DE102020115315A1 - Piezoelektrische Baugruppe und Prozess zum Bilden einer piezoelektrischen Baugruppe - Google Patents

Piezoelektrische Baugruppe und Prozess zum Bilden einer piezoelektrischen Baugruppe Download PDF

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Abstract

Piezoelektrische Baugruppe, die ein Substrat aus Ni, Cu oder Stahl, eine erste orientierte Schicht, die auf dem Substrat angeordnet ist, und eine piezoelektrische Schicht auf der orientierten Schicht umfasst. Die piezoelektrische Schicht weist einen (100)-Orientierungsgrad mit Bezug auf die lokale Oberflächennormale von 90 % oder mehr auf.

Description

  • Piezoelektrische Filme und piezoelektrische Baugruppen werden in vielen Anwendungen verwendet, die den direkten piezoelektrischen Effekt oder den inversen piezoelektrischen Effekt nutzen.
  • Zum Beispiel können piezoelektrische Baugruppen in Vorrichtungen zur Energiegewinnung verwendet werden, wobei elektrische Energie durch eine Verformung eines piezoelektrischen aktiven Materials oder einer piezoelektrischen Schicht erzeugt wird. Außerdem können piezoelektrische Baugruppen in haptischen Detektoren angewandt werden, in denen ein elektrisches Signal bei einem haptischen Kontakt erzeugt wird. Andere Beispiele sind mikromechanische Anwendungen oder Mikromotoren, bei denen Arbeit durch Anlegen einer Spannung an ein piezoelektrisches Element verrichtet wird.
  • Aufgrund ihrer weitverbreiteten Anwendung besteht eine Nachfrage nach günstigen, jedoch leistungsstarken piezoelektrischen Vorrichtungen oder Baugruppen. Außerdem sollten die Baugruppen robust und kompatibel mit flexiblen Anwendungen sein.
  • Jedoch wird diese Anforderung durch piezoelektrische Baugruppen oder Schichten vor dieser Erfindung nicht zufriedenstellend erfüllt.
  • Die Herstellung kristalliner piezoaktiver Materialien, insbesondere piezoelektrischer Perowskit-Materialien aus Lösungen, ist in der Literatur ausführlich beschrieben. Zum Beispiel kann eine Beschreibung in US 4,946,710 A gefunden werden.
  • Piezoelektrische Perowskit-Filme werden typischerweise auf Siliciumwafersubstraten gebildet. Die Siliciumwafersubstrate sind zum einen teuer, da sie typischerweise aus einem einkristallinen Material gefertigt werden. Ferner sind Siliciumwafer zerbrechlich und können daher nur einen geringfügigen Grad einer Biegung aushalten.
  • Nichtsdestotrotz wurden piezoelektrische Schichten mit hohen piezoelektrischen Ansprechwerten auf Siliciumwafersubstraten hergestellt, wie zum Beispiel in der Nichtpatentliteratur 1 offenbart ist.
  • Zum Beispiel können piezoelektrische Hochleistungsfilme aus piezoelektrischen Blei-Zirconat-Titanat(PZT)-Dünnfilmen hergestellt werden. Diese PZT-Filme zeigen die stärkste piezoelektrische Reaktion entlang der (100)-Richtung der Perowskit-Kristalleinheitszelle. Dies bedeutet, dass der longitudinale piezoelektrische Effekt, der durch den d33-Wert repräsentiert wird, in den Filmen mit einer (100)-Kristallorientierung am stärksten ist.
  • Zum Beispiel muss für einen PZT-Film auf einer flachen Substratoberfläche ein hoher Orientierungsgrad der (100)-Richtung der PZT-Kristallite mit der Oberflächennormale erreicht werden, um eine starke piezoelektrische Reaktion zu erreichen.
  • Das Aufbringen einer Keimschicht auf dem Substrat unterhalb des PZT-Films ist ein üblicher Ansatz zum Bilden hochorientierter PZT-Filme. Die Keimschicht ist typischerweise ein Material, das bevorzugt mit einer definierten Orientierung in Abhängigkeit von Synthese- und Verarbeitungsparametern wächst. Diese definierte Orientierung kann als ein Templat für die darüber aufgewachsenen Schichten wirken. Typischerweise wurden Lantannickelat-, Strontiumruthenat-, Bleititanat- oder auch Titandioxidfilme aufgebracht, um orientierte PZT-Filme zu bilden.
  • Diese Keimschichten weisen die Eigenschaft auf, dass sie mit hoher Qualität und hoher bevorzugter Orientierung auf Siliciumsubstraten durch lösungsbasierte Techniken, wie etwa Sol-Gel-Abscheidung, produziert werden können.
  • Aufgrund der Nachteile von Siliciumwafersubstraten wurde eine Herstellung von piezoelektrischen Filmen basierend auf Perowskit-Materialien auf günstigen Metallsubstraten versucht, wobei es einige Beispiele in der Literatur gibt.
  • Zum Beispiel offenbart WO 2017/202652 A1 die Sol-Gelabgeleitete Herstellung einer transparenten piezoelektrischen Vorrichtung. Auf einem transparenten Substrat, zum Beispiel Glas oder Quarzglas, wird ein transparenter PZT-Film aufgebracht. Zwischen dem transparenten Substrat und der transparenten PZT-Schicht ist eine dünne und transparente Nukleationsschicht angeordnet, die aus Metalloxiden, zum Beispiel TiO2, ZrO2, Al2O3 oder dergleichen, besteht. Obwohl der entsprechend offenbarte PZT-Film kristallin ist, wurden keine piezoelektrischen Eigenschaften für die günstigen Substrate berichtet. Nur die ferroelektrischen Charakteristiken der Vorrichtung und geringe dielektrische Verluste wurden berichtet.
  • Zum Beispiel offenbart EP 1 282 901 B1 die Sol-Gelabgeleitete Herstellung eines PZT-Films auf verschiedenen Metallfolien, zum Beispiel Messing, Platin, Titan und rostfreiem Stahl. Die Aufbringung einer Barriereschicht zwischen dem Substrat und dem PZT-Film wird berichtet. Obwohl der entsprechend offenbarte PZT-Film kristallin ist, wurden keine piezoelektrischen Eigenschaften für das günstige rostfreie Stahl-Substrat berichtet. Nur eine niedrige dielektrische Permittivität von weniger als 150 bei einer DC-Feldstärke von Null wurde berichtet.
  • Zum Beispiel offenbart WO 2020/084066 A1 die Tintenstrahldruck-abgeleitete Herstellung eines piezoelektrischen Films, der zum Beispiel aus PZT, PLZT, LNO oder dergleichen besteht. Ein PZT-Film wird auf ein Edelmetallsubstrat, zum Beispiel Pt, Au, Pd oder dergleichen gedruckt, oder auf ein Substrat, das mit Edelmetallen beschichtet ist, wie zum Beispiel platiniertes Silicium, Glas oder platinierter Stahl. Um eine unerwünschte Ausbreitung der Piezoelektrischer-Film-Druckfarbe aufgrund einer extremen Benetzung auf der Edelmetalloberfläche des Substrats zu vermeiden, wird eine SAM-Schicht, die aus einem organischen Thiol, zum Beispiel 1-Dodecanthiol, besteht, zwischen der Edelmetallsubstratoberfläche und dem gedruckten piezoelektrischen Film aufgebracht. Die SAM-Schicht ist in der finalen Vorrichtung nach einer Wärmebehandlung nicht mehr vorhanden und soll auch den piezoelektrischen Film überhaupt nicht beeinflussen. Obwohl der offenbarte PZT-Film kristallin ist, wurden keine piezoelektrischen Eigenschaften berichtet.
  • Nichtpatentliteratur 2 beschreibt die Bildung eines PZT-Dünnfilms auf einer Nickel-Chrom-basierten austenitischen Stahlfolie, wobei eine Lanthannickelatoxidpufferschicht aufgebracht ist. Jedoch weist der PZT-Film eine gemischte kristallografische Orientierung auf.
  • Nicht-Patentliteratur 3 beschreibt die Bildung von PZT-Filmen auf einem mit Hafniumoxid beschichteten Nickelsubstrat mit einer bevorzugten (100)-Orientierung. Der hohe Orientierungsgrad wird durch einen auch hochorientierten Lanthanannickelatfilm erreicht, der vor einer PZT-FilmBildung auf dem mit Hafniumoxid beschichteten Substrat abgeschieden wird.
  • Trotz dieser Ansätze war kein Ansatz bekannt, bei dem ein piezoelektrisches Perowskit-Material mit hoher Orientierung auf einem günstigen Metallsubstrat mit einer Keimschicht mit Perowskit-Struktur als Templat ohne zusätzliche weitere Hilfsschichten oder -strukturen gebildet wird.
  • Ferner sind unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten piezoelektrischer Perowskit-Filme und des Substrats ein Problem, das auch in dem Fall günstiger Metallsubstrate relevant ist.
  • Während der Herstellung piezoelektrischer File kann dieser Unterschied des Wärmeausdehnungskoeffizienten hohe mechanische Spannungen in dem piezoelektrischen Film verursachen, die schließlich zu einem Brechen des Films führen können oder die die piezoelektrischen Eigenschaften aufgrund eines Klemmeffekts des Substrats zumindest mindern können.
  • In diesem Zusammenhang offenbart Nichtpatentliteratur 4 die Bildung eines porösen PZT-Films auf einem Siliciumsubstrat, was zu einer Spannungsentkopplung aufgrund einer lokalen elastischen Relaxation der Filmspannung führt.
  • Jedoch wurde kein Bericht über die Verwendung poröser Strukturen auf günstigen Metallsubstraten vor dieser Anmeldung berichtet.
  • Nichtpatentliteratur:
    • Nichtpatentliteratur 1: Davide Balma, Andrea Mazzalai, Nachiappan Chidambaram, Cosmin S. Sandu, Antonia Neels, Alex Dommann, Peter Hess, Dieter Binz, Paul Muralt; High Piezoelectric Longitudinal Coefficients in Sol-gel PZT Thin Film Multilayers. Journal of the American Ceramic Society; 2014; Band 97; Seiten 2069-2075.
    • Nichtpatentliteratur 2: Sung Sik Won, Hosung Seo, Masami Kawahara, Sebastjan Glinsek, Jinkee Lee, Yunseok Kim, Chang Kyu Jeong, Angus I. Kingon, Seung-Hyun Kim; Flexible vibrational energy harvesting devices using strain-engineered perovskite piezoelectric thin films; Nano Energy; 2019; Band 55; Seiten 182-192.
    • Nichtpatentliteratur 3: Hong Goo Yeo, Susan Trolier-McKinstry; {001} Oriented piezoelectric films prepared by chemical solution deposition on Ni foils; Journal of Applied Physics; 2014; Band 116; Seite 014105.
