Что такое пьезоэлектричество?

Пьезоэлектричество — это свойство некоторых материалов становиться электрически поляризованными при деформации и воздействии. Это явление широко изучается с момента его открытия в середине XVIII века. Пьезоэлектрические материалы могут генерировать электрический заряд в ответ на приложенное механическое воздействие, а также могут создавать механическую нагрузку при приложенном электрическом заряде. Эти материалы обеспечивают прямую двухстороннюю передачу сигнала из механической области в электрическую и наоборот.

Проблемы изготовления пьезоэлектрических материалов

Разработка и изготовление пьезоэлектрических материалов является сложной задачей. Фактически, стехиометрия (контроль химической реакции материала) и морфология (контроль физической структуры) являются критическими параметрами при изготовлении пьезоэлектрического материала, и требуется точный контроль процесса пьезоэлектрической кристаллизации. Кроме того, обычно используемые процессы производства пьезоэлектрических материалов часто включают материалы, несовместимые со стандартной технологией КМОП. Ранее это затрудняло интеграцию пьезоэлектрических элементов в более крупные электронные схемы КМОП. За последние несколько десятилетий был достигнут значительный прогресс в разработке недорогих и высококачественных процессов осаждения для производства пьезоэлектрических материалов. Химическое осаждение из раствора и формирование рисунка сегнетоэлектрических пленок цирконата-титаната свинца (PZT), например, позволило интегрировать пьезоэлектрические материалы в преобразователи на основе МЭМС.

Пьезоэлектричество и МЭМС

Работа многих коммерчески успешных МЭМС-устройств основана на смещении механических частей под воздействием электростатических полей, включая ряд датчиков движения на основе МЭМС. Пьезоэлектрические МЭМС обеспечивают более прямой и линейный механизм срабатывания и считывания, чем обычный электростатический привод (актюатор). Существует большое разнообразие МЭМС-продуктов на основе пьезоэлектрических элементов, включая микрофоны, динамики, гироскопы, устройства сбора энергии (накопители энергии), аналоговые зеркала и др. Все эти пьезоэлектрические устройства на основе МЭМС-технологий могут быть разработаны и исследованы с помощью системы CoventorMP^®.

CoventorMP - это платформа проектирования с высокой степенью параметризации, предназначенная для мультифизического моделирования. Большой набор возможностей линейного и нелинейного анализа позволяет проводить полное исследование пьезоэлектрических устройств. CoventorMP также включает интерфейс MATLAB^® Simulink для проектирования системы, а также интерфейс Cadence^® для проектирования ИС, так что работу пьезоэлектрического МЭМС устройства можно исследовать в окружающей его системе и электронной схеме.

Что дальше?

Таким образом, пьезоэлектрические материалы представляют собой материалы с высокой плотностью энергии, которые очень хорошо масштабируются при миниатюризации. Растет интерес к использованию пьезоэлектрических пленок для МЭМС-приложений. Однако для повышения эффективности пьезоэлектрических МЭМС-устройств необходимо решить серьезные проблемы с проектированием и обработкой материалов.  Новые и усовершенствованные пьезоэлектрические материалы позволят разрабатывать новые пьезоэлектрические МЭМС-продукты и обеспечат более тесную интеграцию с КМОП-схемами и передовыми маломощными приложениями.

Использованная литература:

1. Ulrich Schmid and Michael Schneider, “Editorial for the Special Issue on Piezoelectric MEMS”, Micromachines 2018, 9(5), 237; https://doi.org/10.3390/mi9050237
2. S Tadigadapa1 and K Mateti, “Piezoelectric MEMS Sensors: State-of-the-Art and Perspectives”, Meas. Sci. Technol. 20 092001, July 2009; https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0957-0233/20/9/092001

Источник: https://www.coventor.com/blog/overview-piezoelectric-mems-principles-applications/

Опубликовано Joan Asselot 29 апреля 2021 года

Joan Asselot is a Corporate Engineer for the MEMS Group at Coventor. He is responsible for software quality assurance and software accuracy testing, and performs analytical studies, finite element simulation and experimental data verification as part of his job position. Joan received his Master of Science degree in Electronic Engineering from ENSEEIHT, along with a Master of Science degree in Electrical and Computer Engineering from the Georgia Institute of Technology.