Politechnika Wrocławska

Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki

Autoreferat rozprawy doktorskiej

Zintegrowane czujniki piezoelektryczne

wykonane z materiałów ceramicznych

Autor:

Arkadiusz Dąbrowski

Promotor:

prof. dr hab. inż. Leszek Golonka

Wrocław 2015

2

1. Wprowadzenie, cel i teza pracy

Zapotrzebowanie rynku na różnorodne czujniki określa obecnie kierunek prac

badawczych prowadzonych na całym świecie, zarówno przez jednostki badawcze, jak

i ośrodki przemysłowe. Rozwój techniki mikrosystemów umożliwia budowę miniaturowych

urządzeń, posiadających cechy tak zwanych inteligentnych sensorów, zdolnych do

przetwarzania mierzonej wielkości na sygnał elektryczny, jego obróbki, np. kompensacji

termicznej, linearyzacji. W systemach mikromechanicznych bardzo ważne jest niskie

zapotrzebowanie na energię, duża sprawność energetyczna, a także możliwość wytwarzania

urządzeń zdolnych do samodzielnego zasilania się, wykorzystujących miniaturowe źródła

energii oraz generatory przetwarzające energię pozyskaną z otoczenia na energię elektryczną.

Możliwości takie stwarzają materiały piezoelektryczne, a ich zastosowane w konstrukcji

urządzeń opartych na zjawisku piezoelektrycznym prostym, pozwala na wykonywanie

czujników typu generacyjnego.

Obok systemów mikroelektromechanicznych wytwarzanych w technologii krzemowej,

prowadzone są liczne prace badawcze nad ceramicznymi układami tego typu,

w szczególności wykonanymi z niskotemperaturowej ceramiki współwypalanej (LTCC –

Low Temperature Co-fired Ceramics). W tym wypadku konstrukcja kompletnego systemu

równoznaczna wiążę się z wykonaniem układu hybrydowego, ze zintegrowanymi z podłożem

elementami biernymi, natomiast z elementami czynnymi dołączanymi na zewnątrz modułu.

Zastosowanie ceramiki pozwala na wytwarzanie różnego rodzaju przetworników oraz

jednocześnie ich obudowy w tym samym procesie i tym samym materiale [1].

Popularnymi materiałami piezoelektrycznymi są ceramiki ferroelektryczne, które

wymagają obróbki termicznej – procesu spiekania. Opracowanie technologii wytwarzania

ceramicznych przetworników piezoelektrycznych, np. przy zastosowaniu materiału w postaci

folii ceramicznej, analogicznej do LTCC, umożliwiłoby wykonywanie systemów

mikromechanicznych w kompleksowym procesie LTCC, z koniecznością przeprowadzenia

jednej obróbki termicznej. Dzięki temu nakłady energetyczne i koszt procesu

technologicznego mogłyby zostać zredukowane. Wykonywanie przetworników

piezoelektrycznych zintegrowanych z ceramiką niskotemperaturową już na etapie surowego

materiału, pozwoliłoby na wytwarzanie ceramicznych czujników oraz aktuatorów bardziej

zminiaturyzowanych w porównaniu do wykonywanych dotychczas stosowanymi metodami.

Wymienione aspekty stały się dla autora rozprawy motywacją do podjęcia prac nad

metodami łączenia przetworników piezoelektrycznych z ceramiką LTCC oraz ich

zastosowaniem do konstrukcji czujników. Badania prowadzone w ramach niniejszej pracy

doktorskiej miały zatem na celu opracowanie oraz rozwój istniejących technik integracji

przetworników piezoelektrycznych z modułami LTCC oraz ich zastosowanie w konstrukcji

mikromechanicznych ceramicznych czujników piezoelektrycznych.

3

Badania skupiały się na:

1. Opracowaniu metod współwypalania popularnego materiału piezoelektrycznego PZT

(Pb(Zr-Ti)O3) w postaci surowej folii z surowymi oraz wypalonymi podłożami LTCC,

jak również łączeniu obu materiałów w postaci wypalonej.

2. Opracowaniu warstwy ograniczającej interakcję między grubowarstwowym

materiałem PZT i podłożem LTCC oraz pomiarach właściwości przetworników

w konfiguracji kondensatora płaskiego z wybranymi warstwami pośrednimi.

