Piezoelectric materials for next generation MEMS fabrication

Since the invention of MEMS, their complexity and market diffusion increased every year. New technologies are emerging to improve their capabilities and reliability: the use of piezoelectric components in combination with MEMS is one of them. By the direct integration of piezoelectric thin films in the MEMS structure allow reducing the size and cost of fabrication, while improving its performances. This work explores the use of PZT and KNN (proposed as a lead-free alternative to PZT) as a piezoelectric thin film, following a chemical solution fabrication route comprising spin-coating on wafer substrate and subsequent thermal treatments at increasing temperatures. The obtained thin films are characterized both in terms of composition and microstructure using several techniques such as SEM, TEM, XRD. Then the piezoelectric material is characterized in terms of its electrical parameters and the piezoelectric activity is measured. This work also proposes a post-fabrication treatment, consisting of the contemporaneous application of potential and temperature, aimed at the stabilization of the piezoelectric properties of the material that can change during prolonged use. This treatment is believed to be integrable in the production process of piezoelectric MEMS to achieve better performances. In conclusion, this work explores the sustainability of the sol-gel route as a fabrication process for PZT and KNN-based piezoelectric thin films.

Dalla loro invenzione, i MEMS hanno incrementato la loro complessità e diffusione sul mercato anno dopo anno. Nuove tecnologie vengono continuamente impiegate per migliorare le loro proprietà e affidabilità: una di queste è basata sull'uso di componenti piezoelettrici nei MEMS. Tramite la diretta integrazione di film sottili piezoelettrici nei MEMS, è possibilie ridurre le dimensioni e il costo di fabbricazione, migliorandone al contempo le prestazioni. Questo lavoro esplora l'uso di PZT e KNN (quest'ultimo proposto come alternativa senza piombo al PZT) come film sottili piezoelettrici, tramite l'uso di precursori in soluzione e spin-coating su wafer. Successivamente vengono impiegati trattamenti termici a temperature crescenti. I film sottili quindi ottenuti sono caratterizzati in termini di composizione e di microstruttura, utilizzando diverse tecniche come SEM, TEM, XRD. Quindi il materiale piezoelettrico è stato caratterizzato nei suoi parametri elettrici ed è stata misurata l'attività piezoelettrica. Questo lavoro propone anche un trattamento post-fabbricazione, consistente nell'applicazione contemporanea di potenziale elettrico e temperatura, al fine di stabilizzare le proprietà piezoelettriche del materiale, che possono cambiare durante un uso prolungato. Si ritiene che questo trattamento sia integrabile in un normale processo di produzione dei MEMS per ottenere prestazioni migliori. In conclusione, viene esplorata la sostenibilità della fabbricazione tramite sol-gel per ottenere flm sottili piezoelettrici in PZT e KNN.