Siden midt på 70-tallet har mikroelektromekaniske systemer (MEMS) hatt stor betydning for vårt moderne, høyteknologiske samfunn. Tynnfilm-piezoelektriske MEMS (TFPMEMS) viderefører denne MEMS-arven, og brukes i dag i teknologiske anvendelser, som inkjet-printere, 3D-kameraer, gassdetektorer, virtuelle og utvidede virkelighetsenheter (VR/AR), og «smarte lyd og hørselsenheter» (illustrert i figur 1a).
Miniatyrisering driver behovet for høyere elektromekanisk robusthet
Enheter basert på TFPMEMS er avhengige av effektiv konvertering mellom elektrisk og mekanisk energi, for å gi datamaskiner muligheten til å tolke og interagere med sin fysiske omverden gjennom sensorer og aktuatorer. Den stadige miniatyriseringen av slike mikro- og nanoteknologiske enheter, deriblant MEMS og TFPMEMS (figur 1b), har økt behovet for framtidens enheter å kunne tåle stadig høyere elektromekaniske energitettheter, samtidig som de opprettholder stabilitet og ytelse over lang tid og under krevende driftsforhold. Et eksempel er såkalte metaflate-antenner for 6G-applikasjoner, hvor hundre til tusenvis av mikro- og nanoskopiske strukturer sammen danner materialer med egenskaper som overgår det finnes i naturens «vanlige» materialer.
Fuktighetsindusert degradering som en kritisk pålitelighetsutfordring
Skal slike enheter realiseres og integreres, er det avgjørende at strukturene kan elektromekanisk deformeres betydelig ved enda høyere elektriske og mekaniske feltstyrker enn i dag, og samtidig ha nærmest neglisjerbart energiforbruk (nW). I dag er energitettheten imidlertid høyere enn hva materialene kan tåle for framtidens anvendelser, og de bryter irreversibelt sammen under de energitetthetene som kreves.
En «flerlags»-tilnærming, som illustrert i figur 1c har vekket interesse blant relevante industriaktører, da det kan senke driftsspenningen betydelig. Endog øker dette energitettheten ytterligere under bruk, og legger ytterligere trykk på behovet for mer elektromekanisk sterke TFPMEMS-materialer. En fundamental viktig faktor er fortsatt uklar: man vet ikke om elektrisk eller mekanisk sammenbrudd er drivende ved høye elektriske felt!
Innenfor dagens etablerte bruksområder, er moderne PZT-baserte TFPMEMS robuste nok til å tåle selv universets krevende driftsforhold, med forventede levetider på flere hundre år i laboratoriet. På den andre siden, er slike enheter svært sårbare i fuktige omgivelser, som til sammenligning forårsaker kritisk sammenbrudd i løpet av sekunder til minutter. Dette begrenser hvor det er mulig å innlemme TFPMEMS-teknologi på jorden, og spesielt en mekanisme skiller seg ut som særlig kritisk under påsatt spenning: spalting av vannmolekyler til oksygen- og hydrogengass. Når gassbobler dannes inne i materialet, øker trykket med flere tusen atmosfærer, og får materialet til å sprekke opp når gassen prøver å unnslippe. Innkapsling ved hjelp av atomlagsdeponerte materialer som Al₂O₃ og HfO₂ har vist seg å være en effektiv beskyttelse mot fuktighetsindusert nedbrytning.
Dette til tross; både MEMS og TFPMEMS fortsetter å bryte sammen kritisk i fuktige betingelser, og mye tyder på at kombinasjonen mellom hydrolyse og protonledning langs overflater, grensesnitt og gjennom materialet er spesielt viktig. Eksempelvis er det vist at tilstedeværelsen av bare noen få nanometer vann på overflaten er nok til å initiere kritisk sammenbrudd, selv med gode fuktbarrierer til stede.
Robust TFPMEMS for tøffe driftsforhold
HERO-prosjektet tar sikte på å løse begge utfordringene ved
- å øke de elektriske og mekaniske toleransene ved å justere piezomaterialers komposisjon og sammensetning i flerlags-design
- å avklare faktorene som driver protonledning langs overflater og hydrolyse av fuktbarrierer.
I samarbeid med norsk MEMS-industri og anerkjente internasjonale forskningsmiljøer, skal dette brukes til å implementere strategier som gjør det mulig å realisere og anvende morgendagens for avanserte mikro- og nanoteknologiske systemer.