3. Opracowaniu metodologii wytwarzania przetworników międzypalczastych

na powierzchni LTCC i warstw PZT oraz analiza zastosowania ceramiki jako

falowodu w konstrukcjach z falami typu płytowego o częstotliwości z zakresu

ultradźwiękowego.

4. Wytworzeniu konstrukcji czujnikowych w oparciu o opracowane techniki integracji

przetworników piezoelektrycznych z ceramiką LTCC.

Wyniki prac eksperymentalnych, dotyczących zagadnienia współwypalania materiałów

LTCC i PZT w postaci surowych folii ceramicznych, poprawy właściwości warstw grubych

PZT nakładanych na wypalone podłoża LTCC z dodatkową warstwą pośrednią oraz metod

wytwarzania przetworników międzypalczastych, pozwoliły na sformułowanie tezy rozprawy:

Możliwe jest wytwarzanie warstw piezoelektrycznych, kompatybilnych

z technologią grubowarstwową i LTCC, pozwalających na integrację

z modułami ceramicznymi przetworników elektromechanicznych

do zastosowań czujnikowych.

Tezę potwierdzono w pracach eksperymentalnych związanych z opracowaniem konstrukcji

czujnikowych.

2. Integracja materiału PZT z ceramiką LTCC

W ramach prac badawczych dotyczących łączenia ceramiki LTCC z materiałem

piezoelektrycznym PZT skupiono się na materiale PZT nakładanym z pasty grubowarstwowej

oraz wykonanej w postaci cienkiej folii. W trakcie procesu wypalania warstwy dochodzi do

zjawiska dyfuzji między materiałem PZT i podłożem LTCC, co skutkuje pogorszeniem

właściwości przetwornika piezoelektrycznego [2]. Wykonano szereg prac eksperymentalnych

mających na celu opracowanie dielektrycznej bariery dyfuzyjnej, zapewniającej ograniczenie

interakcji warstw grubych PZT (Pb(Zr,Ti)O3, tytanian-cyrkonian ołowiu) z podłożami LTCC.

Zastosowano trzy komercyjnie dostępne popularne materiały: 951 Green Tape (DuPont),

CeramTape GC (CeramTec) oraz HL2000 (Heraeus), z których wykonano podłoża o grubości

około 600 µm.

4

W strukturach testowych przetworniki piezoelektryczne wykonano w konfiguracji

kondensatora płaskiego. Na podłożach LTCC naniesiono warstwę bariery, a następnie

prowadzono procesy sitodruku i wypalania w piecu tunelowym, kolejno: złotej elektrody,

warstwy PZT oraz srebrowej elektrody górnej. Kolejność nakładania pokazano graficznie na

rys. 1a. Na podłożach o rozmiarze 20x20 mm2 umieszczono po cztery przetworniki, jak

pokazano na rys. 1b. Zaplanowano przygotowanie warstw na dwa sposoby: techniką

cienkowarstwową oraz grubowarstwową.

a) b)

Rys. 1. Analizowane próbki testowe w konfiguracji kondensatora płaskiego: kolejność warstw (a) oraz

widok od strony górnej elektrody (b)

W wypadku warstw cienkich istnieje możliwość zastosowania jako bariery warstw

tlenkowych oraz odpornych na utlenianie warstw azotkowych. Spośród materiałów pierwszej

grupy zastosowano 1-µm tlenek glinu (Al2O3) wytworzony w procesie reaktywnego

rozpylania magnetronowego. Zdecydowano również na pokrywaniu ceramiki azotkami: TiN,

CrN, (Ti-Al)N. Próby osadzania warstw TiN metodą łuku próżniowego oraz rozpylania

magnetronowego nie przyniosły pozytywnych rezultatów ze względu na zbyt duże

niedopasowanie współczynników rozszerzalności termicznej (LTCC 5 do 6 ppm/K; TiN

9 ppm/K; CrN 9.4 ppm/K), czego efektem było złuszczenie warstw po ochłodzeniu podłoży

do temperatury pokojowej. Biorąc pod uwagę również fakt braku poprawy właściwości PZT

w wypadku bariery Al2O3, zaniechano dalszych prac z zastosowaniem warstw cienkich.

