa 500 °C oder 350 °C liegt. Gallium weist beispielsweise einem sehr niedrigen Schmelzpunkt von 29,76 °C auf.It should also be noted in this connection that, in principle, other liquid metals or solders than gallium or indium can be used if the liquefaction temperatures of these metal materials are below about 500 ° C. or 350 ° C. For example, gallium has a very low melting point of 29.76 ° C.
Als geeignete Materialien für die Metallisierung eignet sich beispielsweise bei niedrigen Temperaturen verflüssigbare Metall- oder Metalllegierungsmaterialien, die einerseits möglichst wenig spaltgängig sind, d.h. es liegt ein negativer Kapillardruck (Gegendruck) innerhalb der schmalen Gräben
Alternativ oder zusätzlich zu dem oben beschriebenen Verfahrensschritt des Einbringens einer Metallisierung mittels eines verflüssigten Metallmaterials unter Druck kann ferner die leitfähige Elektrodenstruktur
Bei Schritt
Die kolumnare Struktur der piezoelektrischen Schicht (des PZT-Films) 202 ermöglicht somit neben einer stressarmen Abscheidung der dicken piezoelektrischen Schicht
Die extreme Spaltgängigkeit von ALD-Schichten, die es beispielsweise erlaubt, auch Strukturen mit Aspektverhältnissen (Höhen-zu-Breiten-Verhältnissen) von beispielsweise bis zu 25.000:1 beschichten zu können, führen zu einer innigen (starken) mechanischen Kopplung der Säulen und somit zu einer festen keramischen Bindung in der piezoelektrischen Schicht
Falls sich nun das bei Schritt
Mit dem ALD-Prozess kann also unter Verwendung von nicht-leitfähigen Materialien
Wie oben bei Schritt
Die Ansteuerung des gesamten Stapels, d.h. des piezoelektrischen Stapelaktuators
Die Realisierung des lateralen Stapelaktuators
Im Folgenden wird nun anhand der
Der piezoelektrische Stapelaktuator
Die piezoelektrische Schicht
Die Stapelstruktur kann auf einem (gedünnten) Substrat
Wie nun in der beispielhaften perspektivischen Darstellung des piezoelektrisches Stapelaktuators
Bei einer sogenannten „Bimorph-Anordnung“ ist der piezoelektrische Stapel lateral an einem Biegebalken (Cantilever) oder einer auslenkbaren Membran angeordnet, so dass eine elektrische Aktivierung des piezoelektrischen Stapelaktuators als Aktuatorbewegung eine Auslenkung des Biegebalkens oder der Membran bewirkt.In a so-called "bimorph arrangement", the piezoelectric stack is arranged laterally on a bending beam (cantilever) or a deflectable membrane, so that an electrical activation of the piezoelectric stack actuator as actuator movement causes a deflection of the bending beam or the membrane.
Alternativ (nicht gezeigt in
Im Folgenden wird anhand der
Um möglichst eine gleichmäßige und hohe Auslenkung der piezoelektrischen Schicht
Typische Abmessungen der piezoelektrischen Schicht
Wie aus der Draufsicht von
Die Kanäle
Die Kanäle
Die Bereiche
Ein beispielhafter Wert für die Breite B eines Grabens liegt in dem Bereich von 1 bis 5 nm.An exemplary value for the width B of a trench is in the range of 1 to 5 nm.
Wie das Diagramm in
Die (dicken) kolumnaren piezoelektrischen Schichten (PZT-Schichten)
Das vorliegende Konzept ermöglicht nun ferner die Nutzung dieser kolumnaren piezoelektrischen Schichten zur Integration in piezoelektrischen Bauelementen, wie z.B. lateralen piezoelektrischen Stapelaktuatoren. Laterale piezoelektrische Stapelanordnungen für den Aufbau von Aktuatoren ermöglichen die erforderlichen schlanken und hohen piezoelektrischen Strukturen mit Aspektverhältnissen (Höhen-zu-Breiten-Verhältnis) von zumindest 5:1, die sich mit herkömmlichen Dünnschichtverfahren, z.B. Ätzprozessen, nicht realisieren lassen, wobei das vorliegende Konzept ferner eine (nahezu) vollständige Verfüllung mit dem Elektrodenmaterial ermöglicht, wobei ferner eine ausreichend hohe mechanische Kopplung zwischen den verschiedenen Schichten des lateralen piezoelektrischen Stapelaktuators
Das Einbringen der leitfähigen Elektrodenstruktur
Das vorliegende Konzept ermöglicht somit die Realisierung von lateralen piezoelektrischen Stapelaktuatoren
Der GFS-Prozess ist ein Zerstäubungsverfahren (Sputterverfahren), das prinzipbedingt bei einem vergleichsweise hohen Prozessdruck von 10 bis 500 Pa betrieben wird. Der hohe Druck und die damit verbundene geringe mittlere freie Weglänge ermöglichen säulenförmige (kolumnare) Schichten mit ausgeprägter Porosität. Im Unterschied zu Verdampfungsverfahren können aber Säulen- und Porositätsparameter durch die Beschleunigung von Ionen mittels einer Bias-Spannung gezielt gesteuert werden.The GFS process is a sputtering process which, in principle, is operated at a comparatively high process pressure of 10 to 500 Pa. The high pressure and the associated low mean free path allow columnar (columnar) layers with pronounced porosity. In contrast to evaporation methods, however, column and porosity parameters can be specifically controlled by the acceleration of ions by means of a bias voltage.
Die vorhergehende Beschreibung hat ein neues Konzept für laterale piezoelektrische Stapelaktuatoren
Das dargestellte Konzept für laterale piezoelektrische Stapelaktuatoren
Im Folgenden werden einige mögliche Anwendungsgebiete der vorliegenden lateralen piezoelektrischen Stapelaktuatoren beschrieben, wobei die nachfolgende Darstellung nicht als abschließend anzusehen ist, da die erfindungsgemäßen lateralen piezoelektrischen Stapelaktuatoren bei einer Vielzahl von Anwendungen einsetzbar sind.In the following, some possible fields of application of the present lateral piezoelectric stack actuators are described, wherein the following representation is not to be regarded as conclusive, since the lateral piezoelectric stack actuators according to the invention can be used in a multiplicity of applications.
Eine mögliche Anwendung der lateralen piezoelektrischen Stapelaktuatoren
Die lateralen piezoelektrischen Stapelaktuatoren
Als weitere Anwendungsgebiete für die lateralen piezoelektrischen Stapelaktuatoren
Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.Although some aspects have been described in the context of a device, it will be understood that these aspects also constitute a description of the corresponding method, so that a block or a component of a device is also to be understood as a corresponding method step or as a feature of a method step. Similarly, aspects described in connection with or as a method step also represent a description of a corresponding block or detail or feature of a corresponding device.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.The embodiments described above are merely illustrative of the principles of the present invention. It will be understood that modifications and variations of the arrangements and details described herein will be apparent to others of ordinary skill in the art. Therefore, it is intended that the invention be limited only by the scope of the appended claims and not by the specific details presented in the description and explanation of the embodiments herein.
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