Un sistema microelectromecánico piezoeléctrico (piezoMEMS) es un dispositivo en miniatura o microscópico que utiliza piezoelectricidad para generar movimiento y llevar a cabo sus tareas. Es un sistema microelectromecánico que aprovecha un potencial eléctrico que aparece bajo tensión mecánica . Los piezoMEMS se pueden encontrar en una variedad de aplicaciones, como interruptores , cabezales de impresoras de inyección de tinta , sensores, microbombas y recolectores de energía. [1]
El interés en la tecnología piezoMEMS comenzó a principios de la década de 1990 cuando los científicos exploraron alternativas a la actuación electrostática en sistemas microelectromecánicos (MEMS) de radiofrecuencia (RF) . [2] Para los MEMS de RF, la actuación electrostática especializó circuitos de bombeo de carga de alto voltaje debido al pequeño espaciado de los electrodos y los grandes voltajes de activación. Por el contrario, la actuación piezoeléctrica permitió una alta sensibilidad, así como un bajo voltaje y consumo de energía tan bajo como unos pocos milivoltios. [3] [4] También tenía la capacidad de cerrar grandes brechas verticales al mismo tiempo que permitía velocidades de operación bajas de microsegundos. [5] El titanato de zirconato de plomo (PZT) , en particular, ofrecía la mayor promesa como material piezoeléctrico debido a su alto coeficiente piezoeléctrico , constante dieléctrica ajustable y coeficiente de acoplamiento electromecánico . [4] Los piezoMEMS se han aplicado a varias tecnologías diferentes, desde interruptores hasta sensores, y investigaciones posteriores han llevado a la creación de películas delgadas piezoeléctricas, que ayudaron en la realización de dispositivos piezoMEMS altamente integrados. [6]
El primer interruptor RF MEMS accionado piezoeléctricamente fue desarrollado por científicos del Instituto de Tecnología de LG Electronics en Seúl, Corea del Sur, en 2005. [3] Los investigadores diseñaron e implementaron un interruptor RF MEMS con un actuador piezoeléctrico en voladizo que tenía un voltaje de operación de 2,5 voltios. [7]
En 2017, investigadores del Laboratorio de Investigación del Ejército de los EE. UU. (ARL) evaluaron por primera vez los efectos de la radiación en la respuesta piezoeléctrica de las películas delgadas de PZT. Determinaron que el PZT exhibía un grado de dureza de la radiación que podría extenderse aún más mediante el uso de electrodos de óxido conductor en lugar de los electrodos de platino tradicionales. Las pruebas de radiación gamma también han demostrado que los dispositivos accionados, como interruptores, resonadores y dispositivos inerciales, podrían beneficiarse de la tolerancia a la radiación del PZT, lo que sugiere la posibilidad de que los actuadores y sensores se puedan integrar en plataformas que evalúen material nuclear y reduzcan la exposición humana a la radiación. [8] [9]
Este experimento fue parte de un esfuerzo de inversión en investigación de décadas de duración en ARL para mejorar el uso de la tecnología de película delgada PZT para piezoMEMS. [4] Otros trabajos relacionados con piezoMEMS incluyeron el desarrollo de un micrófono piezoeléctrico basado en películas delgadas PZT, [10] la creación de nuevos procesos de micromaquinado de superficie integrados para RF MEMS para incorporar actuadores PZT de película delgada, [11] proporcionando la primera demostración experimental de interruptores de RF piezoMEMS integrados monolíticamente con filtros de modo de contorno, [12] y demostrando la viabilidad de la recolección de energía vibracional utilizando PZT MEMS de película delgada. [13] En su trabajo, los investigadores de ARL también han aumentado la respuesta electromecánica general de películas delgadas PZT en un 15-30% al incorporar materiales de electrodos de óxido de iridio . [8]
Existen tres enfoques principales para realizar dispositivos PiezoMEMS: [14]
Los PiezoMEMS utilizan dos estructuras cristalinas principales: la wurtzita y la perovskita . [6]
Los piezoMEMS aún enfrentan muchas dificultades que impiden su comercialización exitosa. Por ejemplo, el éxito de la deposición de películas uniformes de piezoeléctricos aún depende en gran medida del uso de capas apropiadas de nucleación y crecimiento de película adecuados. Como resultado, se necesitan amplios esfuerzos de desarrollo específicos para cada dispositivo para crear una estructura de sensor adecuada. Además, los investigadores continúan buscando formas de reducir y controlar la deriva del material y del sensor y las características de envejecimiento de los materiales piezoeléctricos de película delgada. Las técnicas de deposición para crear películas delgadas con propiedades que se acerquen a las de los materiales a granel siguen en desarrollo y necesitan mejoras. Además, las características químicas y de grabado de la mayoría de los materiales piezoeléctricos siguen siendo muy lentas. [14]