W pracach skupiono się na wytwarzaniu warstw bariery techniką grubowarstwową. Wybrano

szereg materiałów takich jak tlenki (TiO2, Al2O3, YSZ <ZrO2 + 1% Y2O3>, PZT, azotki <TiN,

BN> i węgliki <SiC> oraz kompozycję komercyjnego szkliwa IP211 <Heraeus>).

Dla poszczególnych materiałów w postaci proszków przygotowano pasty grubowarstwowe.

Dla każdego proszku eksperymentalnie dobierano zawartość szkliwa w taki sposób,

by zapewnić odpowiednią adhezję do podłoża oraz niską porowatość warstwy. Zastosowano

dwa rodzaje szkliwa: 9615 (DuPont) oraz IP211 (Heraeus). Warstwy nakładano techniką

sitodruku oraz wypalano w piecu tunelowym. Warstwy PZT polaryzowano w temperaturze

200 °C w polu elektrycznym o natężeniu 3 kV/mm przez 10 min.

Wyniki obliczeń względnej przenikalności elektrycznej spolaryzowanego PZT

(ε33T/ε0) opartej na pomiarze pojemności elektrycznej przy częstotliwości 1 kHz i znajomości

geometrii oraz wyniki pomiarów podłużnego efektywnego modułu piezoelektrycznego (d33eff)

zestawiono odpowiednio na rys. 2a i 2b. Wykazują one, że najlepsze parametry warstw

5

uzyskano w wypadku barier opartych na SiC z dodatkiem szkliwa 9615 oraz Al2O3 ze

szkliwem IP211.

a)

b)

Rys. 2. Porównanie wyników pomiarów przenikalności względnej (a) oraz efektywnego modułu

piezoelektrycznego (b) warstw grubych PZT na podłożach LTCC z wykonanymi warstwami

pośrednimi

Analiza składu warstwy piezoelektrycznej z różnorodnymi materiałami bariery

wykazała, że pogorszenie parametrów piezoelektrycznych wynika nie tylko z opisywanego

z literaturze ubytku Pb i zanieczyszczenia krzemionką z podłoża, lecz także z różnic stosunku

pozostałych głównych składników PZT, jakimi są Zr i Ti. W odniesieniu do budowy komórki

elementarnej PZT w strukturze perowskitu, stosunek liczby atomów Pb:Ti(lub Zr):O

powinien być równy 1:1:1. PZT jest roztworem stałym tytanianu ołowiu (PbTiO3) oraz

cyrkonianu ołowiu (PbZrO3). Według doniesień literaturowych najwyższe wartości

przenikalności elektrycznej, modułu piezoelektrycznego oraz współczynnika sprzężenia

elektromechanicznego występują przy stosunku molowym PbTiO3:PbZrO3 równym około

47:53, dla którego w materiale współistnieją fazy tetragonalna i trygonalna [3]. Biorąc pod

uwagę niniejsze dane przeanalizowano stosunki atomowe poszczególnych pierwiastków

chemicznych w warstwach, tj. Ti:Zr. Wyniki analizy wykazują nadmiar Ti w stosunku do Zr

i dobrą korelację parametrów warstw z proporcjami między Ti:Zr – wzrost zawartości Ti

względem Zr powoduje pogarszanie parametrów piezoelektrycznych. Stosunek atomowy

Pb:(Zr+Ti) wykazuje słabą korelację z wartością ε33T, która jest jednak widoczna

218

128

195

254221 207 210 215

254 265

301

0

50

100

150

200

250

300

ε 33T/ε

0

5177

106

147 148174 174 176

189212 220

0

50

100

150

200

250

d33

(eff

)(p

C/N

)

6

w odniesieniu do parametru d33. Wzrost zawartości Si względem podstawowych składników

materiału PZT ma wyraźny wpływ na przenikalność elektryczną warstwy. Zjawisko to

tłumaczy się obecnością między ziarnami PZT tlenku krzemu o niskiej przenikalności

elektrycznej i w ten sposób obniżeniu wartości przenikalności warstwy.

