高温で動作するピエゾ電気MEMSは,極端な熱条件下で直接電気センサーまたはアクチュエーションを行う必要があるアプリケーションでますます求められています.エネルギー変換システムを含む石油とガスの加工,自動車エンジン,航空宇宙推進など,このような環境では,装置の温度がしばしば700°Cを超え,従来のシリコンベースのMEMS技術の物質的限界に挑戦する制度.
構造材料の劣化,金属化障害,熱膨張係数 (CTE) の不一致によって引き起こされるストレスハイブリッド MEMS ファイバー システムは 1000 °Cを超えて動作することが実証されているが,その複雑性と拡張性の欠如は,コンパクトで統合されたセンサープラットフォームに適性を制限している.
リチウムニオバート (LN) は高温のピエゾ電気アプリケーションにいくつかの利点があります.優れた電光と音光特性特に,ステキオメトリカルリチウムニオバート (SLN) は,同等なリチウムニオバート (CLN) と比べて優れた熱安定性を示しています.約300°C以上のリチウム空白と欠陥による劣化に苦しんでいる高温のLNベースの表面音響波 (SAW) 装置が散装基板上で広く研究されているが,大量音響波 (BAW) とラーム・ウェーブ装置を可能にする懸垂薄膜LNプラットフォームの熱耐性については,まだ十分に研究されていない..
MEMS構造は電機機械的な結合と音響的な閉じ込めが強化されていますが,熱機械的ストレス,破裂,極端な条件下で崩壊する信頼性の高い高温MEMSの開発には,その熱限界を理解することが不可欠です.
本研究で調査された装置は,対称的なラム波モードをサポートするように設計された,スペンジング薄膜LN音響 rezonatorです.レゾナターは,高抵抗性からなる多層スタックで製造されています.シリコン基板そして600nm厚のXカットストイキオメトリックLNフィルム.XカットLNは,MEMSと光子システムにおける広範な使用と有利な電機学的特性により選択されている..
プラチナは高温での高溶解点と化学的安定性により電極材料として使用されます.LNとPtの間に薄いチタン粘着層が導入され,粘着性を改善し,熱循環中に金属の脱層を緩和するレゾナターの幾何学には,平面内の回転角,アンカー配置,熱耐久性の結果が単一の設計に偏ったことを避けるために,デジタル間電極のレイアウト.
機能性共鳴器に加えて,同じ金属化を用いて同じ基板で共製造される蛇形金属抵抗器.これらの構造は,焼却温度の関数として金属の抵抗性を直接監視することを可能にします.装置の性能への影響について 洞察を深める.
熱耐性は,段階的な焼却および特徴付けプロトコルを使用して評価されます. 酸化を最小限に抑えるために真空条件で焼却が行われます.LNにおける火力発電効果を抑制するための制御された加熱と冷却率初期焼却温度は250°Cに設定され,その後は温度が50°C上昇する連続したサイクルが続きます.各焼却ステップは目標温度で10時間保持されます.最高温度を除いて炉の制限により,停留時間が短くなる場合.
各焼却サイクルの後,装置は構造的整合性を評価するために光学顕微鏡を用いて特徴付けられ,金属抵抗性を評価するために4点探査測量が行われます.電波周波数 (RF) 電気測定により,共鳴周波数と品質因数 (Q) を抽出する結晶質と菌株進化を調べるため,X線 difraksi (XRD) を用いる.
光学検査では,約400°Cまで,懸浮のLN膜に最小限の目に見える変化がみられる.500°Cを超えると,懸浮領域内でストレス誘発の裂け目が現れ始める.ほとんどの装置は機械的に整然と機能しているものの550°Cまでには,亀裂は一般的にアンカーに広がり,壊滅的な崩壊を引き起こさない.
600 °Cから750 °Cの間には重度の構造分解が起こります.この温度範囲では,裂け目,膜歪み,LN脱層,アンカー破裂の増加が観察されます.約700 °Cクラークは,高い平面内CTEと低い割れエネルギーに関連した結晶学的な方向に沿って形成される.この行動は,LNとシリコン基板の間の大きなCTE不一致に起因するX切片LNの固有のアニゾトロピーと組み合わせた
800°Cでは,金属化損傷やアンカー障害により, rezonators は機能しなくなる.
金属抵抗性の測定は,最初の焼却サイクル後に,おそらく粒子の成長とPtフィルムの欠陥焼却による最初の抵抗性の低下を示しています.高温で金属層の空白,丘陵,不連続性の形成をシグナルします.
