Actionneurs piézoélectriques MEMS transparents

Transparent MEMS piezoelectric actuators

• Auteur / Autrice : Franklin Pavageau
• Direction : Gwenaël Le rhun
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Nano électronique et Nano technologies
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 05/03/2024
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Electronique et de Technologie de l'Information (LETI)
• Jury : Président / Présidente : Maryline Guilloux-viry
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gwenaël Le rhun, Denis Remiens, Bertrand Vilquin, Jean-René Duclère, Gustavo Ardila
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Denis Remiens, Bertrand Vilquin

Mots clés

Mots clés libres

Transparent

Pzt

Couches minces

Actionneurs piézoélectriques

Mems

Transparent

Pzt

Thin films

Piezoelectric actuators

Mems

Résumé

La fonctionnalisation de surface de type verre ou souple avec des dispositifs actionneurs MEMS piézoélectriques transparents permettrait l’émergence de nouvelles applications, notamment dans les domaines de l’haptique tactile ou des interfaces homme-machine. Toutefois, il existe des problématiques liées au budget thermique du recuit de cristallisation du PZT (typiquement 700°C), matériau piézoélectrique actionneur roi. En effet, les substrats de verre standard atteignent leur point de déformation vers 450°C. De plus, les électrodes transparentes, en particulier l’ITO, peuvent voir leur résistivité augmenter à haute température. C’est pourquoi le CEA-LETI a mis au point un procédé de report de couches de wafer à wafer pour contourner ces problématiques. Les empilements piézoélectriques à base de PZT à l’état de l’art ainsi transférés présentent des propriétés similaires voire identiques avant et après transfert, que ce soit sur substrat verre ou substrat Si. Des dispositifs fonctionnels tels que des membranes piézoélectriques sur Si et des capacités de type actionneurs sur verre, ayant en moyenne 75 à 80 % de transmission dans le visible, ont ainsi été réalisés et caractérisés. Par ailleurs, la mise en évidence de la bonne tenue en température de l’ITO, recuit à 700°C sous air, présentant une résistivité égale à 5x10−4 Ω.cm, considéré comme peu résistif pour ce matériau, a motivé l’évaluation de dépôts sol-gel de PZT directement sur ITO. Les propriétés du PZT d’épaisseur 500 nm ainsi déposé sur 500 nm d’épaisseur d’ITO sont très encourageantes, avec par exemple un coefficient piézoélectrique d33, f max de l’ordre de 100 pm/V, se rapprochant de l’état de l’art. L’ajout d’une couche antireflet à base de SiO2, optimisée en épaisseur, jouant également le rôle de passivation sur nos condensateurs, a ensuite permis de gagner en moyenne 10 % de transmission. Enfin, des simulations optiques montrent qu’en jouant sur les épaisseurs des couches, par exemple en réduisant les épaisseurs des électrodes ITO à 50-60 nm, des transmissions moyennes de 90 % sont atteignables.

The functionalization of glass or flexible surfaces with transparent piezoelectric MEMS actuator devices would allow the emergence of new applications, particularly in the areas of tactile haptics or human-machine interfaces. However, there are some issues related to the thermal budget of the crystallization annealing of PZT (typically 700°C), the best piezoelectric material for actuator applications. In fact, standard glass substrates reach their deformation point around 450°C. Additionally, transparent electrodes, particularly ITO, may see their resistivity increase at high temperatures. This is why CEA-LETI has developed a process for transferring layers from wafer to wafer to circumvent these problems. The state-of-the-art PZT-based piezoelectric stacks thus transferred have similar or even identical properties before and after transfer, either on a glass substrate or on a Si substrate. Functional devices such as piezoelectric membranes on Si and actuator type capacitors on glass, having on average 75 to 80 % transmission in the visible, were thus produced and characterized. Furthermore, the demonstration of the good temperature resistance of ITO, annealed at 700°C in air, presenting a resistivity equal to 5x10−4 Ω.cm, considered to be low resistive for this material, motivated the evaluation of PZT sol-gel depositon directly on ITO. The properties of the 500 nm thick PZT thus deposited on 500 nm thick ITO are very encouraging, with for example a piezoelectric coefficient d33,f max of the order of 100 pm/V, approaching the state art. The addition of an anti-reflective layer based on SiO2, optimized in thickness, also playing the role of passivation on our capacitors, then made it possible to gain on average 10 % in transmission. Finally, optical simulations show that by varying the thicknesses of the layers, for example by reducing the thicknesses of the ITO electrodes down to 50-60 nm, average transmissions of 90 % are achievable.