Vertical Piezoelectric Structures for in-plane Actuation in MEMS Sensors

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Sähkötekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Date
2015-12-14
Department
Major/Subject
Elektroniikka ja sovellukset
Mcode
S3007
Degree programme
EST - Elektroniikka ja sähkötekniikka (TS2005)
Language
en
Pages
8+67
Series
Abstract
The purpose of this Master's Thesis is to investigate the feasibility of in-plane piezoelectric actuation and to identify suitable materials and methods. The focus is on the selection of piezoelectric material and its growth method. The theory of piezoelectricity is presented and piezoelectric actuation and sensing are discussed along with piezoelectric materials. In addition, crystal growth and different growth methods are presented. MEMS gyroscopes are discussed as well. Piezoelectricity is the electrical response that results from mechanical stress. Piezoelectric materials are used in actuation and sensing in MEMS and in other devices. Piezoelectric actuation offers advantages over other methods, including enhanced performance and lower power use. This thesis presents an in-plane actuator with vertical sidewall structure that is more effective than other methods. This technology can be used for example in gyroscopes and other MEMS devices. AlN is selected as the material due to its advantages over other materials, such as compatibility and availability. AlN is required to grow on vertical sidewalls and have adequate crystal quality. Out of the considered growth methods MOVPE is the only one that can meet these requirements. Experiments show that the presented sidewall actuator structure works in in-plane actuation and has increased performance compared to current methods. The developed MOVPE process is suitable for AlN growth considering the crystal quality.

The purpose of this Master's Thesis is to investigate the feasibility of in-plane piezoelectric actuation and to identify suitable materials and methods. The focus is on the selection of piezoelectric material and its growth method. The theory of piezoelectricity is presented and piezoelectric actuation and sensing are discussed along with piezoelectric materials. In addition, crystal growth and different growth methods are presented. MEMS gyroscopes are discussed as well. Piezoelectricity is the electrical response that results from mechanical stress. Piezoelectric materials are used in actuation and sensing in MEMS and in other devices. Piezoelectric actuation offers advantages over other methods, including enhanced performance and lower power use. This thesis presents an in-plane actuator with vertical sidewall structure that is more effective than other methods. This technology can be used for example in gyroscopes and other MEMS devices. AlN is selected as the material due to its advantages over other materials, such as compatibility and availability. AlN is required to grow on vertical sidewalls and have adequate crystal quality. Out of the considered growth methods MOVPE is the only one that can meet these requirements. Experiments show that the presented sidewall actuator structure works in in-plane actuation and has increased performance compared to current methods. The developed MOVPE process is suitable for AlN growth considering the crystal quality. Tämän diplomityön tarkoitus on tutkia tasossa tapahtuvan pietsosähköisen aktuaation toimivuutta ja löytää siihen soveltuvia materiaaleja ja menetelmiä. Pääasiana on pietsosähköisen materiaalin ja sen kasvatusmenetelmän valinta. Pietsosähköisyyden teoria esitetään ja lisäksi käsitellään tarkemmin pietsosähköistä aktuaatioita ja havainnointia sekä materiaaleja. Lisäksi kiteen kasvu ja eri kasvatusmenetelmiä esitellään. Myös MEMS gyroskooppeja käsitellään. Pietsosähköinen ilmiö on sähköinen vaste joka syntyy mekaanisesta jännityksestä. MEMS sekä muissa laitteissa käytetään pietsosähköisiä materiaaleja aktuaatioissa ja havainnoinnissa. Pietsosähköisellä aktuaatiolla on lukuisia hyötyjä verrattuna muihin menetelmiin, mm. parempi suorituskyky ja pienempi virrankulutus. Tässä työssä esitetään tasossa toimiva vertikaaliseen rakenteeseen perustuva sivuseinä aktuaattori. Esitetty rakenne on tehokkaampi kuin muut vastaavat menetelmät. Tätä teknologiaa voidaan hyödyntää mm. gyroskoopeissa sekä muissa MEMS sensoreissa. Materiaaliksi valitaan AlN, sillä se on soveltuvin käsitellyistä materiaaleista. AlN:n tulee kasvaa pystysuorille sivuseinille riittävällä kidelaadulla. Harkituista kasvatusmenetelmistä MOVPE on ainut joka täyttää nämä vaatimukset. Kokeet osoittavat, että esitelty sivuseinärakenne on toimiva tasossa tapahtuvassa aktuaatiossa. Lisäksi sillä on parempi suorituskyky verrattuna tämänhetkisiin menetelmiin. Kehitetty MOVPE kasvatusprosessi on soveltuva AlN:n kasvatukseen kidelaadun kannalta.
Description
Supervisor
Paulasto-Kröckel, Mervi
Thesis advisor
Torkkeli, Altti
Keywords
piezoelectric actuation, microelectromechanical systems, aluminium nitride, metal organic vapour phase epitaxy, MEMS, MOVPE
Other note
Citation