    • Nichtpatentliteratur 4: Aleksander Matavž, Andraž Bradeško, Tadej Rojac, Barbara Malič, Vid Bobnar; Selfassembled porous ferroelectric thin films with a greatly enhanced piezoelectric response; Applied Materials Today; 2019; Band 16; Seiten 83-89.
  • Die oben angesprochenen Probleme werden durch den Gegenstand aus Anspruch 1 der vorliegenden Anmeldung gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Außerdem wird ein Prozess zum Bilden einer piezoelektrischen Baugruppe beansprucht, die die oben angesprochenen Probleme löst.
  • Als ein erster Aspekt wird eine piezoelektrische Baugruppe bereitgestellt, die ein Nichtedelmetallsubstrat umfasst, das eine Hauptsubstratoberfläche (21) umfasst. Eine erste orientierte Schicht ist auf der Hauptsubstratoberfläche angeordnet, wobei die erste orientierte Schicht ein erstes Material mit einer kristallinen Perowskit-Struktur umfasst, das wenigstens 90 Gew.-% der ersten orientierten Schicht ausmacht. Ferner ist eine erste piezoelektrische Schicht auf der ersten orientierten Schicht angeordnet, wobei die erste piezoelektrische Schicht ein piezoelektrisches Material von kristalliner Perowskit-Struktur umfasst, das Blei aufweist, und das piezoelektrische Material weist einen größeren longitudinalen piezoelektrischen Koeffizienten (d33) entlang der (100)-Richtung als das erste Material der ersten orientierten Schicht auf. Ein Orientierungsgrad o der kristallinen Perowskit-Struktur der ersten piezoelektrischen Schicht beträgt 90 % oder mehr. Der Orientierungsgrad o ist der durchschnittliche Ausrichtungsgrad der (100)-Richtung der Einheitszellen des kristallinen piezoelektrischen Materials mit der lokalen Oberflächennormale N der Hauptsubstratoberfläche.
  • Diese Baugruppe stellt einen piezoelektrischen Hochleistungsfilm basierend auf einem Perowskit-Material, das Blei umfasst, auf einem günstigen Nichtedelmetallmetallsubstrat bereit. Typischerweise weisen diese Substrate keine bevorzugte Kristallorientierung auf, d. h. sie können polykristallin oder amorph sein. Das Substrat kann zum Beispiel eine Folie oder ein Plättchen aus dem Material sein.
  • Diese biegbaren oder flexiblen Substrate ermöglichen die Herstellung von biegbaren oder flexiblen piezoelektrischen Baugruppen, die zum Beispiel eine Biegung von bis zu 90° bei einer Länge von 20 mm aushalten können.
  • Das Substrat dieser Baugruppe kann als eine erste Elektrode wirken, typischerweise zusammen mit der orientierten Schicht, die leitend sein kann.
  • Bevorzugt macht das erste Material mit kristalliner Perowskit-Struktur wenigstens 95 Gew.-% der ersten orientierten Schicht aus, bevorzugter 99 Gew.-% und idealerweise besteht die erste orientierte Schicht vollständig aus dem ersten Material.
  • Typischerweise trägt die erste orientierte Schicht nicht wesentlich zu der gesamten piezoelektrischen Reaktion des Substrats bei. Zum Beispiel kann die erste orientierte Schicht piezoelektrisch inaktiv sein.
  • Jedoch kann die erste orientierte Schicht eine Keimschicht in dem Fertigungsprozess der Vorrichtung sein. Als eine Keimschicht, die aus einem Perowskit-Material besteht, kann die erste orientierte Schicht als ein Templat wirken, die ihre Orientierung auf die darüber angeordnete erste piezoelektrische Schicht transferiert. Zum Beispiel kann die erste orientierte Schicht mit einer bevorzugten (100)-Orientierung des Perowskit-Materials aufgewachsen werden, die auf die erste piezoelektrische Schicht transferiert wird.
  • Dementsprechend kann das Einbringen der ersten orientierten Schicht die piezoelektrische Reaktion der piezoelektrischen Baugruppe durch Ausrichten des piezoelektrischen Materials mit kristalliner Perowskit-Struktur der ersten piezoelektrischen Schicht verstärken.
  • Weiterhin kann die erste orientierte Schicht als eine Pufferschicht wirken, die eine Vermischung von Ionen oder chemische Reaktionen zwischen dem Substrat und der ersten piezoelektrischen Schicht verhindert. Dadurch kann eine Verschlechterung der piezoelektrischen Schicht aufgrund einer chemischen Veränderung während Erwärmungsprozessen, wie etwa Tempern, verhindert werden.
  • Hier und nachfolgend ist der Orientierungsgrad als eine durchschnittliche Ausrichtung der (100)-Richtung von Perowskit-Kristalliten der ersten piezoelektrischen Schicht entlang der lokalen Oberflächennormale N der Hauptsubstratoberfläche definiert. Die lokale Oberflächennormale N ist die Oberflächennormale einer Tangentialebene der Hauptsubstratoberfläche an einem gewissen Punkt der Hauptsubstratoberfläche.
  • In einer Ausführungsform weist das Substrat der piezoelektrischen Baugruppe eine zweite Oberfläche gegenüber der Hauptsubstratoberfläche auf und eine geschichtete Struktur, die eine piezoelektrische Schicht auf einer orientierten Schicht umfasst, ist auf der zweiten Substratoberfläche in Analogie zu der ersten piezoelektrischen Schicht auf der ersten orientierten Schicht angeordnet, die auf der Hauptsubstratoberfläche angeordnet ist.
  • Dies bedeutet, in einem Fall indem das Substrat ein flacher Film oder ein flaches Plättchen ist, dass eine symmetrische Struktur gebildet ist, wobei die Spiegelebene in der Mitte zwischen der Haupt- und zweiten Substratoberfläche liegt.
  • Falls das Substrat nicht flach ist, wird eine Symmetrie typischerweise entlang der Richtung der lokalen Oberflächennormalen N der Hauptsubstratoberfläche beibehalten.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform der piezoelektrischen Baugruppe ist eine zweite orientierte Schicht, die das gleiche erste Material der kristallinen Perowskit-Struktur wie die erste orientierte Schicht umfasst, oberhalb der ersten piezoelektrischen Schicht angeordnet. Ferner ist bei dieser Ausführungsform eine zweite piezoelektrische Schicht auf der zweiten orientierten Schicht angeordnet, wobei die zweite piezoelektrische Schicht das gleiche piezoelektrische Material mit dem gleichen Orientierungsgrad o von 90 % oder mehr wie die erste piezoelektrische Schicht umfasst.
  • Dies bedeutet, dass die zweite piezoelektrische Schicht identisch mit der ersten piezoelektrischen Schicht sein kann. Typischerweise weist auch die zweite piezoelektrische Schicht einen Orientierungsgrad o von wenigstens 90 % auf.
  • Das Anordnen weiterer piezoelektrischer Schichten auf dem Substrat, entweder auf einer zweiten Oberfläche oder oberhalb einer ersten piezoelektrischen Schicht, weist den Vorteil auf, dass die gesamte piezoelektrische Stärke der Baugruppe erhöht werden kann, ohne die Dicke der einzelnen piezoelektrischen Schicht zu sehr zu erhöhen. Vergleichsweise dicke piezoelektrische Schichten neigen dazu, sich während eines inversen piezoelektrischen Effekts oder eines direkten piezoelektrischen Effekts stark zu verformen.
  • Die Separation von Schichten aus piezoelektrischem Material durch nicht piezoelektrisch aktive Schichten, in diesem Fall die orientierten Schichten, kann dabei helfen, diese starke Gesamtverformung der Vorrichtung oder der piezoelektrischen Baugruppe zu verhindern.
  • Bei einer solchen Struktur kann die zweite orientierte Schicht als eine interne Elektrode dienen, falls die erste orientierte Schicht elektrische leitfähig ist.
  • Im Prinzip kann zusätzlich eine weitere Metallelektrodenschicht auch zwischen der ersten piezoelektrischen Schicht und der zweiten orientierten Schicht angeordnet sein.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform der piezoelektrischen Baugruppe umfasst die erste orientierte Schicht eine poröse orientierte Subschicht, die eine poröse Struktur mit einer relativen Porosität von bis zu 70 % aufweist.
  • Porosität kann derart verstanden werden, dass die poröse orientierte Subschicht das erste Material und Poren umfasst und der Volumenanteil der Poren in der porösen orientierten Subschicht bis zu 70 % betragen kann, was bedeutet, dass bis zu 70 % des Volumens der orientierten Schicht aus Poren bestehen kann. Dementsprechend kann diese Definition analog zu der Definition der relativen Dichte für ein Volumenmaterial (Bulk-Material) betrachtet werden. Zum Beispiel kann die Keimschicht bevorzugt eine Porosität von bis zu 50 % aufweisen.
  • Im Prinzip kann die gesamte erste orientierte Schicht aus der porösen orientierten Subschicht bestehen.
  • Durch die poröse orientierte Subschicht kann eine Druckspannung oder Zugspannung, die aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der ersten piezoelektrischen Schicht und des Substrats auftritt, kompensiert werden. Dementsprechend kann eine Verschlechterung des piezoelektrischen Effekts aufgrund eines Substratklemmeffekts reduziert werden.
  • Dies bedeutet, dass die orientierte Schicht einen Templat-, Puffer- und Spannungsminderungseffekt haben kann.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform der piezoelektrischen Baugruppe umfasst die erste orientierte Schicht wenigstens eine dichte orientierte Subschicht neben der porösen orientierten Subschicht. Bei dieser Ausführungsform weist die poröse Subschicht eine wenigstens zweimal höhere Konzentration an Poren auf als die dichte orientierte Schicht.
  • In einer solchen Konfiguration kann die dichte orientierte Subschicht als ein effizienter Puffer wirken, der eine Ioneninterdiffusion zwischen dem Substrat und der ersten piezoelektrischen Schicht aufgrund ihrer dichten Morphologie verhindert.
  • Die poröse orientierte Subschicht kann die spannungsmindernde Funktion bereitstellen.
  • Typischerweise weist auch die dichte orientierte Subschicht nicht notwendigerweise eine Dichte von 100 % auf, was ein Ergebnis der Herstellungsprozedur basierend auf Abscheidungstechniken aus der Lösung sein kann. Jedoch ist die Dichte der dichten orientierten Subschicht typischerweise wenigstens zweimal höher als die Dichte der porösen orientierten Subschicht.
  • In einer weiteren Ausführungsform der piezoelektrischen Baugruppe ist wenigstens eine dichte orientierte Subschicht direkt auf der Hauptsubstratoberfläche angeordnet und ist die poröse orientierte Subschicht auf der dichten orientierten Subschicht angeordnet.
