Fraunhofer 3D print luidsprekers; hybride technologie voor piezo-actuatoren
Met een combinatie van inkjet printen en bewerken met een laser hebben Fraunhofer-onderzoekers in Aken een piezo MEMS geprint, in dit geval een miniatuur luidspreker zo groot als een eurocent. Het printen hiervan is het sluitstuk van een breder project rond het generatief produceren van piezo MEMS voor microactuatoren.
Het gaat hier om allround microsystemen, de Europese term, die zowel als actuator en als sensor kunnen fungeren; ze combineren beide functies in een microsysteem. De dunne films voor de piezo-elektrische lagen zijn meestal gemaakt van PZT (Lead Zirconate Titanate) een keramisch materiaal. Deze laagjes zijn slechts enkele microns dun en met etsen of direct printen worden de noodzakelijke structuren aangebracht. De productie van deze componenten kost veel tijd en is dus duur omdat er vacuüm en belichtingsmaskers voor nodig zijn. Met name bij kleinere series wegen deze kosten zwaar door.
Hybride proces opent mogelijkheden voor kleinserie productie micro actuatoren
Laag voor laag opbouwen
Daarom hebben de onderzoekers van het Fraunhofer ILT, Institute for Materials in Electrical Engineering 2 (IWE2) van de RWTH Aachen University en het Fraunhofer Institute for Silicon Technology ISIT in het Generator project een nieuwe technologie ontwikkeld, juist bedoeld voor kleine batches. Met inkjet technologie printen ze met een speciale PTZ inkt op een 8 inch wafer de structuur die ze nodig hebben voor de schakeling. Door deze met de laserstraal te belichten, waardoor de temperatuur oploopt tot 700 graden C, kristalliseert het materiaal in enkele milliseconden. De kwaliteit wordt gewaarborgd door de temperatuur binnen een schommeling van maximaal plus of min 5 graden C te houden. Op deze manier hebben ze op een multilayer actuator een totale laagdikte van 2 tot 3 micron opgebouwd, die bestaat uit meerdere PTZ lagen van elk 20 tot 30 nm.
Controleerbaar proces
Men kan tot 30 lagen van afwisselend functioneel keramiek en elektrodes op elkaar stapelen, die samen een micro luidspreker vormen. Dankzij het design kan men hiermee betere micro-actuatoren produceren dan tot nog toe mogelijk is. Ook de reproduceerbaarheid ligt op een hoger niveau. De productietijd is veel korter doordat het belichten met de laser slechts enkele seconden tijd kost. Voor de elektrodes gebruiken de onderzoekers niet het kostbare platinum maar een elektrisch geleidend keramiek, lanthanum nikkel oxide (LNO). Als men gelijkspanning op deze stack zet, vervormen de lagen in een fractie van een seconde, waarbij de hele stack gaat trillen. Omdat het hele systeem slechts enkele microns dik is, kunnen met name hoogfrequente geluidssignalen heel goed worden doorgegeven. “Het mooie van deze productiemethode is de digitale controleerbaarheid van het printen en het laserproces zonder bijkomende kosten voor bijvoorbeeld maskers”, zegt Christian Vedder, hoofd Thin Film Processing Group bij het Fraunhofer ILT.
Geen dure investeringen nodig
Het nu ontwikkelde proces leent zich met name voor de productie van kleine series piezo MEMS. Er is namelijk geen miljoenen kostende productielijn voor nodig, die bij voorbaat alleen zinvol is voor grote series. De onderzoekers zien hierin dan ook vooral een oplossing om het midden- en kleinbedrijf in staat te stellen te investeren in de productiecapaciteit voor piezo MEMS, omdat de investeringen aanzienlijk lager liggen dan tot nog toe gangbaar. “Zelfs heel kleine job shops kunnen een kleinschalige productie van micro actuatoren in de toekomst opzetten”, zegt Samuel Fink, een van de betrokken wetenschappers. Ook kan men andere substraten dan het tot nog toe gebruikte gecoat sillicon gaan bewerken. Bijvoorbeeld ultradun glas kan bewerkt worden. De onderzoekers hopen de technologie snel ook toe te kunnen gaan passen bij heel andere materialen en toepassingen.