650 °C以上では,Ptフィルムは,孔形成および部分的な電気連続性の喪失を含む顕著な分解を示します.この劣化により,電気損失が増加し,デバイスが故障する可能性があります.LN膜が部分的に整っている場合でも
RF測定は,熱誘導ストレスのリラックスと効果的弾性定数の変化に一致する,熱熱温の上昇とともに,共鳴周波数が徐々に減少することを示しています.興味深いことに,いくつかの共鳴モードの質因子は,特に700°C以上で高温熱化後に増加します.この改善は,部分的に割れ目のある構造物やストレスを軽減した構造物におけるストレスの再分配と音響エネルギーの漏れを減らすことによる.
これらの局所的な性能向上にもかかわらず,金属化障害とアンカー破裂により,デバイスの全体的な操作性は750°Cを超えて急激に低下する.
この研究で確認された 主要な障害メカニズムには,以下のものがあります.
熱膨張不一致LN,金属電極とシリコン基板の間に,ストレスの蓄積と裂け込みにつながる.
LNの結晶分解特に高熱圧下で低割れエネルギーを持つ平面に沿って
金属化不安定性粒子の粗化,空洞形成,Ptフィルムの伝導性の喪失を含む.
アンカーの劣化機械的なサポートと電気的連続性を損なう.
これらのメカニズムは,懸垂薄膜LN MEMSの最終的な熱限界を定義するために共働して作用する.
この研究により,ススペンジング薄膜リチウムニオバート音響器は,最大750°Cの火焼温度に耐えることが示された.純粋にMEMSベースのピエゾ電気プラットフォームの最高検証された熱耐久性制限値の1つを表す高温ではかなり劣化しますがこのような極端な条件下での装置の生存と部分的な機能は,高温MEMSアプリケーションのためのステヒオメトリックLNの強さを強調します..
この研究で得られた洞察は,材料の選択,金属化設計,吊り下げ LN 装置の動作温度範囲を拡大することを目的とした構造の最適化これらの発見は,厳しい環境でLNベースのMEMSを展開し,高温光子,電光光学,音光学システムを進歩させるための道を開きます.
高温で動作するピエゾ電気MEMSは,極端な熱条件下で直接電気センサーまたはアクチュエーションを行う必要があるアプリケーションでますます求められています.エネルギー変換システムを含む石油とガスの加工,自動車エンジン,航空宇宙推進など,このような環境では,装置の温度がしばしば700°Cを超え,従来のシリコンベースのMEMS技術の物質的限界に挑戦する制度.
構造材料の劣化,金属化障害,熱膨張係数 (CTE) の不一致によって引き起こされるストレスハイブリッド MEMS ファイバー システムは 1000 °Cを超えて動作することが実証されているが,その複雑性と拡張性の欠如は,コンパクトで統合されたセンサープラットフォームに適性を制限している.
リチウムニオバート (LN) は高温のピエゾ電気アプリケーションにいくつかの利点があります.優れた電光と音光特性特に,ステキオメトリカルリチウムニオバート (SLN) は,同等なリチウムニオバート (CLN) と比べて優れた熱安定性を示しています.約300°C以上のリチウム空白と欠陥による劣化に苦しんでいる高温のLNベースの表面音響波 (SAW) 装置が散装基板上で広く研究されているが,大量音響波 (BAW) とラーム・ウェーブ装置を可能にする懸垂薄膜LNプラットフォームの熱耐性については,まだ十分に研究されていない..
MEMS構造は電機機械的な結合と音響的な閉じ込めが強化されていますが,熱機械的ストレス,破裂,極端な条件下で崩壊する信頼性の高い高温MEMSの開発には,その熱限界を理解することが不可欠です.
本研究で調査された装置は,対称的なラム波モードをサポートするように設計された,スペンジング薄膜LN音響 rezonatorです.レゾナターは,高抵抗性からなる多層スタックで製造されています.シリコン基板そして600nm厚のXカットストイキオメトリックLNフィルム.XカットLNは,MEMSと光子システムにおける広範な使用と有利な電機学的特性により選択されている..
プラチナは高温での高溶解点と化学的安定性により電極材料として使用されます.LNとPtの間に薄いチタン粘着層が導入され,粘着性を改善し,熱循環中に金属の脱層を緩和するレゾナターの幾何学には,平面内の回転角,アンカー配置,熱耐久性の結果が単一の設計に偏ったことを避けるために,デジタル間電極のレイアウト.