  • Das Platzieren der dichten orientierten Subschicht direkt auf der Hauptsubstratoberfläche kann eine Diffusion von Ionen von dem Substrat direkt an der Hauptsubstratoberfläche verhindern. Dementsprechend kann das Puffern effizient sein.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist eine weitere dichte orientierte Subschicht auf der porösen orientierten Subschicht angeordnet.
  • Dies bedeutet, dass die poröse orientierte Subschicht sandwichartig zwischen zwei dichten orientierten Subschichten eingeschlossen sein kann.
  • Dies kann den zusätzlichen Vorteil bringen, dass sich eine dichte, geschlossene Oberfläche in direktem Kontakt mit der ersten piezoelektrischen Schicht befindet. Dadurch kann die dichte orientierte Subschicht als ein effizientes Templat für die erste piezoelektrische Schicht wirken.
  • Falls eine Baugruppe mehr als eine orientierte Schicht umfasst, können diese zusätzlichen orientierten Schichten analog zu der ersten orientierten Schicht strukturiert sein.
  • In einer Ausführungsform der piezoelektrischen Baugruppe beträgt die durchschnittliche Porengröße der porösen orientierten Subschicht 100 nm oder weniger.
  • Porengrößen unterhalb von 100 nm ermöglichen, dass geschlossene Schichten auf der porösen orientierten Subschicht hergestellt werden können.
  • Bevorzugt kann die durchschnittliche Porengröße zwischen 1 nm und 20 nm liegen. In diesem Fall kann die Herstellung geschlossener und kompakter Schichten oberhalb der porösen und orientierten Subschicht effizienter sein.
  • In einer weiteren Ausführungsform der piezoelektrischen Baugruppe ist das erste Material aus der Gruppe ausgewählt, die aus Lanthannickelat (LaNiO3), Strontiumruthenat (SrRuO3) und Bleititanat (PbTiO3) besteht.
  • Diese Materialien können mit einem hohen Orientierungsgrad hergestellt werden, abhängig zum Beispiel von der Konzentration von Beschichtungslösungen oder Verarbeitungsparametern während Fertigungsverfahren basierend auf einer chemischen Abscheidung aus der Lösung. Dementsprechend können diese Materialien effizient als ein Templat wirken.
  • Diese Materialien erlauben die Herstellung sowohl dichter als auch poröser orientierter Subschichten. Ferner puffern sie effizient zwischen dem Substrat und der ersten piezoelektrischen Schicht. Außerdem ermöglichen sie ein effizientes Templatieren bevorzugter Orientierungen, insbesondere der (100)-Orientierungen für das piezoelektrische Material.
  • Von diesen Hauptkomponenten wird Lanthannickelat (LaNiO3) besonders bevorzugt.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform der piezoelektrischen Baugruppe weist das erste Material der ersten orientierten Schicht wenigstens den gleichen Orientierungsgrad o von 90 % oder mehr wie die kristalline Perowskit-Struktur der ersten piezoelektrischen Schicht auf.
  • Mit einem Orientierungsgrad o von mehr als 90 % kann die erste orientierte Schicht ein effizientes Templat sein, die ein Wachstum der Kristallite der piezoelektrischen Schicht in der (100)-Richtung fördern kann, was in dem piezoelektrischen Material mit einem (100)-Orientierungsgrad o von 90 % oder mehr in der ersten piezoelektrischen Schicht resultiert.
  • Noch bevorzugter ist ein Orientierungsgrad des ersten Materials der ersten orientierten Schicht 95 % oder darüber oder noch besser 99 % oder darüber.
  • In dem Fall einer mehrschichtigen orientierten Schicht weisen typischerweise alle Subschichten jeweils einen Orientierungsgrad o von 90 % oder mehr auf.
  • In einer weiteren Ausführungsform der piezoelektrischen Baugruppe weist die erste orientierte Schicht eine Dicke von 10 nm bis 500 nm auf.
  • Innerhalb dieses Dickenbereichs kann die erste orientierte Schicht als ein effizienter Puffer zwischen der piezoelektrischen Schicht und dem Substrat wirken. Für dünnere Filme, insbesondere für poröse dünnere orientierte Schichten, ist das Puffern möglicherweise nicht effizient.
  • Ferner können Filme dieser Dicke mit einem höheren Orientierungsgrad o hergestellt werden und außerdem können Dicken in diesem Bereich effizienter durch Techniken basierend auf chemischer Abscheidung aus Lösung hergestellt werden.
  • Höhere Dicken können einen ausgedehnten Herstellungsaufwand erfordern, was ineffiziente Herstellungsprozesse verursachen kann. Außerdem kann ferner die Filmqualität für Filme mit Dicken oberhalb von 500 nm verschlechtert werden.
  • In einer weiteren Ausführungsform der piezoelektrischen Baugruppe ist das Substrat Titan (Ti), Aluminium (Al), Nickel (Ni), Kupfer (Cu) oder bevorzugt ein Stahl.
  • Diese Materialien sind günstig und erlauben eine Herstellung einer ersten orientierten Schicht.
  • Austenitische Stähle auf Nickel-Chrom-Basis werden besonders als Substratmaterialien bevorzugt, weil sie kristallin sind, günstig sind und Oxidation effizient widerstehen können, was beides während der Herstellung typischer Materialien der orientierten Schichten relevant sein kann, welche typischerweise in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre durchgeführt wird. Dies kann eine Anwendung in einer korrosiven Umgebung erlauben.
  • In diesem Sinne werden austenitische Stähle auf Nickel-Chrom-Basis insbesondere gegenüber nickel- oder kupferbasierten Materialien bevorzugt, die eine geringere Beständigkeit gegenüber Sauerstoff aufweisen.
  • Des Weiteren sind austenitische Stähle auf Nickel-Chrom-Basis auch besonders geeignet, da sie reversibel flexibel und biegbar sind.
  • In einer weiteren Ausführungsform der piezoelektrischen Baugruppe besteht die erste piezoelektrische Schicht ausschließlich aus dem piezoelektrischen Material, das durch [Pb1-yS1 y] [(ZrxTi1-x)1-zS2 z]O3 repräsentiert wird, wobei S1 ein erster Substituent ist und S2 ein zweiter Substituent ist. x wird zwischen 0,40 und 0,95 gewählt. y ist kleiner als 0,30 und z ist kleiner als 0,15. Bevorzugt ist y kleiner als 0,25.
  • Bei [Pb1-yS1 y] [(ZrxTi1-x)1-zS2 z]O3 besetzt der erste Substituent S1 einen Teil der A-Stellen der Perowskit-Einheitszelle (allgemeine Formel ABO3), wobei Blei teilweise ersetzt ist. Der zweite Substituent S2 belegt B-Stellen der Perowskit-Einheitszelle, wobei Zirconium- oder Titanionen teilweise ersetzt sind.
  • Zum Beispiel kann S1 eines oder mehrere aus einer Gruppe sein, die aus Na, K, Ag, Ba, La, Sr, Ca, Nd, Y, Eu, Gd, Tb und Dy besteht.
  • Zum Beispiel kann S2 eines oder mehrere aus einer Gruppe sein, die aus Cu, Ni, Co, Hf, Mg, Mn, Fe, Nb, V und W besteht.
  • Dotierte Bleititanatmaterialien sind besonders vorteilhafte piezoelektrische Perowskit-Materialien.
  • Insbesondere in der Nähe der morphotropen Phasengrenze zeigen diese Materialien den höchsten Wert für die dielektrische Konstante und die piezoelektrische Konstante, wie beispielsweise des longitudinalen piezoelektrischen Koeffizienten (d33), auf.
  • In Abhängigkeit von dem Substitutionsgrad und der Natur der Substituenten kann die morphotrope Phasengrenzen bei Raumtemperatur für x-Werte zwischen 0,45 und 0,6 gefunden werden, was ein bevorzugter Bereich ist.
  • Der Wert y kann bevorzugt unterhalb von 0,10 liegen, zum Beispiel unterhalb von 0,05 oder sogar 0,02 oder darunter. Besonders vorteilhafte Dotierungsstoffe sind Mangan, Niob oder Lanthan.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der piezoelektrischen Baugruppe kann die erste piezoelektrische Schicht eine Dicke von 0,1 µm bis 5 µm aufweisen.
  • Dieser Dickenbereich ist durch Techniken basierend auf chemischer Abscheidung aus Lösung zugänglich.
  • Als ein weiterer Aspekt ist eine Vorrichtung bereitgestellt, die die oben beschriebene piezoelektrische Baugruppe umfasst, wobei die piezoelektrische Baugruppe an einer Oberfläche der Vorrichtung angebracht ist und zum Erzeugen eines haptischen Signals an der Oberfläche ausgebildet ist.
  • Die beschriebene piezoelektrische Baugruppe kann vorteilhafterweise in Vorrichtungen zum Detektieren haptischer Signale angewandt werden, dies kann zum Beispiel eine Anwendung im Bereich Touch Screens sein.
  • Als ein weiterer Aspekt wird eine Vorrichtung bereitgestellt, die die wie oben beschriebene piezoelektrische Baugruppe umfasst und die auch ein Energiespeicherungselement enthält, wobei die piezoelektrische Baugruppe zum gewinnen elektrischer Energie ausgebildet ist, die in der piezoelektrischen Baugruppe während einer mechanischen Verformung der piezoelektrischen Baugruppe erzeugt wird, und wobei das Energiespeicherungselement zum Speichern der elektrischen Energie ausgebildet ist, die durch die piezoelektrische Baugruppe gewonnen wird.
  • Ein weiterer Aspekt eines Mikrospiegels, der die wie oben beschriebene piezoelektrische Baugruppe umfasst, ist beschrieben. Dieser Mikrospiegel umfasst eine Spiegeloberfläche. Die Spiegeloberfläche kann eine verspiegelte Oberfläche der piezoelektrischen Baugruppe sein. In einer anderen Ausführungsform wird ein Spiegel mit einer Spiegeloberfläche und einer hinteren Oberfläche gegenüber dieser Spiegeloberfläche bereitgestellt und die piezoelektrische Baugruppe wird an der hinteren Oberfläche angebracht. In beiden Fällen ist die piezoelektrische Baugruppe zum Biegen des Mikrospiegels beim Anlegen einer Spannung an die piezoelektrische Baugruppe ausgebildet.
  • Insbesondere ist bei einer solchen Anwendung eine flexible biegbare piezoelektrische Baugruppe vorteilhaft, weil sie zusammen mit dem biegbaren Spiegel gebogen wird. Dementsprechend ist es möglich, Licht mit einem solchen Mikrospiegelaufbau mit der hohen Genauigkeit piezoelektrischer Vorrichtungen zu fokussieren oder zu defokussieren.
