Forschungsschwerpunkte

Piezoelektrische Mikrosysteme auf Basis von Aluminiumnitrid

© Fraunhofer ENAS
Piezoelektrische Aluminiumnitrid-basierte MEMS auf Waferlevel

Piezoelektrische Mikrosysteme mit Aluminiumnitrid (AlN) werden am Fraunhofer ENAS seit einigen Jahren entwickelt. Diese Mikrosysteme besitzen eine hohe Energiedichte, was eine starke Miniaturisierung der Systeme ermöglicht. Damit können Energieverbrauch und Kosten bei der Herstellung der Systeme verringert werden und die Vielfalt der Anwendungsmöglichkeiten steigt. Das Basismaterial Aluminiumnitrid lässt sich im Gegensatz zu herkömmlich verwendeten Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) in CMOS-Prozesse integrieren, da die Abscheidung und Strukturierung mit konventionellen Anlagen für Aluminium-basierte BEOL-Technologien realisiert werden kann. Somit ist es möglich, piezoelektrische MEMS- und CMOS-Bauteile in einer Produktionslinie herzustellen. Fraunhofer ENAS und das Zentrum für Mikrotechnologien der TU Chemnitz entwickelten die Sputtertechnologie und die Charakterisierung der pieozelektrischen AlN-Dünnschichten und integrierten das Material in Silizium-basierte Mikro- und Nanosysteme.

Das Fraunhofer ENAS hat verschiedenste Anwendungsbeispiele für Aluminiumnitrid-basierte Sensor- und Aktuatorsysteme. Eine Applikation ist ein Wake-up-Generator, der mithilfe der dünnen AlN-Schicht ein mechanisches Ereignis wie Beschleunigung oder Vibration erkennen und die mechanische Energie in elektrische Energie umwandeln kann, um ein Sensorsystem aus dem Ruhezustand zu aktivieren. Dabei genügt bereits eine Beschleunigung von weniger als 0,08 g, um genügend Energie zur Aktivierung des Systems zu erzeugen. Der Wake-up-Generator arbeitet energieautark und stromlos. In Kombination mit einem ASIC verbraucht das System weniger als 300 nA Strom.

Diese piezoelektrischen Wandler stoßen in der Industrie auf hohes Interesse als Aktuator- und Sensormaterial. Um diese industriellen Anwendungen zu ermöglichen, hat Fraunhofer ENAS gemeinsam mit der kanadischen Firma Preciseley Microtechnology Inc. und dem sächsischem Mittelständler EDC Electronic Design Chemnitz GmbH einen piezoelektrischen Wandler entwickelt, der als Positionssensor erfolgreich in die industrielle Großserientechnologie des kanadischen Projektpartners integriert wurde. Weiterhin haben die Projektpartner einen ASIC zur schnellen, rauscharmen Auswertung kleinster Sensorsignale realisiert. Am Fraunhofer-Gemeinschaftsstand demonstriert Fraunhofer ENAS die Vorzüge von Aluminiumnitrid-basierten Systemen anhand eines piezoelektrischen MOEMS, der einen großen Winkelbereich von bis zu einem Scanwinkel von 100° bei einer Antriebsspannung von unter 20 Volt besitzt und bei Temperaturen bis 150 °C zuverlässig funktioniert.

Darüber hinaus eignet sich die Technologie für den Betrieb in Flüssigkeiten. Hierbei ist ein Fluidsensor entstanden, der sowohl Viskosität und Dichte von Flüssigkeiten messen und auswerten kann.

Zudem gibt es Anwendungen im Bereich Inertialsensorik, Ultraschallwandler oder dem akustischen Körperschall.