機能性共鳴器に加えて,同じ金属化を用いて同じ基板で共製造される蛇形金属抵抗器.これらの構造は,焼却温度の関数として金属の抵抗性を直接監視することを可能にします.装置の性能への影響について 洞察を深める.
熱耐性は,段階的な焼却および特徴付けプロトコルを使用して評価されます. 酸化を最小限に抑えるために真空条件で焼却が行われます.LNにおける火力発電効果を抑制するための制御された加熱と冷却率初期焼却温度は250°Cに設定され,その後は温度が50°C上昇する連続したサイクルが続きます.各焼却ステップは目標温度で10時間保持されます.最高温度を除いて炉の制限により,停留時間が短くなる場合.
各焼却サイクルの後,装置は構造的整合性を評価するために光学顕微鏡を用いて特徴付けられ,金属抵抗性を評価するために4点探査測量が行われます.電波周波数 (RF) 電気測定により,共鳴周波数と品質因数 (Q) を抽出する結晶質と菌株進化を調べるため,X線 difraksi (XRD) を用いる.
光学検査では,約400°Cまで,懸浮のLN膜に最小限の目に見える変化がみられる.500°Cを超えると,懸浮領域内でストレス誘発の裂け目が現れ始める.ほとんどの装置は機械的に整然と機能しているものの550°Cまでには,亀裂は一般的にアンカーに広がり,壊滅的な崩壊を引き起こさない.
600 °Cから750 °Cの間には重度の構造分解が起こります.この温度範囲では,裂け目,膜歪み,LN脱層,アンカー破裂の増加が観察されます.約700 °Cクラークは,高い平面内CTEと低い割れエネルギーに関連した結晶学的な方向に沿って形成される.この行動は,LNとシリコン基板の間の大きなCTE不一致に起因するX切片LNの固有のアニゾトロピーと組み合わせた
800°Cでは,金属化損傷やアンカー障害により, rezonators は機能しなくなる.
金属抵抗性の測定は,最初の焼却サイクル後に,おそらく粒子の成長とPtフィルムの欠陥焼却による最初の抵抗性の低下を示しています.高温で金属層の空白,丘陵,不連続性の形成をシグナルします.
650 °C以上では,Ptフィルムは,孔形成および部分的な電気連続性の喪失を含む顕著な分解を示します.この劣化により,電気損失が増加し,デバイスが故障する可能性があります.LN膜が部分的に整っている場合でも
RF測定は,熱誘導ストレスのリラックスと効果的弾性定数の変化に一致する,熱熱温の上昇とともに,共鳴周波数が徐々に減少することを示しています.興味深いことに,いくつかの共鳴モードの質因子は,特に700°C以上で高温熱化後に増加します.この改善は,部分的に割れ目のある構造物やストレスを軽減した構造物におけるストレスの再分配と音響エネルギーの漏れを減らすことによる.
これらの局所的な性能向上にもかかわらず,金属化障害とアンカー破裂により,デバイスの全体的な操作性は750°Cを超えて急激に低下する.
この研究で確認された 主要な障害メカニズムには,以下のものがあります.
熱膨張不一致LN,金属電極とシリコン基板の間に,ストレスの蓄積と裂け込みにつながる.
LNの結晶分解特に高熱圧下で低割れエネルギーを持つ平面に沿って
金属化不安定性粒子の粗化,空洞形成,Ptフィルムの伝導性の喪失を含む.
アンカーの劣化機械的なサポートと電気的連続性を損なう.
これらのメカニズムは,懸垂薄膜LN MEMSの最終的な熱限界を定義するために共働して作用する.
この研究により,ススペンジング薄膜リチウムニオバート音響器は,最大750°Cの火焼温度に耐えることが示された.純粋にMEMSベースのピエゾ電気プラットフォームの最高検証された熱耐久性制限値の1つを表す高温ではかなり劣化しますがこのような極端な条件下での装置の生存と部分的な機能は,高温MEMSアプリケーションのためのステヒオメトリックLNの強さを強調します..
この研究で得られた洞察は,材料の選択,金属化設計,吊り下げ LN 装置の動作温度範囲を拡大することを目的とした構造の最適化これらの発見は,厳しい環境でLNベースのMEMSを展開し,高温光子,電光光学,音光学システムを進歩させるための道を開きます.