  • Als ein anderer Aspekt wird ein Prozesses zum Bilden der oben beschriebenen piezoelektrischen Baugruppe bereitgestellt. Der Prozess umfasst das Bereitstellen eines Nichtedelmetallsubstrats, das eine Hauptsubstratoberfläche aufweist. Ferner umfasst dieser Prozess das Bilden einer ersten Keimschicht, die ein erstes Material aus einer kristallinen Perowskit-Struktur, die durch die allgemeine Formel ABO3 repräsentiert wird, auf der Hauptoberfläche umfasst, einschließlich der Schritte des Abscheidens einer ersten Keimschichtlösung, die Ionen von A und B aufweist, auf der Hauptsubstratoberfläche und des Kristallisierens der Perowskit-Struktur durch eine erste Temperprozedur. Ferner umfasst der Prozess das Bilden einer ersten piezoelektrischen Schicht, die ein piezoelektrisches Material einer kristallinen Perowskit-Struktur umfasst, das Blei umfasst, einschließlich der Schritte des Abscheidens einer Piezoelektrische-Schicht-Lösung, die Bleiionen und ferner Ionen des piezoelektrischen Materials umfasst, und Kristallisierens der Perowskit-Struktur, die Blei umfasst, durch eine zweite Temperprozedur.
  • Zum Beispiel kann Lanthannickelat das erste Material sein. In diesem Fall ist A La und B ist Ni in der ABO3-Kristallstruktur.
  • Solche Techniken basierend auf einer chemische Abscheidung aus der Lösung sind einfach anzuwendende und kosteneffiziente Bildungsverfahren für Perowskit-Schichten, sowohl für Keimschichten als auch piezoelektrische Schichten.
  • Typischerweise können die einzelnen Bildungsprozeduren zum Beispiel der Keimschicht einige Abscheidungsschritte umfassen. Zum Beispiel kann wiederholtes Abscheiden und Tempern der dünnen Subschichten enthalten sein, die zusammen eine kristalline erste Perowskit-Keimschicht bilden. Das gleiche gilt im Prinzip für die piezoelektrische Schicht.
  • Typischerweise kann die Herstellung der ersten Keimschicht und der ersten piezoelektrischen Schicht ferner Trocknungs- und Pyrolyseschritte umfassen.
  • Die Keimschicht kann mit einem hohen Orientierungsgrad o von 90 % oder mehr hergestellt werden. Dementsprechend kann die orientierte Keimschicht durch Herstellen der ersten piezoelektrischen Schicht auf der ersten Keimschicht eine Kristallisation der Perowskit-Kristallite in der (100)-Richtung fördern.
  • Nach Fertigstellung der piezoelektrischen Baugruppe unter einschließen dieses Prozesses kann die erste Keimschicht als die erste orientierte Schicht identifiziert werden.
  • Als eine Ausführungsform des Prozesses zum Bilden einer piezoelektrischen Baugruppe kann die erste Keimschicht als eine geschichtete Struktur hergestellt werden. Dies kann die Schritte des Abscheidens einer ersten Keimschichtlösung, die Ionen von A und B umfasst, und anschließendes Bilden einer dichten Keimsubschicht, umfassend eine erste Pyrolyseprozedur, beinhalten. Die erste Pyrolyseprozedur kann durch eine erste Pyrolysetemperatur T1 und eine erste Haltezeit t1 auf der ersten Pyrolysetemperatur T1 gekennzeichnet werden. Ferner umfasst die Prozedur das Abscheiden einer zweiten Keimschichtlösung, die Ionen von A und B umfasst, und Bilden einer porösen Keimsubschicht durch eine zweite Pyrolyseprozedur. Die zweite Pyrolyseprozedur ist durch eine zweite Pyrolysetemperatur T2 und eine zweite Haltezeit t2 auf der zweiten Pyrolysetemperatur T2 gekennzeichnet.
  • Dies bedeutet, dass eine erste Keimschicht als eine geschichtete Struktur hergestellt wird und die geschichtete Struktur eine dichte Keimsubschicht und eine poröse Keimsubschicht umfasst. Die dichte Keimsubschicht kann durch Abscheiden der ersten Keimschichtlösung direkt auf der Hauptsubstratoberfläche hergestellt werden. Dies bedeutet, dass die dichte Keimsubschicht direkt auf der Substratoberfläche hergestellt wird. In diesem Fall kann die poröse Keimsubschicht dann auf der dichten Keimsubschicht hergestellt werden.
  • Jedoch kann die Reihenfolge im Prinzip umgekehrt werden und die poröse Keimsubschicht kann in direktem Kontakt mit der Hauptsubstratoberfläche hergestellt werden.
  • Des Weiteren kann angemerkt werden, dass typischerweise die Pyrolyseprozedur vor der Temperprozedur angewandt wird. Zum Beispiel werden organische Komponenten, die in den Keimschichtlösungen vorhanden sind, zumindest teilweise durch die Pyrolyseprozedur entfernt. Dementsprechend kann eine amorphe vorläufige Keimschicht gebildet werden. Während des Temperns kann das Material kristallisieren und es kann eine kristalline Keimsubschicht gebildet werden.
  • Als ein weiterer Aspekt des Prozesses zum Bilden einer piezoelektrischen Baugruppe können die folgenden Beziehungen definiert werden: T2 ist kleiner als T1 und/oder t2 ist kleiner als t1.
  • Falls die zweite Pyrolysetemperatur T2 niedriger als die erste Pyrolysetemperatur T1 ist, werden organische Komponenten, die typischerweise in der zweiten Keimschichtlösung vorhanden sein können, tendenziell nicht vollständig zersetzt und vollständig aus der sich bildenden Schicht entfernt. Dementsprechend können teilweise feste, aber hauptsächlich gasförmige Überreste bewirken, dass die poröse Keimschicht eine höhere Porosität als die dichte Keimsubschicht aufweist.
  • Eine kürzere Pyrolysehaltetemperatur t2 als t1 kann einen ähnlichen Effekt haben. Nur ein kurzes Flashen für eine Haltezeit t2 auf der zweiten Pyrolysetemperatur T2 resultiert in einer weniger effizienten Abführung und Entfernung von Überresten und Zersetzungsprodukten organischer Komponenten als bei einer vergleichsweise längeren ersten Haltezeit t1.
  • Falls t2<t1 gilt, können T1 und T2 gleich sein, was ein weniger aufwändiges Prozessmanagement begünstigt als in einem Fall, in dem T1 und T2 auf unterschiedliche Werte eingestellt werden.
  • Falls sowohl T2<T1 als auch t2<t1 gelten, können sich die Effekte ergänzen und es kann die Porosität der porösen Keimsubschicht im Vergleich zu der dichten Keimsubschicht erhöht werden.
  • Sowohl die dichte als auch die poröse Keimsubschicht können durch wiederholte Abscheidungs-, Trocknungs-, Pyrolyse- und Temperzyklen gebildet werden, um eine gewünschte Dicke einer Subschicht oder der gesamten ersten Keimschicht zu erreichen.
  • In einer weiteren Ausführungsform des Prozesses zum Bilden einer piezoelektrischen Baugruppe kann die zweite Keimschichtlösung ein Polymer umfassen. Ferner kann die zweite Pyrolyseprozedur derart ausgeführt werden, dass das Polymer nicht vollständig zersetzt und abgeführt wird.
  • Typischerweise kann ein Polymer als eine organische Komponente betrachtet werden, welches schwerer zersetzbar ist als kleinere organische Moleküle, die in einer Keimschichtlösung vorhanden sind.
  • Dieser Ansatz ermöglicht die Bildung einer porösen Keimsubschicht, selbst wenn die erste Pyrolyseprozedur und die zweite Temperprozedur identisch sind.
  • Zwei Effekte können für die Bildung von Poren verantwortlich sein, wenn eine poröse Keimsubschicht aus einer polymerhaltigen zweiten Keimschichtlösung gebildet wird. Erstens füllt das Polymer zuvor einen Raum, der nach der Pyrolyse und dem Tempern zu einer Pore wird. Zweitens, und wahrscheinlich relevanter, können während der zweiten Temperprozedur gasförmige Zersetzungsprodukte aus dem Polymer gebildet werden, die in der sich bildenden porösen Keimsubschicht eingefangen werden, und dementsprechend können Poren gebildet werden.
  • Typischerweise unterstützt das Verwenden einer polymerhaltigen Lösung die Bildung einer porösen Keimsubschicht mit höherer Porosität als für einem Fall ohne Polymer.
  • Jedoch kann, wenn zusätzlich T2<T1 und/oder t2<t1 der Fall ist, eine noch höhere Porosität erreicht werden.
  • Allgemein können, falls die zweite Pyrolysetemperatur zu hoch war und/oder die zweite Haltezeit zu lang war, eine vollständige Zersetzung und Abführung des Polymers stattfinden, was typischerweise die Bildung von Poren unterdrückt.
  • In einer Ausführungsform des Prozesses zum Bilden einer piezoelektrischen Baugruppe wird wenigstens die erste Keimschichtlösung oder die Piezoelektrische-Schicht-Lösung in einem Rotationsbeschichtungsverfahren(spin-coating) abgeschieden.
  • Rotationsbeschichtungsverfahren sind routinemäßig angewandte Techniken, durch die verschiedene Substrate auf einfache Weise mit Perowskit-Filmen beschichtet werden können. Sie erlauben die Einstellung der Dicke einer abgeschiedenen Schicht oder einer Subschicht durch die Rotationsgeschwindigkeit. Dadurch können sehr homogene und hochorientierte Perowskit-Filme gebildet werden.
  • Gemäß einem anderen Aspekt des Prozesses zum Bilden einer piezoelektrischen Baugruppe wird wenigstens die erste Keimschichtlösung oder die Piezoelektrische-Schicht-Lösung durch ein Druckverfahren, wie etwa Tintenstrahldruck, abgeschieden.
  • Da Druckverfahren räumlich definiert sind, ist eine akkurate Abscheidung der oben beschriebenen Lösungen möglich. Dadurch können Strukturen oder strukturierte Filme in großem Maßstab produziert werden.
  • Nachfolgend wird die Erfindung ausführlicher auf Basis von Ausführungsbeispielen und der assoziierten Figuren erklärt.
  • Die Figuren dienen lediglich dem Verdeutlichen der Erfindung und sind daher nur schematisch und nicht auf eine maßstabsgetreue Weise veranschaulicht. Einzelne Teile können auf eine vergrößerte Weise oder auf eine bezüglich der Abmessungen verzerrte Weise dargestellt sein. Daher können weder absolute noch relative Abmessungsspezifikationen aus den Figuren entnommen werden. Identische oder identisch wirkende Teile sind mit identischen Bezugszeichen versehen.
