Faculté des sciences et techniques de l'ingénieur STI, Section des matériaux, Institut des matériaux IMX (Laboratoire de céramique LC)

Piezoelectric acoustic sensors and ultrasonic transducers based on textured PZT thin films

Ledermann, Nicolas G. ; Setter, Nava (Dir.)

Thèse sciences techniques Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2002 ; no 2699.

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    Summary
    This work dealt with the establishment of a reproducible and industrially exploitable fabrication technology for piezoelectric MEMS based on PZT thin films. {100}-textured piezoelectric 1-4 μm thick films were found to be the most suited materials for MEMS applications where a strong transverse e31,f coefficient is required. Values of 11.5 to 12.5 C/m2 throughout the investigated thickness range have been obtained. PZT MEMS requires some special microfabrication processes. The patterning of platinum electrodes in ICP reactor with an Ar/Cl2 gas mixture gave satisfying results. For 1 μm PZT films, excellent results were achieved with dry etching in an ECR/RF low-pressure reactor. Above 1 μm thickness, wet etching technique was used. The chosen process flow was such that all layers up the top electrode were first deposited, and then sequentially patterned. In this way, the functional properties were completely maintained. Finally, the process flow related to PZT was successfully combined with deep silicon etching techniques to produce free standing structures. The applicability of the processes has been demonstrated by means of two piezoelectric micro-electro-mechanical devices. First, a cantilever acoustic sensor for low frequency applications (< 50 Hz) has been developed for integration in photoacoustic gas detectors. A high device sensitivity of up to 150 mV/Pa has been obtained with noise level corresponding to a few mPa, mainly due to the preamplifier. The second device was based on a silicon/PZT diaphragm to produce a vibrating structure in view of fabricating ultrasonic transducers for position sensors and non-destructive testing probes. The study of the basic properties of such structures has shown excellent results as coupling factors k2 up to 5% for PZT 2 μm / Si 4 μm SOI membranes held with four small bridges. Ultrasonic wave transmission between two devices has been achieved up to a distance of 200 mm. The microfabrication of piezoelectric MEMS was found to be a complex task where all aspects from materials, microfabrication, and device design to assessment of performance are closely interconnected. Piezoelectric MEMS can offer exciting opportunities to fabricate innovative and performing devices.
    Résumé
    Cette recherche couvre l'établissement d'un procédé reproductible et exploitable industriellement pour la fabrication de microsystèmes piézo-électriques basés sur des couches minces de PZT. Grâce à la texturation selon {100}, les propriétés de ce matériau ont démontré qu'elles étaient particulièrement adaptées aux microsystèmes requérant un grand coefficient transverse e31,f. Dans toute la gamme d'épaisseur étudiée (1-4 μm), un coefficient e31,f de 11.5 à 12.5 C/m2 a été obtenu. La fabrication de microsystèmes piézo-électriques nécessite des procédés particuliers. La structuration des électrodes inférieures en platine dans un réacteur ICP avec une chimie Ar/Cl2 a donné de bons résultats. Pour une couche mince de 1 μm de PZT, d'excellents résultats ont été obtenus dans un réacteur basse pression ECR/RF. Toutefois, au dessus de 1 μm, la gravure humide a dû être utilisée. La succession des procédés a été choisie de telle sorte que toutes les couches minces jusqu'à l'électrode supérieure ont été déposées préalablement puis structurées l'une après l'autre. De cette manière, les propriétés fonctionnelles de la couche piézo-électrique ont été complètement conservées. Finalement, les procédés associés à la couche piézo-électrique ont été combinés avec succès à la gravure profonde du silicium pour produire des structures de type membrane ou poutre. L'application de ces procédés a été démontrée avec succès par la microfabrication de deux microsystèmes. Le premier est un capteur acoustique pour basses fréquences (< 50 Hz) basé sur une poutre. Une sensibilité de 150 mV/Pa et un niveau de bruit correspondant à quelques mPa ont été mesurés. Ce microphone a ensuite été intégré avec succès dans un détecteur de gaz photoacoustique. Le deuxième device est basé sur des membranes composites PZT/Si avec comme objectif la réalisation de transducteurs ultrasoniques pour des capteurs de position et des outils de contrôle non-destructifs. L'étude des propriétés fondamentales a montré d'excellent résultats avec des facteurs de couplage k2 de 5% pour un diaphragme composé de 2 μm de PZT déposé sur 4 μm Si obtenu avec une technologie SOI. La transmission d'onde ultrasonique dans l'air a été détectée jusqu'à une distance de 200 mm. La microfabrication de microsystèmes piézo-électriques basés sur des couches minces de PZT est une tâche complexe où tous les aspects, qu'ils soient matériaux, microfabrication, design et étude des performances sont étroitement liés. Les microsystèmes piézo-électriques offrent des opportunités excitantes pour la réalisation de devices innovants et performants.