W celu charakteryzacji warstw bariery dyfuzyjnej dla zastosowań w urządzeniach

z falami ultradźwiękowymi, zbadano amplitudę sygnału transmitowanego między parą

przetworników międzypalczastych z warstwą PZT, nałożonych na powierzchnię bariery

dyfuzyjnej. Po pokryciu podłoża warstwą bariery, wykonano techniką sitodruku złote

elektrody międzypalczaste, a następnie nakładano warstwę PZT. Umieszczenie

czterech przetworników na podłożu, jak na rys. 3a,b, pozwoliło na pomiar charakterystyk

transmisji dla dwóch par przetworników. Metodę pomiaru zilustrowano na rys. 3.c.

Największą transmitowaną energię zarejestrowano dla bariery TiO2 oraz warstwy szkliwa

IP211. Nie brano pod uwagę bariery opartej na proszku PZT, gdyż wówczas również bariera

jest warstwą przetwornikową i wynik nie jest miarodajny pod kątem funkcji bariery,

natomiast konfiguracja może być użyteczna do aplikacji czujnikowych ze względu na wysoką

efektywność przetwarzania. Porównanie efektywności warstw bariery z przetwornikami

międzypalczastymi zaprezentowano na rys. 3d.

a) b) c)

d)

Rys. 3. Zastosowania warstw bariery pod przetwornikami międzypalczastymi z warstwą PZT: próbki

testowe przed nałożeniem PZT (a), po nałożeniu warstwy przetwornikowej (b), metoda pomiaru (c)

oraz wyniki pomiarów transmisji miedzy parami przetworników (d)

Poza materiałem PZT nakładanym w postaci pasty grubowarstwowej,

przeprowadzono eksperymenty nad zastosowaniem warstwy surowej folii PZT dołączanej do

ceramiki LTCC w stanie surowym oraz w stanie wypalonym. Grubowarstwowy materiał PZT

zastosowany może być tylko na zewnętrznych powierzchniach wypalonej ceramiki LTCC.

0

300

600

900

1200

1500

Uw

y(m

VR

MS)

7

W odróżnieniu do grubych warstw PZT, zastosowanie folii pozwala na wytworzenie

przetworników elektromechanicznych w wielowarstwowej strukturze mikromechanicznej

oraz pozwala na uzyskanie dobrej powtarzalności grubości warstwy przetwornikowej.

Podjęto zatem prace nad techniką współwypalania obu materiałów w postaci surowych folii

ceramicznych, obrabianych w procesie kompatybilnym z LTCC.

Testowano dwie folie oparte na komercyjnym materiale Pz27. Jedna z folii przygotowana

została we współpracy z drem Janem Kulawikiem z Instytutu Technologii Elektronowej

o. w Krakowie. Materiał ten był odpowiedni do nakładania na powierzchnię wypalonych

podłoży LTCC. Przykład warstwy w widoku powierzchni oraz w przekroju zaprezentowano

odpowiednio na rys. 4a i rys. 4b.

Rys. 4. Warstwa folii PZT wypalana na uprzednio wypalonym podłożu LTCC

CeramTape GC: powierzchnia (a) oraz przełom przez próbkę (b) [4]

Druga folia została opracowana w dziale badawczo-rozwojowym f-my Meggitt w Danii.

W wypadku tego materiału możliwe jest prowadzenie procesu współwypalania z surowymi

podłożami LTCC. Układ warstw w próbkach testowych pokazano na rys. 5a. Struktury

wypalano w temperaturze 900 oraz 950 °C.

Rys. 5. Próbki testowe ceramiki PZT współwypalanej z LTCC: schematyczny przekrój (a), podłoże

z ceramiki o zerowym skurczu planarnym (b), podłoża ze standardowej ceramiki (c)

Porównanie podstawowych właściwości – przenikalności elektrycznej oraz efektywnego

modułu piezoelektrycznego próbek zaprezentowano odpowiednio na rys. 6a i rys 6b.

8

Właściwości warstw na komercyjnej ceramice o zerowym skurczu (HL2000) są gorsze

w porównaniu do ceramiki ulegającej skurczowi (DP951 i CeramTapeGC), jednakże

z powodu deformacji materiały te nie mogą byś stosowane w konstrukcji przetworników do

zastosowań w czujnikach mikromechanicznych.

a)

b)

Rys. 6. Wyniki pomiarów przenikalności elektrycznej (a) oraz efektywnego modułu

piezoelektrycznego (b) warstwy ceramiki PZT współwypalanej z LTCC

Zastosowanie folii PZT drugiego typu pozwala ponadto na wytwarzanie

przetworników wielowarstwowych ze współwypalanymi metalizacjami, a także bloków

przetworników objętościowych, które mogą być łączone z wypalonym materiałem LTCC

za pośrednictwem szkliwa, zapewniając dobrą szczelność granicy materiałów.