  • In den Figuren:
    • 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer piezoelektrischen Baugruppe in einem schematischen Querschnitt;
    • 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer piezoelektrischen Baugruppe in einem schematischen Querschnitt;
    • 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel einer piezoelektrischen Baugruppe in einem schematischen Querschnitt;
    • 4 zeigt ein Rasterelektronenmikroskopbild eines Querschnitts eines Teils des dritten Ausführungsbeispiels einer piezoelektrischen Baugruppe;
    • 5 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel einer piezoelektrischen Baugruppe in einem schematischen Querschnitt;
    • 6 zeigt das vierte Ausführungsbeispiel einer piezoelektrischen Baugruppe in einem schematischen Querschnitt in einem gebogenen Zustand;
    • 7 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel einer piezoelektrischen Baugruppe in einem schematischen Querschnitt;
    • 8 zeigt ein sechstes Ausführungsbeispiel einer piezoelektrischen Baugruppe in einem schematischen Querschnitt;
    • 9 zeigt ein Röntgenbeugungsmuster einer piezoelektrischen Baugruppe auf einem 20 µm dicken Substrat und auf einem 500 µm dicken Substrat;
    • 10 zeigt die Abhängigkeit der elektrischen Polarisation von einem elektrischen Feld (10A) und den Realteil der dielektrischen Permittivität bei unterschiedlichen DC-Bias-Feldern (10B) für eine piezoelektrische Baugruppe mit einem 20 µm dicken Substrat aus rostfreiem Stahl; und
    • 11 zeigt die Abhängigkeit der relativen Dehnung (S) von einem elektrischen Feld für ein 500 µm dickes Substrat ( 11A) und ein 20 µm dickes Substrats (11C) und den longitudinalen piezoelektrischen Koeffizienten (d33) bei unterschiedlichen DC-Bias-Feldern für einen piezoelektrischen Film auf einem 500 µm (11B) und einem 20 µm (11D) dicken Substrat.
  • 1 zeigt einen schematischen Querschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels einer piezoelektrischen Baugruppe 1.
  • Die piezoelektrische Baugruppe 1 umfasst ein Substrat 2 aus austenitischem Stahl auf Nickel-Chrom-Basis. Das Substrat 2 kann zum Beispiel ein Stahl wie etwa EN 1.4310, EN 1.4404, EN 1.4541 oder EN 1.4845 sein. Diese Stähle weisen eine bevorzugte Oxidationsbeständigkeit auf. Das Substrat 2 umfasst eine Hauptsubstratoberfläche 21, die bevorzugt eine arithmetisch mittlere Abweichung der Oberflächenrauigkeit (Ra) von 200 nm oder weniger auf.
  • Eine erste orientierte Schicht 3 ist direkt auf der Hauptsubstratoberfläche 21 angeordnet. Die erste orientierte Schicht 3 umfasst Lanthannickelat (LaNiO3) als das erste Material der ersten orientierten Schicht 3. Die Perowskit-Kristallite des ersten Materials weisen einen Orientierungsgrad o von 90 % oder mehr, bevorzugt 95 % oder mehr und besonders bevorzugt 99 % oder mehr auf.
  • Wie in 1 angegeben, kann die Hauptsubstratoberfläche flach sein, weswegen die Richtung sämtlicher lokaler Oberflächennormalen die gleiche ist.
  • Je höher der Orientierungsgrad der das Templat bildenden ersten orientierten Schicht 3 ist, desto höher kann der Orientierungsgrad o einer piezoelektrischen Schicht 4 sein, die auf der ersten orientierten Schicht 3 angeordnet werden kann.
  • Die Gesamtdicke der ersten orientierten Schicht 3 kann in dem Bereich zwischen 10 nm und 500 nm liegen. Zum Beispiel kann die Dicke der orientierten Schicht in dem Bereich zwischen 100 und 200 nm liegen, zum Beispiel bei 150 nm.
  • Die piezoelektrische Schicht 4 besteht aus einem piezoelektrischen Material einer kristallinen Perowskit-Struktur. Das piezoelektrische Material dieses Ausführungsbeispiels ist ein Material auf Blei-Zirconat-Titanat-Basis, wie etwa zum Beispiel ein mit Lanthan dotiertes Blei-Zirconat-Titanat, wie etwa (La0,02Pb0,98) (Zr0,52Ti0,48)O3.
  • Das piezoelektrische Material der ersten piezoelektrischen Schicht 4 weist einen Orientierungsgrad o von 90 % oder mehr auf. Bevorzugter beträgt der Orientierungsgrad o des piezoelektrischen Materials der ersten piezoelektrischen Schicht 4 95 % oder mehr, besser 99 % oder mehr.
  • Je höher der Orientierungsgrad o ist, desto höher können die Werte für den longitudinalen piezoelektrischen Koeffizienten d33 der gesamten Schicht sein. Werte für d33 von bis zu 300 pm/V können mit einem Orientierungsgrad o in dem Beriech von 99 % erzielt werden.
  • Die Dicke der ersten piezoelektrischen Schicht kann zwischen 100 nm und 5 µm liegen, zum Beispiel kann die Dicke in dem Bereich zwischen 600 und 900 nm liegen.
  • Eine obere Elektrode 5 ist auf der ersten piezoelektrischen Schicht angeordnet. Die obere Elektrode 5 kann aus einem beliebigen geeigneten leitfähigen Material bestehen, zum Beispiel kann sie aus einem Metall oder einem leitfähigen Oxid oder einem keramischen Material bestehen. Zum Beispiel kann die obere Elektrode aus Kupfer, Nickel, Gold, Silber, Platin oder Lanthannickelat bestehen oder kann eine geschichtete Elektrode, wie etwa Cr/Ni/Ag, Cr/Ni/Au, Ni/Au, Cr/Au oder Ti/Au, sein.
  • Das Substrat 2 kann zusammen mit der leitenden ersten orientierten Schicht 3 bei einer externen elektrischen Kontaktiert als eine Basiselektrode wirken.
  • Das erste Ausführungsbeispiel einer piezoelektrischen Baugruppe 1 kann durch einen beliebigen geeigneten Prozess produziert werden. Es kann zum Beispiel durch den folgenden Prozess gebildet werden.
  • Zuerst wird das Substrat 2 aus austenitischem Stahl bereitgestellt. Die Hauptsubstratoberfläche 21 wird durch ein Ultraschallreinigungsverfahren in Aceton, Isopropanol und deionisiertem Wasser gereinigt. Diese wird unter Stickstofffluss getrocknet. Anschließend wird diese mit UV und Ozon behandelt, um organische Komponenten zu entfernen. Andere Reinigungsverfahren können angewandt werden. Es ist wichtig, eine nahezu atomar reine Oberfläche zu erzielen, die eine geeignete Benetzbarkeit durch die Keimschichtlösung aufweist.
  • Auf der Hauptsubstratoberfläche 21 wird dann die erste Keimschicht 3 vorbereitet, zum Beispiel durch ein Rotationsbeschichtungsverfahren (spin-coating) oder ein Siebdruckverfahren. In der fertig verarbeiteten Baugruppe kann die resultierende Schicht als die erste orientierte Schicht 3 identifiziert werden.
  • Die erste Keimschicht 3 kann durch eine wiederholte Abscheidungs-, Trocknungs-, Pyrolyse- und Temperprozedur gebildet werden.
  • Zum Beispiel kann eine Keimschicht mit eine Dicke von 150 nm wie folgt hergestellt werden: Zuerst werden Lanthanacetat und Nickelnitrat in 2-Ethoxyethanol gelöst, wobei eine Lösung von 0,5 mol/l bezüglich La- und Ni-Ionen gebildet wird. Die Mischung wird für 2 h bei 80 °C unter Rückfluss erwärmt, wobei eine klare Lösung erhalten wird. Nach Abkühlen zurück auf Raumtemperatur wird eine erste Keimschichtlösung mit einer Konzentration von 0,2 mol/l durch Hinzufügen von Lösungsmittel gebildet.
  • Um eine erste Keimschicht 3 mit einer Dicke von näherungsweise 150 nm zu bilden, kann eine sechsmal wiederholte Prozedur von Rotationsbeschichtung, Abscheidung, Trocknung, Pyrolyse und Tempern durchgeführt werden. Ein Herstellungszyklus umfasst Folgendes: Abscheidung der ersten Keimschichtlösung auf der Hauptsubstratoberfläche 21 in einem Rotationsbeschichtungsverfahren bei einer Rotationsgeschwindigkeit von 3000 rpm/s für 30 s. Anschließend wird das Lösungsmittel durch Trocknen bei etwa 100 °C bis 200 °C entfernt. Anschließend wird ein Pyrolyseschritt (erste Pyrolyseprozedur) durchgeführt, um andere organische Komponenten bei einer ersten Pyrolysetemperatur von 300 °C bis 450 °C zu entfernen. Eine erste Haltezeit auf der ersten Pyrolysetemperatur kann in dem Bereich von 0,1 min bis 10 min, typischerweise 0,5 min bis 5 min, liegen. Dadurch wird eine amorphe vorläufige Keimschicht gebildet. Anschließend wird der Film bei einer Temperatur von 600 bis 750 °C getempert, um ihn kristallisieren zu lassen. Die erste Temperaturerhöhungsrate beträgt typischerweise 10 K/s oder mehr, wie etwa zum Beispiel bevorzugt 30 K/s, da dies ein Wachstum der ersten Keimschicht in 100-Kristallorientierung fördert. Das Tempern kann in einem Stickstoff-Sauerstoff-Gemisch mit einem Stickstoff-zu-Sauerstoff-Verhältnis von 4:1 durchgeführt werden, um einen stöchiometrischen Sauerstoffanteil in der Keimschicht sicherzustellen.
  • Durch Anpassen der Anzahl an Abscheidungszyklen kann die Dicke der ersten Keimschicht 3 variiert werden.
  • Auf der entsprechend hergestellten hochorientierten Keimschicht 3 kann auch eine hochorientierte erste piezoelektrische Schicht 4 vorbereitet werden.
  • Die Herstellung der ersten piezoelektrischen Schicht 4 ist im Prinzip sehr ähnlich zu der Herstellung der ersten Keimschicht 3. Sie kann auch auf einer wiederholten Prozedur einer Abscheidung einer Piezoelektrische-Schicht-Lösung, Trocknung, Pyrolyse und Temperung basieren.
  • Die Piezoelektrische-Schicht-Lösung kann durch folgendermaßen hergestellt werden: Zuerst wird eine Lösung hergestellt, die die Ionen des piezoelektrischen Blei-Zirconat-Titanat-Materials umfasst. Zum Beispiel wird für ein piezoelektrisches Material der Zusammensetzung (La0,02Pb0,98) (Zr0,52Ti0,48)O3 eine Lösung aus Zirconium-n-propoxid (0,52 mol/l), Titanisopropoxid (0,48 mol/l), wasserfreiem Bleiacetat (1,127 mol/l) und wasserfreiem Lanthanacetat (0,02 mol/l) in 2-Methoxyethanol vorbereitet. In dieser Lösung ist das Blei in einem molaren Überschuss von 15 % in Bezug auf das gewünschte stöchiometrische Verhältnis in dem piezoelektrischen Material vorhanden, um die Bleiverluste während Erwärmungsschritten in der Herstellungsprozedur zu kompensieren. Eine klare Lösung wurde durch Erwärmen auf etwa 120 °C für 2 h unter Rückfluss und nach Destillation hergestellt. Eine Piezoelektrische-Schicht-Lösung von 0,5 mol/l in Bezug auf (La0,02Pb0,98) (Zr0,52Ti0,48)O3 mit einem molaren Überschuss von 15 % an Blei wurde durch Hinzufügen von Lösungsmittel hergestellt.
