CD-Labor für Piezoelektrische Silizium-MEMS mit erhöhter Sensitivität und Responsivität

Dieses CD-Labor erforscht piezoelektrische mikroelektromechanische Sensoren und Aktuatoren (PiezoMEMS). Dabei soll durch die Untersuchung von Rauschquellen in piezoelektrischen Materialien und Bauelementen die Sensitivität und durch die Untersuchung nicht-linearer bi-stabiler Architekturen mit mechanischen Auslenkungen von mehreren zehn Mikrometern die Responsivität von PiezoMEMS signifikant verbessert werden.

Mikroelektromechanische Systeme (MEMS) sind eine der verborgenen Säulen unserer modernen daten- und informationsgetriebenen Welt. MEMS sind mikroskopische Geräte mit der Fähigkeit, beobachtbare Größen ihrer Umgebung zu messen bzw. zu erfassen, die Messungen zu interpretieren und zu analysieren (z. B. mit integrierter Elektronik, um eine gewisse Intelligenz bereitzustellen) und ihre Umgebung auf spezifische Weise zu beeinflussen bzw. darauf einzuwirken. Diese Bidirektionalität von MEMS, einerseits die Umgebung wahrzunehmen und anderseits darauf Einfluss zu nehmen wird durch zwei verschiedene Begriffe ausgedrückt: Sensoren und Aktuatoren.

Siliziumbasierte MEMS ermöglichen zum Beispiel Drucksensoren in Automotive Anwendungen, Bewegungssensoren in Spielekonsolen und Smartphones oder Cochlea Implantate. Neueste Entwicklungen dringen in Anwendungsgebiete wie autonome Fahrzeugen, Echtzeit-Überwachung chemischer Prozesse, Fernchirurgie, Augmented Reality und viele mehr vor. Eine große Herausforderung ist hierbei der Einsatz unter verschiedensten Umgebungsbedingungen sowie eine zunehmende Miniaturisierung.

Piezoelektische MEMS (PiezoMEMS) nutzen die Änderung der elektrischen Polarisation und somit das Auftreten einer elektrischen Spannung an Festkörpern, wenn diese elastisch verformt werden. Aluminiumnitrid (AlN)-basierte PiezoMEMS zeichnen sich in der Regel durch ein einfaches, kostengünstiges Design aus und liefern ein robustes Verhalten auch in schwierigen Umgebungen wie z.B. in Flüssigkeiten.

Dieses CD-Labor untersucht daher grundlegende Forschungsfragen, die von den Einschränkungen von PiezoMEMS inspiriert sind, um die Lücke zwischen wissenschaftlichen Erkenntnissen und Anwendungen zu schließen.

Besonders in Hinblick auf die Miniaturisierung benötigen MEMS-Sensoren ein extrem geringes Eigenrauschen in ihrem elektrischen Ausgangssignal, um hohe Signal-zu-Rausch-Verhältnisse zu erreichen. Intrinsische Rauschquellen sind insbesondere bei PiezoMEMS-Sensoren nicht ausreichend verstanden und sind eng mit der Mikrostruktur des piezoelektrischen Materials verbunden. Daher versucht dieses CD-Labor, ein besseres Verständnis der Rauschquellen in AlN-basierten piezoelektrischen MEMS-Sensoren zu entwickeln, indem der Zusammenhang zwischen Materialeigenschaften, grundlegenden Rauschmechanismen und dissipativen Energieverlustmechanismen untersucht wird.

Die Miniaturisierung führt darüber hinaus auch zu sehr kleinen mechanischen Auslenkungen im sub-µm Bereich, insbesondere bei PiezoMEMS. Daher soll als weiterer Schwerpunkt das nichtlineare dynamisch-mechanische Verhalten von bi-stabilen PiezoMEMS-Aktuatoren mit außergewöhnlich hohen Auslenkungen im Bereich mehrerer 10 µm untersucht werden.

Die Ergebnisse werden die Forschung und Entwicklung neuer PiezoMEMS-Bauelemente in der MEMS-Halbleiterindustrie anregen, so dass sowohl MEMS-Hersteller als auch natürlich Verbraucher von der bahnbrechenden Forschung in diesem CD-Labor profitieren werden.