3. Zastosowanie technologii grubowarstwowej i LTCC do konstrukcji urządzeń

z ultradźwiękowymi falami mechanicznymi

Wzbudzanie oraz detekcja fal mechanicznych o częstotliwości z zakresu ultradźwięków

wymaga wykonania przetworników elektromechanicznych na powierzchni podłoża będącego

jednocześnie falowodem. Przetwarzanie energii elektrycznej na mechaniczną i na odwrót jest

realizowane odpowiednio dzięki zjawisku piezoelektrycznemu odwrotnemu i prostemu.

W popularnych konstrukcjach urządzeń z falami powierzchniowymi, wykonanych

z materiałów monokrystalicznych, stosuje się przetworniki międzypalczaste.

9

W ramach prac badawczych badano możliwości wytwarzania elektrod

międzypalczastych na powierzchni warstw grubych PZT i ceramiki LTCC do zastosowań

w urządzeniach z falami ultradźwiękowymi. Zgodnie z przeprowadzonymi eksperymentami

zastosowanie sitodruku nie pozwala na uzyskanie precyzyjnych wzorów elektrod na

powierzchni grubowarstwowego materiału PZT z powodu jej niejednorodnej grubości

i porowatości. Jest to natomiast łatwo osiągalne na powierzchni surowej folii ceramicznej

opartej na PZT i folii LTCC. Technika warstw światłoczułych, polegająca na nakładaniu

pasty na pewnym obszarze, a następie naświetlaniu wzoru i wywoływaniu, pozostawia trwałe

zanieczyszczenie porowatego podłoża materiałem przewodzącym, np. srebrem. Metoda ta jest

zatem bezużyteczna na powierzchniach porowatych, jak ma to miejsce w wypadku warstw

grubych PZT. Z tego powodu konieczne było opracowanie niestandardowych technik. Jedną

z nich jest formowanie wzorów metodą cięcia laserowego, z szerokością odstępów między

ramionami ograniczonej rozmiarem plamki lasera, np. 30 μm. Fragment wzoru wykonanego

metodą obróbki wiązką laserową pokazano na rys. 7a. Wadą metody jest częściowe

uszkadzanie warstwy piezoelektrycznej w trakcie obróbki metalizacji. Drugim

z opracowanych sposobów jest wypełnianie pastą grubowarstwową okien otwartych w masce

nałożonej na podłożu, formowanej w procesie fotolitografii, analogicznie do metody lift-off

stosowanej w technologii cienkowarstwowej i półprzewodnikowej. Jako warstwę światłoczułą

zastosowano negatywową emulsję wykorzystywaną przy wykonywaniu sit do procesu

sitodruku. Materiał emulsji po naświetlaniu przez maskę z zaprojektowanym wzorem

wypłukiwano z nienaświetlonych obszarów. Następnie nakładano pastę grubowarstwową

i usuwano jej nadmiar przy pomocy rakli do sitodruku. Przykład elektrody wytworzonej w ten

sposób pokazano na rys. 7b. Zaletą metody jest niemożliwość zabrudzenia porowatej warstwy

nakładaną metalizacją. Ograniczeniem była możliwość wytwarzania elektrod o szerokości

linii i odstępów nie mniejszych niż 125 μm.

a) b)

Rys. 7. Elektrody międzypalczaste na powierzchni warstwy PZT formowane metodą grawerowania

laserowego (a) oraz metodą wypełniania okien w masce formowanej fotolitograficznie (b)

Przeanalizowano także zastosowanie podłoży LTCC jako falowodów z przetwornikami

grubowarstwowymi PZT, którego przykład pokazano na rys. 8a. Wykonano pomiar

charakterystyk częstotliwościowych metodą bezpośrednią, a przykładowe krzywe

zaprezentowano na rys. 8b. W trakcie pomiarów odpowiedzi na pobudzenie sygnałem

10

sinusoidalnym o częstotliwości bliskiej maksimum transmisji i czasie trwania równym kilku

okresom, zarejestrowano istnienie modów: symetrycznego i antysymetrycznego. Pierwsze

maksimum widoczne na rys. 8c związane jest z modem symetrycznym S0, gdyż częstotliwość

fali jest mniejsza od częstotliwości odcięcia pozostałych modów. Identyfikację modów

ułatwiają krzywe dyspersji dla tego typu falowodów, wyznaczone za pomocą

oprogramowania LAMSS WaveFormRevealer, pokazane dla dwóch grubości podłoża na

rys. 9a-b.