  • Die piezoelektrische Schicht kann in einer wiederholten Abscheidungs-, Trocknungs-, Pyrolyse- und Temperprozedur produziert werden. Zum Beispiel kann für eine Schichtdicke in der Größenordnung von 780 nm das folgende Schema angewandt werden: Zuerst wird die Piezoelektrische-Schicht-Lösung in einem Rotationsbeschichtungsverfahren mit einer Rotationsgeschwindigkeit von 3000 rpm/s abgeschieden, die für 30 s angewandt wird. Anschließend wird die abgeschiedene Lösung bei einer Temperatur zwischen 100 und 200 °C getrocknet. Dann wird ein Pyrolyseschritt bei Temperaturen zwischen 300 und 450 °C angewandt, um organische Komponenten zu entfernen. Dies produziert eine amorphe vorläufige piezoelektrische Subschicht. Die Prozedur bis zu diesem Punkt kann bis zu dreimal wiederholt werden. Dies bedeutet, dass drei amorphe partielle Schichten aufeinander angeordnet werden können. Anschließend wird eine Temperprozedur bei 500 bis 700 °C in einem Stickstoff-Sauerstoff-Gemisch mit einem Stickstoff-zu-Sauerstoff-Verhältnis von 4:1 für eine Temperzeit unterhalb von 15 Minuten durchgeführt. Zum Beispiel kann die Temperzeit 1 bis 5 Minuten sein. Diese Prozedur kann viermal wiederholt werden, was bedeutet, dass die gesamte erste piezoelektrische Schicht von 780 nm aus 12 vorläufigen Subschichten gebildet wird.
  • Durch Anpassen der Anzahl an Abscheidungszyklen kann die Dicke der ersten piezoelektrischen Schicht 4 variiert werden.
  • Die Außenelektrode 5 kann durch eine beliebige geeignete Technik, zum Beispiel Sputtern, abgeschieden werden oder eine Einbrenn-Prozedur kann angewandt werden.
  • 2 zeigt einen schematischen Querschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels der piezoelektrischen Baugruppe 1.
  • Das zweite Ausführungsbeispiel kann außer der ersten orientierten Schicht 3, die eine geschichtete Struktur aufweist, identisch mit dem ersten Ausführungsbeispiel sein.
  • Die erste orientierte Schicht 3 besteht aus einer dichten orientierten Subschicht 31 und einer porösen orientierten Subschicht 32. Beide bestehen aus dem gleichen ersten Material wie die erste orientierte Schicht 3 in dem ersten Ausführungsbeispiel.
  • Jedoch weist die dichte orientierte Subschicht 31 eine wenigstens zweimal höhere Dichte, mit anderen Worten eine zweimal geringere Porosität als die poröse orientierte Subschicht 32 auf.
  • Die poröse orientierte Subschicht 32 besteht aus einem porösen Material mit durchschnittlichen Porendurchmessern unterhalb von 100 nm und bevorzugt in dem Bereich zwischen 1 nm und 20 nm.
  • Diese Baugruppe weist den Vorteil auf, dass die dichte orientierte Subschicht 31, die direkt auf dem Substrat 2 aus austenitischem Stahl angeordnet ist, eine effiziente Pufferschicht sein kann, die eine Interdiffusion zwischen der ersten piezoelektrischen Schicht 4 und dem Substrat 2 verhindert.
  • Die poröse orientierte Subschicht 32 kann eine Spanungsrelaxation zwischen dem Substrat 2 und der ersten piezoelektrischen Schicht 4 bereitstellen. Dadurch kann der Substratklemmeffekt reduziert werden.
  • In einer solchen Baugruppe kann die relative Dehnung S des piezoelektrischen Materials 0,7 % überschreiten. Dies ist ein Wert, der mit piezoelektrischen Dünnfilmen vergleichbar ist, die auf teuren Siliciumwafersubstraten erreicht werden.
  • Die Herstellungsprozedur für das zweite Ausführungsbeispiel kann identisch mit der Prozedur für das erste Ausführungsbeispiel sein, jedoch mit Anpassungen für die erste Keimschicht 3.
  • Typischerweise kann eine dichte Keimsubschicht 31 durch die Abscheidungs-, Trocknungs-, Pyrolyse- und Temperprozedur vorbereitet werden, die für die Herstellung der gesamten ersten Keimschicht 3 des ersten Ausführungsbeispiels beschrieben ist. Diese Prozedur kann zum Beispiel dreimal wiederholt werden.
  • Für eine poröse Keimsubschicht 32 können zwei grundsätzliche Herstellungstechniken angewandt werden. Bei der ersten Option wird zuerst eine zweite Keimschichtlösung identisch zu der ersten Keimschichtlösung hergestellt, mit dem Ausnahme einer niedrigeren Konzentration in einem Bereich von 0,1 bis 0,15 mol/l bezüglich Ni- und La-Ionen. Die Abscheidung, Trocknung und das Tempern können identisch zu der Herstellung der dichten Keimsubschicht 31 sein. Für die poröse Subschicht 32 wird eine zweite Pyrolyseprozedur angewandt. Die zweite Pyrolyseprozedur ist durch eine zweite Pyrolysetemperatur T2 und eine zweite Haltezeit t2 gekennzeichnet. Um zu bewirken, dass eine Porosität der porösen Keimsubschicht 32 höher als die Porosität der dichten Keimsubschicht 31 ist, muss entweder die zweite Pyrolysetemperatur T2 kleiner als die erste Pyrolysetemperatur sein oder die zweite Haltezeit t2 wird kürzer gewählt als die erste Haltezeit. Falls zum Beispiel T1=T2 gilt, kann t2 unterhalb von 2 min, zum Beispiel 0,5 min, sein und kann t1 höher als 2 min, zum Beispiel 5 min, sein.
  • Diese Prozedur kann wiederholt werden, um eine gewünschte Dicke der porösen Keimsubschicht 32 zu erreichen.
  • Eine zweite Option zum Produzieren der porösen Keimsubschicht 32 basiert auf der Verwendung eines Polymers. Das Polymer kann zu der oben beschriebenen zweiten Keimschichtlösung hinzugefügt werden. Das Polymer kann zum Beispiel Polyvinylpyrrolidon sein, das in einer Menge von 1 g / 5 ml hinzugefügt werden kann. Die entsprechend hergestellte Lösung kann für 24 Stunden gerührt werden und durch einen 0,2 µm-Filter gefiltert werden. Im Prinzip können auch andere Polymere, wie etwa Polymethylmethacrylat oder Polyethylenglycol, verwendet werden, zum Beispiel in Abhängigkeit von der Lösbarkeit im Lösungsmittel und den Bedingungen des Pyrolyseschrittes.
  • Die poröse Keimsubschicht 32 kann unter Verwendung der zweiten Keimsubschichtlösung gebildet werden, die das Polymer enthält, ähnlich der Subschichtlösung für die dichte Schicht. Jedoch muss die Temperatur des Pyrolyseschrittes derart gewählt werden, dass das Polymer nicht vollständig zersetzt und abgeführt wird. Die Überreste des Polymers verbleiben in der gebildeten amorphen porösen Keimsubschicht. Diese Überreste verhindern eine Bildung einer geschlossenen und dichten Keimsubschicht. Erst während der dritten Temperprozedur wird das Polymer vollständig dissoziiert und abgeführt. Typischerweise findet kein signifikantes Sintern bei den Temperaturen und Zeiten der dritten Temperprozedur statt, die ausreicht, um das Perowskit-Material kristallisieren zu lassen.
  • In der abgeschlossenen piezoelektrischen Baugruppe kann die dichte Keimsubschicht 31 als die dichte orientierte Subschicht 31 identifizier werden und kann die poröse Keimsubschicht 32 kann als die poröse orientierte Subschicht 32 identifiziert werden.
  • 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel einer piezoelektrischen Baugruppe 1. Es ist identisch mit dem ersten Ausführungsbeispiel der piezoelektrischen Baugruppe, mit Ausnahme der ersten orientierten Schicht 3.
  • Die erste orientierte Schicht 3 umfasst eine dichte orientierte Subschicht 31, die direkt an der Hauptsubstratoberfläche 21 angebracht ist. sie umfasst eine poröse orientierte Subschicht 32 direkt oberhalb der dichten orientierten Subschicht 31. Ferner umfasst sie eine weitere dichte orientierte Subschicht 33, die direkt auf der porösen orientierten Subschicht 32 angeordnet ist. Die Herstellungsprozedur der porösen und dichten orientierten Subschicht kann analog dazu, wie für das in 2 gezeigte zweite Ausführungsbeispiel beschrieben, durchgeführt werden.
  • Bevorzugt sind die dichten orientierten Subschichten 31 und 33 dünner als die poröse orientierte Subschicht 32. Dadurch kann eine chemische Pufferung durch die untere dichte orientierte Subschicht 31 erreicht werden. Ferner wird eine glatte kontinuierliche Oberfläche durch die obere dichte orientierte Subschicht 33 gebildet, auf der ein piezoelektrischer Film mit hoher Qualität gebildet werden kann. Ferner ermöglicht die vergleichsweise dicke poröse orientierte Subschicht 32 einen effizienten Spanungsabbau zwischen dem Substrat 2 und der ersten piezoelektrischen Schicht 4. Zum Beispiel kann ein Dickenverhältnis zwischen der unteren dichten orientierten Subschicht 31, der porösen orientierten Subschicht 32 und der oberen dichten orientierten Subschicht 33 1:4:1 sein. Zum Beispiel kann eine Gesamtdicke 150 nm betragen.
  • 4 zeigt ein Querschnitts-Rasterelektronenmikroskop (REM)-Bild der piezoelektrischen Baugruppe 1, wie in 3 gezeigt, mit Ausnahme der Außenelektrode 5, die in der Probe des REM-Bildes nicht vorhanden ist.
  • In dem REM-Bild in 4 können die Schichten der piezoelektrischen Baugruppe 1 klar identifiziert werden und sind entsprechend beschriftet. Interessanteweise wurde eine Chromangereicherte Schicht 22 in der Nähe der Hauptsubstratoberfläche 21 gebildet und ist als eine dunkle Schicht in der piezoelektrischen Baugruppe 1 sichtbar. Es wird angenommen, dass die Chromanreicherung während der Pyrolyse- oder Temperprozeduren entsteht. Die Effizienz der Puffereigenschaften der ersten orientierten Schicht konnte durch energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX) nachgewiesen werden, die die Abwesenheit von Cr oder anderen Elementen des Substrats in der ersten piezoelektrischen Schicht nachweisen konnte.
  • 5 zeigt einen schematischen Querschnitt eines vierten Ausführungsbeispiels einer piezoelektrischen Baugruppe 1.
  • Die oberhalb der Hauptsubstratoberfläche 21 des Substrats 2 angeordneten Schichten können identisch zu dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel sein. Ferner kann die orientierte Schicht 3 im Prinzip auch in Analogie zu dem zweiten oder dritten Ausführungsbeispiel realisiert werden.
  • Bei diesem vierten Ausführungsbeispiel umfasst das Substrat 2 eine zweite Substratoberfläche 21' gegenüber der Hauptsubstratoberfläche 21. Auf der zweiten Substratoberfläche 21' ist eine orientierte Schicht 3' angeordnet, die identisch mit der ersten orientierten Schicht 3 sein kann. Ferner ist eine piezoelektrische Schicht 4', die identisch mit der ersten piezoelektrischen Schicht 4 sein kann, auf der orientierten Schicht 3' angeordnet. Ferner ist eine zweite Außenelektrode 5' auf der piezoelektrischen Schicht 4' angeordnet.
  • Dies bedeutet, dass eine symmetrische Stapelung auf der Hauptsubstratoberfläche 21 und auf der zweiten Substratoberfläche 21' realisiert wird.
  • Bei dieser Anordnung können das Substrat 2 und die orientierten Schichten 3 und 3' eine interne Elektrode bilden.
  • Die Herstellungsprozedur kann analog zu der Herstellungsprozedur sein, die für das in 1 gezeigte erste Ausführungsbeispiel besprochen ist.
  • 6 zeigt das vierte Ausführungsbeispiel einer piezoelektrischen Baugruppe in einem gebogenen Zustand. Es kann auf einem gebogenen Substrat realisiert werden oder es kann in einer Anwendung angeordnet werden, in der es gebogen wird. Dies bedeutet, dass die für die in 5 beschriebene Ausführungsform beschriebene Symmetrie nur entlang oder lokalen Oberflächennormalen der Hauptsubstratoberfläche beibehalten wird, was bedeutet, dass für jeden Punkt entlang der Richtung der lokalen Oberflächennormalen jede Schicht ein Spiegeläquivalent auf beiden Seiten des Substrats 2 ist.
  • 7 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel einer piezoelektrischen Baugruppe in einem schematischen Querschnitt.
  • Es basiert auf dem ersten Ausführungsbeispiel einer piezoelektrischen Baugruppe, wie in 1 gezeigt. Jedoch sind auf der Elektrode 5, die die Außenelektrode 5 in dem ersten Ausführungsbeispiel war, weitere Schichten angeordnet sind.
  • Eine zweite orientierte Schicht 6 ist direkt auf der Elektrode 5 angeordnet, die dementsprechend eine interne Elektrode wird. Im Prinzip kann die zweite orientierte Schicht 6 identisch mit der ersten orientierten Schicht 3 sein. Auf der zweiten orientierten Schicht 6 ist eine zweite piezoelektrische Schicht 7 angeordnet, die identisch mit der ersten piezoelektrischen Schicht 4 sein kann. Dies bedeutet insbesondere, dass die Zusammensetzung und der Orientierungsgrad o der zweiten orientierten Schicht 6 und der zweiten piezoelektrischen Schicht 7 identisch zu jeweils der ersten orientierten Schicht 3 bzw. der ersten piezoelektrischen Schicht 4 sein können. Eine Außenelektrode 8 ist auf der zweiten piezoelektrischen Schicht 7 angeordnet.
  • Die Herstellungsprozedur kann analog zu der Herstellungsprozedur sein, die für das in 1 gezeigte erste Ausführungsbeispiel diskutiert ist.
  • Bei einer solchen Baugruppe kann das Substrat 2 mit der ersten orientierten Schicht 3 als eine Basiselektrode dienen. Die Elektrode 5 kann zusammen mit der zweiten orientierten Schicht 6 als eine interne Elektrode dienen.
  • 8 zeigt ein sechstes Ausführungsbeispiel einer piezoelektrischen Baugruppe 1. Es ist identisch mit dem fünften Ausführungsbeispiel einer piezoelektrischen Baugruppe, die in 7 gezeigt wird, mit Ausnahme der internen Elektrode 5, die bei dem sechsten Ausführungsbeispiel nicht vorhanden ist. Stattdessen ist die zweite orientierte Schicht 6 direkt auf der ersten piezoelektrischen Schicht 4 angeordnet.
  • Bei einer solchen Anordnung kann die zweite orientierte Schicht 6 als eine interne Elektrode dienen, wenn sie elektrisch kontaktiert wird.
  • 9 zeigt Röntgenbeugungsmuster der geschichteten piezoelektrischen Baugruppen ähnlich der in 4 gezeigten. Beide Proben umfassen ein Substrat aus dickem austentischem Stahl auf Nickel-Chrom-Basis, eines mit einer Dicke von 20 µm und ein zweites mit einer Dicke von 500 µm.
  • Die Intensität für die (100)- und (200)-Beugungsspitzen für beide Proben werden mit der Intensität der (110)- und (111)-Signale vergleichen und sind hinsichtlich eines Lotgering-Faktors (LF100) ausgewertet, der sich für beide Proben als oberhalb von 99 % herausgestellt hat. Dies ist äquivalent zu einem Orientierungsgrad o der kristallinen Perowskit-Struktur der ersten piezoelektrischen Schicht von 99 % oder mehr.
  • Dies beweist, dass hochorientierte piezoelektrische Filme mit der oben beschriebenen Prozedur hergestellt werden können.
  • 10 stellt eine Analyse der elektrischen Eigenschaften der für 9 besprochenen Gaugruppe mit dem 20 µm dicken Substrat bereit. Für die Messungen wurde eine gesputterte Goldelektrode 5 mit einem Durchmesser von 500 µm auf der ersten piezoelektrischen Schicht 3 gebildet.
  • Die Messungen wurden mit einem Aixacct TF2000FE unter Verwendung eines Sinustestsignals von 100 Hz ausgeführt.
  • 10A zeigt die Abhängigkeit der elektrischen Polarisation vom elektrischen Feld bei unterschiedlichen DC-Bias-Feldern.
  • Eine typische ferroelektrische quadratartige Hystereseschleife wird in den Polarisation-elektrisches-Feld-Messungen beobachtet, wobei eine Sättigungspolarisation oberhalb von 40 µC/cm2 liegt. Ein Koerzitivfeld von 50 kV/cm wird beobachtet.
  • 10B zeigt die Abhängigkeit des Realteils der dielektrischen Permittivität von dem DC-Bias-Feld.
  • Der Realteil der komplexen dielektrischen Permittivität nähert sich bei DC-Feldern von 0 Werten von 600 an und nähert sich bei Koerzitivfeldstärke einem Wert von 700 an.
  • Diese Werte sind beträchtlich größer als Werte, die zuvor für auf Metallfolien hergestellte piezoelektrische Dünnfilme berichtet wurden, zum Beispiel im Vergleich zu dem Film aus EP 1 282 901 B1 , bei dem nur eine dielektrische Permittivität von etwa 150 gemessen wurde. Dies zeigt, dass überlegene piezoelektrische Baugruppen mit den oben beschriebenen Verfahren gebildet werden können.
  • 11 zeigt die Ergebnisse von Doppelstrahllaserinterferometriemessungen, die mit einer Frequenz von 1 kHz an den beiden im Zusammenhang mit 9 angesprochenen Proben aufgezeichnet wurden. Sowohl die 20 µm- als auch die 500 µm-Substrat-Probe weisen eine Goldelektrode mit einem Durchmesser von 500 µm auf, die auf der ersten piezoelektrischen Schicht angeordnet ist.
  • 11A zeigt die Abhängigkeit der relativen Dehnung (S) von einem elektrischen Feld für die piezoelektrische Baugruppe mit einem 500 µm dicken Substrat. 11B zeigt den longitudinalen piezoelektrischen Koeffizienten d33 in Abhängigkeit von dem elektrischen Feld für die piezoelektrische Baugruppe auf einem 500 µm dicken Substrat.
  • Die äquivalenten Kurven für die Probe mit dem 20 µm dicken Substrat sind in 11C bzw. 11D gezeigt.
  • Als relative Dehnung (S) kann die relative Verschiebung senkrecht zu der Filmnormalen verstanden werden, die durch ein elektrisches Feld in der piezoelektrischen Baugruppe induziert wird. S wurde mit einem Sinustestsignal bei 100 Hz gemessen. Der longitudinale piezoelektrische Koeffizient d33 wurde aus feldinduzierten Verschiebungsmessungen unter Verwendung eines AC-Signals von 0,5 V bei 1 kHz extrahiert.
  • Für die Baugruppe mit einem 500 µm dicken Substrat wird ein S-Wert von 0,15 % überschritten. Dies entspricht einem Spitzenwert für den longitudinalen piezoelektrischen Koeffizienten d33 von mehr als 70 pm/V.
  • Für die Baugruppe auf dem 20 µm dicken Substrat werden noch höhere Werte erreicht. Eine relative Dehnung S von 0,7 % wird überschritten. Dies entspricht einem d33-Wert von näherungsweise 300 pm/V.
  • Es wird angemerkt, dass das ondulierende Signal, das für die Hysteresekurve aus 11D zu einem niedrigen oder hohen elektrischen Feld hin gemessen wird, durch geringfügige Abweichungen der Dicke des Substrats verursacht werden kann, die die Messungen während des piezoelektrischen Biegens des Substrats entsprechen beeinflussen.