a) b)

c)

Rys. 8 Ocena możliwości zastosowania ceramiki LTCC do wykonania falowodów ceramicznych dla

fal typu płytowego: przykładowa próbka testowa (a), wyniki pomiarów charakterystyki przejściowej

dla trzech grubości podłoży (b) oraz odpowiedź próbki na pobudzenie sygnałem sinusoidalnym (c)

a) b)

Rys. 9. Przykłady wyznaczonych krzywych dyspersji prędkości fazowej dla ceramiki LTCC

o grubości 45 μm (a) i 100 μm (b)

11

4. Technologia i właściwości wybranych czujników piezoelektrycznych

W rozprawie opisano technologię oraz właściwości struktur czujnikowych wybranych

wielkości fizycznych – ciśnienia, siły oraz przyspieszenia.

Opisano szereg eksperymentów nad czujnikami ciśnienia bazującymi na falach

ultradźwiękowych propagowanych w ceramicznych membranach. Struktury czujnikowe

dołączone do wzmacniacza pracowały jako elementy stabilizujące częstotliwość oscylacji,

zależną od działającego na strukturę ciśnienia. Przetworniki te wykonano w trzech

konfiguracjach materiałowych. W pierwszej z nich materiał LTCC zastosowano jako

membranę czujnika do pomiarów ciśnienia względnego do 100 kPa. Parę przetworników

elektromechanicznych wykonano z pasty grubowarstwowej PZT. Przykład struktur pokazano

na rys. 10a. Czujniki charakteryzowały się dużą nieliniowością (powyżej 25 %, rys. 10b) oraz

długim czasem odpowiedzi (20-40 s).

a) b)

Rys. 10. Czujnik ciśnienia z membraną LTCC z warstwą grubą PZT: przykładowe struktury (a) oraz

wyniki pomiaru czułości (b)

Z materiału LTCC wytworzono również cienką membranę oraz obudowę czujnika do

pomiaru ciśnienia różnicowego do 20 kPa. Kompletną strukturę pokazano na rys. 11a. W tym

wypadku przetworniki elektromechaniczne wykonano na powierzchni membrany z folii PZT

nakładanej na powierzchnię LTCC w stanie surowym i współwypalanej z elektrodami

międzypalczastymi. Struktury takie wykazywały mniejszą nieliniowość (<20 %, rys. 11b),

dobrą stabilność oscylacji oraz krótszy czas odpowiedzi (10-20 s). Zaobserwowano silny

wpływ temperatury na częstotliwość oscylacji na poziomie od -110 do -120 ppm/K.

Inną badaną konstrukcją był czujnik wykonany z alundowej ceramiki HTCC (44000, ESL)

do pomiaru ciśnienia względnego do 100 kPa. W tym wypadku przetworniki wytworzono

również z pasty PZT. Struktura pokazana na rys. 12a charakteryzowała się dobrą stabilnością

oscylacji oraz powtarzalnością odpowiedzi na zmiany ciśnienia. Charakterystyka czułości

pokazana na rys. 12b wykazuje niewielką nieliniowość.

12

a) b)

Rys.11 Struktura czujnika różnicowego z ceramiki LTCC (a) i jej czułość (b) [5]

a) b)

Rys. 12. Czujnik ciśnienia: struktura testowa z ceramiki HTCC (a) i jej czułość (b)

Opracowano również czujnik siły w postaci belki wspornikowej pracujący w oparciu

o fale płytowe z zakresu ultradźwiękowego. Wytworzono konstrukcję z ceramiki LTCC

z warstwą folii PZT na jej powierzchni. Przykład struktur testowych pokazano na rys. 13a.