  • Diese Werte sind nach dem besten Wissen des Autors die höchsten berichteten Werte für piezoelektrische Dünnfilme auf einem Stahlsubstrat. In diesem Zusammenhang sei zum Beispiel zum Vergleich auf Nichtpatentliteratur 2 verwiesen. Die erzielten Werte sind sogar mit piezoelektrischen Dünnfilmelementen vergleichbar, die auf Standardsiliciumwafersubstraten vorbereitet sind, die Edelmetallelektrodenmaterialien aufweisen. In diesem Zusammenhang sei zum Beispiel zum Vergleich auf Nichtpatentliteratur 1 verwiesen.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    piezoelektrische Baugruppe
    2
    Substrat
    21
    Hauptsubstratoberfläche
    21'
    zweite Substratoberfläche
    3
    erste orientierte Schicht
    3'
    orientierte Schicht
    31
    dichte orientierte Subschicht
    32
    poröse orientierte Subschicht
    33
    dichte orientierte Subschicht
    4
    erste piezoelektrische Schicht
    4'
    piezoelektrische Schicht
    5
    Elektrode
    5'
    Elektrode
    6
    zweite orientierte Schicht
    7
    zweite piezoelektrische Schicht
    8
    Elektrode
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 4946710 A [0005]
    • WO 2017/202652 A1 [0013]
    • EP 1282901 B1 [0014, 0193]
    • WO 2020/084066 A1 [0015]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
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    • Sung Sik Won, Hosung Seo, Masami Kawahara, Sebastjan Glinsek, Jinkee Lee, Yunseok Kim, Chang Kyu Jeong, Angus I. Kingon, Seung-Hyun Kim; Flexible vibrational energy harvesting devices using strain-engineered perovskite piezoelectric thin films; Nano Energy; 2019; Band 55; Seiten 182-192 [0023]
    • Hong Goo Yeo, Susan Trolier-McKinstry; {001} Oriented piezoelectric films prepared by chemical solution deposition on Ni foils; Journal of Applied Physics; 2014; Band 116; Seite 014105 [0023]
    • Aleksander Matavž, Andraž Bradeško, Tadej Rojac, Barbara Malič, Vid Bobnar; Selfassembled porous ferroelectric thin films with a greatly enhanced piezoelectric response; Applied Materials Today; 2019; Band 16; Seiten 83-89 [0023]

Claims (23)

  1. Piezoelektrische Baugruppe (1), umfassend: - ein Nichtedelmetallsubstrat (2), das eine Hauptsubstratoberfläche (21) aufweist, - eine erste orientierte Schicht (3), die auf der Hauptsubstratoberfläche (21) angeordnet ist, wobei - die erste orientierte Schicht (3) ein erstes Material von kristalliner Perowskit-Struktur umfasst, das wenigstens 90 Gew.-% der ersten orientierten Schicht darstellt, - eine erste piezoelektrische Schicht (4) auf der ersten orientierten Schicht (3) angeordnet ist, wobei - die erste piezoelektrische Schicht (4) ein piezoelektrisches Material von kristalliner Perowskit-Struktur umfasst, das Blei umfasst, und das piezoelektrische Material einen größeren longitudinalen piezoelektrischen Koeffizienten (d33) entlang der (100)-Richtung als das erste Material der ersten orientierten Schicht (3) aufweist, - ein Orientierungsgrad o des piezoelektrischen Materials der ersten piezoelektrischen Schicht (4) 90 % oder mehr beträgt, wobei der Orientierungsgrad o der durchschnittliche Ausrichtungsgrad der (100)-Richtung der Einheitszellen des kristallinen piezoelektrischen Materials mit entlang der lokalen Oberflächennormale N der Hauptsubstratoberfläche (21) ist.
  2. Piezoelektrische Baugruppe (1) nach Anspruch 1, wobei - das Substrat (2) eine zweite Substratoberfläche (21') gegenüber der Hauptsubstratoberfläche (21) aufweist, und - eine geschichtete Struktur, die eine piezoelektrische Schicht (4') auf einer orientierten Schicht (3') umfasst, auf der zweiten Substratoberfläche (21') in Analogie zu der ersten piezoelektrischen Schicht (4) auf der ersten orientierten Schicht (3) auf der Hauptsubstratoberfläche (21) angeordnet ist.
  3. Piezoelektrische Baugruppe (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei - eine zweite orientierte Schicht (6), die aus dem ersten Material besteht, oberhalb der ersten piezoelektrischen Schicht (4) angeordnet ist, - eine zweite piezoelektrische Schicht (7) auf der zweiten orientierten Schicht (6) angeordnet ist, wobei - die zweite piezoelektrische Schicht (7) das gleiche piezoelektrische Material mit dem gleichen Orientierungsgrad o von 90 % oder mehr wie die erste piezoelektrische Schicht (4) umfasst.
  4. Piezoelektrische Baugruppe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die erste orientierte Schicht (3) eine poröse orientierte Subschicht (32) umfasst, die eine poröse Struktur mit einer relativen Porosität von bis zu 70 % aufweist.
  5. Piezoelektrische Baugruppe (1) nach Anspruch 4, wobei die erste orientierte Schicht (3) wenigstens eine dichte orientierte Subschicht (31) umfasst und die poröse orientierte Subschicht (32) eine wenigstens zweimal höhere Konzentration an Poren als die dichte orientierte Subschicht (31) aufweist.
  6. Piezoelektrische Baugruppe (1) nach Anspruch 5, wobei wenigstens eine dichte orientierte Subschicht (31) direkt auf der Hauptsubstratoberfläche (21) angeordnet und ist die poröse orientierte Subschicht (32) auf der dichten orientierten Subschicht (31) angeordnet ist.
  7. Piezoelektrische Baugruppe nach Anspruch 6, wobei eine weitere dichte orientierte Subschicht (33) auf der porösen orientierten Subschicht (32) angeordnet ist.
  8. Piezoelektrische Baugruppe (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei die durchschnittliche Porengröße der porösen orientierten Subschicht (32) 100 nm oder weniger beträgt.
  9. Piezoelektrische Baugruppe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das erste Material der ersten orientierten Schicht (3) aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus LaNiO3, SrRuO3 und PbTiO3 besteht.
  10. Piezoelektrische Baugruppe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das erste Material der ersten orientierten Schicht (3) wenigstens den gleichen Orientierungsgrad o von 90 % oder mehr wie die kristalline Perowskit-Struktur der ersten piezoelektrischen Schicht (4) aufweist.
  11. Piezoelektrische Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die erste orientierte Schicht (3) eine Dicke von 10 nm bis 500 nm aufweist.
  12. Piezoelektrische Baugruppe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das Substrat (2) Titan (Ti), Aluminium (Al), Nickel (Ni), Kupfer (Cu) oder ein Stahl ist.
  13. Piezoelektrische Baugruppe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das piezoelektrische Material durch die Formel [Pb1-y S1 y] [(ZrxTi1-x)1-z S2 z]O3 repräsentiert wird, wobei - S1 ein erster Substituent ist, - S2 ein zweiter Substituent ist, - 0,40≤x≤0,95 gilt, - y<0,3 gilt, und - z<0,15 gilt.
  14. Piezoelektrische Baugruppe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die erste piezoelektrische Schicht (4) eine Dicke von 0,1 µm bis 5 µm aufweist.
  15. Vorrichtung, die die piezoelektrische Baugruppe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14 umfasst, wobei die piezoelektrische Baugruppe (1) an einer Oberfläche der Vorrichtung angebracht und zum Erzeugen eines haptischen Signals an der Oberfläche ausgebildet ist.
  16. Vorrichtung, die die piezoelektrische Baugruppe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 15 und ein Energiespeicherungselement umfasst, wobei die piezoelektrische Baugruppe (1) zum Gewinnen elektrischer Energie ausgebildet ist, die in der piezoelektrischen Baugruppe (1) während einer mechanischen Verformung der piezoelektrischen Baugruppe (1) erzeugt wird, und wobei das Energiespeicherungselement zum Speichern der elektrischen Energie ausgebildet ist, die durch die piezoelektrische Baugruppe (1) gewonnen wird.
  17. Mikrospiegel, der die Piezoelektrische Baugruppe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 15 umfasst, wobei - der Mikrospiegel eine Spiegeloberfläche auf einer piezoelektrischen Baugruppe umfasst, und - die piezoelektrische Baugruppe (1) zum Biegen des Mikrospiegels beim Anlegen einer Spannung an die piezoelektrische Baugruppe (1) ausgebildet ist.
  18. Prozess zum Bilden einer piezoelektrischen Baugruppe (1), der Folgendes umfasst: - Bereitstellen eines Nichtedelmetallsubstrats (2), das eine Hauptsubstratoberfläche (21) aufweist, - Bilden einer ersten Keimschicht (3), die ein erstes Material von kristalliner Perowskit-Struktur, die durch die allgemeine Formel ABO3 repräsentiert wird, auf der Hauptsubstratoberfläche (21) umfasst, einschließlich der folgenden Schritte: - Abscheiden einer ersten Keimschichtlösung, die Ionen von A und B umfasst, auf der Hauptsubstratoberfläche (21), - Kristallisieren der Perowskit-Struktur durch eine erste Temperprozedur, - Bilden einer ersten piezoelektrischen Schicht (4), die ein piezoelektrisches Material von kristalliner Perowskit-Struktur umfasst, das Blei enthält, einschließlich der folgenden Schritte: - Abscheiden einer Piezoelektrische-Schicht-Lösung, die Bleiionen und weitere Ionen des piezoelektrischen Materials umfasst, - Kristallisieren der Perowskit-Struktur, die Blei enthält, durch eine zweite Temperprozedur.
  19. Prozess zum Bilden der piezoelektrischen Baugruppe (1) nach Anspruch 18, wobei die erste Keimschicht (3) als eine geschichtete Struktur hergestellt wird, einschließlich der folgenden Schritte: - Abscheiden einer ersten Keimschichtlösung, die Ionen von A und B umfasst, - Bilden einer dichten Keimsubschicht (31), das eine erste Pyrolyseprozedur umfasst, gekennzeichnet durch eine erste Pyrolysetemperatur T1 und eine erste Haltezeit t1 bei der ersten Pyrolysetemperatur T1, - Abscheiden einer zweiten Keimschichtlösung, die Ionen von A und B umfasst, - Bilden einer porösen Keimsubschicht (32), das eine zweite Pyrolyseprozedur umfasst, gekennzeichnet durch eine zweite Pyrolysetemperatur T2 und eine zweite Haltezeit t2 bei der dritten Pyrolysetemperatur T2.
  20. Prozess zum Bilden der piezoelektrischen Baugruppe (1) nach Anspruch 19, wobei T2<T1 und/oder t2<t1 gilt.
  21. Prozess zum Bilden der piezoelektrischen Baugruppe (1) nach einem der Ansprüche 19 und 20, wobei - die zweite Keimschichtlösung ein Polymer umfasst, und - die zweite Pyrolyseprozedur derart ausgeführt wird, dass das Polymer nicht vollständig zersetzt und abgeführt wird.
  22. Prozess zum Bilden der piezoelektrischen Baugruppe (1) nach einem der Ansprüche 18 bis 21, wobei wenigstens die erste Keimschichtlösung oder die Piezoelektrische-Schicht-Lösung in einem Rotationsbeschichtungsverfahren abgeschieden wird.
  23. Prozess zum Bilden der piezoelektrischen Baugruppe (1) nach einem der Ansprüche 18 bis 21, wobei wenigstens die erste Keimschichtlösung oder die Piezoelektrische-Schicht-Lösung durch ein Druckverfahren abgeschieden wird.
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