Podjęto próby symulacji numerycznych czułości tego typu struktur wykorzystując metodę

elementów skończonych. Uzyskanie rzeczywistych wyników skorelowanych z pomiarami jest

trudne, a symulacje czasochłonne nawet w modelu dwuwymiarowym, gdyż zjawiska falowe

wymagają dokładnego podziału na elementy skończone. Rzeczywiste struktury

charakteryzowały się dobrą liniowością odpowiedzi, co pokazano rys. 13b. Rozrzuty

wyników w serii pomiarowej wynikały z niestabilności temperatury otoczenia w trakcie

pomiarów. Czułość na zmiany temperatury wynosiła około -120 ppm/K, podobnie jak

w wypadku czujnika ciśnienia.

13

a) b)

Rys. 13. Czujnik siły: struktury testowe (a) oraz zmierzona czułość (b) [6]

W ramach prac badawczych prowadzono również prace nad miniaturowym

piezoelektrycznym czujnikiem przyspieszenia wykonanym metodą współwypalania folii

LTCC i PZT. Opracowano konstrukcję ceramiczną w kształcie sześcianu o długości krawędzi

5 mm. Koncepcję urządzenia w częściowym przekroju zaprezentowano na rys. 14a.

Przewidziano konstrukcję typu belkowego z masą sejsmiczną, umożliwiającego pomiar

przyspieszenia w kierunku prostopadłym do powierzchni belki. Czujnik stanowi jednocześnie

własną obudowę, co jest główną cechą zaprezentowanego rozwiązania. By umożliwić montaż

urządzenia na płytce obwodu drukowanego przewidziano wytworzenie zewnętrznych pól

lutowniczych. Przetwornik piezoelektryczny wykonano w postaci belki z ceramiki LTCC

z warstwami PZT rozmieszczonymi symetrycznie po jej obu stronach (rys. 14b). Przykład

wykonanej struktury pokazano na rys. 14c. Czujnik charakteryzował się dobrą liniowością

z czułością równą 0,76 pC/g (rys. 14d) oraz częstotliwością rezonansową równą 1,9 kHz.

a) b)

c)

Rys. 14. Miniaturowy piezoelektryczny czujnik przyspieszenia: koncepcja (a),

przekrój belki (b), gotowa struktura (c) oraz charakterystyka przetwarzania (d) [7]

LTCC

PZT

PZT

h

h

h

hB Au

LTCC

PZT

PZT

14

Podjęto również prace eksperymentalne nad wytworzeniem piezoelektrycznego

czujnika ciśnienia, pozwalającego na pomiary ciśnienia w zakresie do 10 MPa.

W zaproponowanej strukturze pomiar ciśnień zmiennych może być prowadzony w trybie

ładunkowym w oparciu o zjawisko piezoelektryczne proste. Możliwy jest również pomiar

stałego ciśnienia przy pracy przetwornika piezoelektrycznego w trybie oscylatora przy

częstotliwości rezonansowej w modzie grubościowym. Tryb pracy przy pomiarze zależy od

dołączonego układu elektronicznego. Przykładową strukturę czujnika pokazano na rys. 15a.

Czujnik wykonano stosując metodę łączenia wypalonych elementów z ceramiki LTCC i PZT

za pomocą warstwy szkliwa, uzyskując szczelne połączenie materiałów. Wyniki pomiarów

czułości dla trybu ładunkowego oraz rezonansowego zaprezentowano odpowiednio

na rys. 15b i rys. 15c.

a)

b) c)

Rys. 15. Czujnik oparty na rezonatorze z falą objętościową: struktura testowa (a), czułość ładunkowa

(b) oraz czułość w trybie oscylatora (c) [8]

5. Podsumowanie

Możliwość połączenia cech materiału LTCC oraz właściwości zjawiska

piezoelektrycznego uzasadniało podjęcie przez autora prac badawczych nad rozwojem metod

integracji ceramiki piezoelektrycznej PZT z niskotemperaturową ceramiką współwypalaną.

Opracowane metody łączenia LTCC z materiałem piezoelektrycznym zastosowano

do konstrukcji czujników, opartych na prostym zjawisku piezoelektrycznym, pracy

rezonansowej oraz wykorzystujących fale typu płytowego o częstotliwości z zakresu 10 MHz

do 20 MHz.

15

Najważniejsze osiągnięcia uzyskane w trakcie realizacji rozprawy to:

1. Opracowanie metody współwypalania folii ceramicznych PZT i LTCC w stanie

surowym oraz zastosowanie jej do wytworzenia miniaturowego piezoelektrycznego czujnika

przyspieszenia z przetwornikiem piezoelektrycznym zintegrowanego z obudową,

2. Opracowanie metody wytwarzania warstw piezoelektrycznych na wypalonym

podłożu LTCC metodą nakładania na jego powierzchnię warstwy surowej folii PZT z dużą

zawartością plastyfikatora,

3. Poprawa właściwości warstw grubych PZT dzięki zastosowaniu warstw pośrednich

z przygotowanych past grubowarstwowych opartych na Al2O3, TiO2 oraz SiC,

ograniczających zjawisko dyfuzji między PZT i podłożem,

4. Opracowanie sposobu precyzyjnego formowania metalizacji na powierzchni

porowatych warstw – w szczególności grubowarstwowego materiału PZT – z zastosowaniem

techniki formowania laserowego oraz metody analogicznej do techniki lift-off

z zastosowaniem standardowych materiałów wykorzystywanych w technologii

grubowarstwowej,

5. Zastosowanie ceramiki LTCC do konstrukcji czujników siły oraz ciśnienia opartych

na ultradźwiękowych falach typu płytowego, gdzie przetwarzanie elektromechaniczne

zrealizowano za pomocą przetworników wykonanych opracowanymi metodami z materiału

PZT oraz ceramiką LTCC będącą falowodem.

Zdaniem autora, wytworzenie opisanych w rozprawie konstrukcji czujnikowych,

wykonanych w oparciu o opracowane sposoby integracji materiału PZT z ceramiką LTCC,

dowodzą postawioną tezę rozprawy. Uzyskane wyniki nie wyczerpują w pełni analizowanego

zagadnienia i wykazują zasadność dalszych prac nad metodami integracji przetworników

piezoelektrycznych z LTCC, tworzeniem kompatybilnych materiałów LTCC

i piezoelektrycznych, a także opracowywaniem różnorodnych ceramicznych urządzeń

mikromechanicznych.

Prace badawcze dotyczące zagadnienia czujników wykorzystujących fale

ultradźwiękowe realizowane były w ramach grantu PRELUDIUM finansowanego przez

Narodowe Centrum Nauki nr. 2012/05/N/ST7/00193, pt. „Technologia grubowarstwowych

piezoelektrycznych czujników bazujących na ultradźwiękowych falach mechanicznych”,

realizowanego w okresie od marca 2013 do lutego 2015 r.

16

Literatura

[1] L. Golonka, Zastosowanie Ceramiki LTCC w mikroelektronice, Oficyna Wydawnicza

Politechniki Wrocławskiej, Wrocław, 2001

[2] T. Zawada, K. Hansen, M. Sobociński, R. Lou-Moeller, E. Ringgaard, L. Golonka,

Integration of commercial PZT thick films on various LTCC substrates for

microsystem applications, Proc. 32nd International Conference of IMAPS - CPMT

IEEE, Pultusk, Poland, 2008

[3] W. Heywang, K. Lubitz, W. Wersing, Piezoelectricity. Evolution and future

of technology, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2008, ISBN 978-3-540-68680-4

[4] A. Dąbrowski, J. Kulawik, L. Golonka, T. Zawada, Integration of PZT tape with LTCC

substrates, Microelectronic Materials and Technologies, Vol. 2 / red. Zbigniew

Suszyński, Wydawnictwo Uczelniane Politechniki Koszalińskiej, 2012, str. 155-167

[5] A. Dąbrowski, L. Golonka, LTCC/PZT differential pressure sensor utilizing ultrasonic

wave resonator, Proc. 37th International Spring Seminar on Electronics Technology,

2014

[6] A. Dąbrowski, L. Golonka, PZT acoustic wave force sensor made in LTCC

technology, Proc. European Microelectronics Packaging Conference (EMPC), 2013

[7] A. Dąbrowski, K. Elkjaer, L. Borregaard, T. Zawada, L. Golonka, LTCC/PZT

accelerometer in SMD package, Microelectronics International, vol. 31 Iss 3, 2014,

str. 186 – 192

[8] A. Dąbrowski, L. Golonka, High Pressure Sensor with PZT Transducer in LTCC

Package, Procedia Engineering, vol. 87, 2014, str. 1099-1102