Projekti / Programi
Teksturirane keramične plasti za senzorje in aktuatorje
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.09.01 |
Tehnika |
Elektronske komponente in tehnologije |
Materiali za elektronske komponente |
| Koda |
Veda |
Področje |
| T153 |
Tehnološke vede |
Keramični materiali in praški |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.02 |
Tehniške in tehnološke vede |
Elektrotehnika, elektronika in informacijski inženiring |
piezoelektriki, debele plasti, tekstura, priprava, karakterizacija, senzor pritiska, UZ medicinski pretvorniki
Raziskovalci (11)
Organizacije (1)
| št. |
Evidenčna št. |
Razisk. organizacija |
Kraj |
Matična številka |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
0106 |
Institut "Jožef Stefan" |
Ljubljana |
5051606000 |
90.753 |
Povzetek
Izhodišče: Mikro-elektro-mehanski sistemi postajajo vse kompleksnejši. V njih vidno mesto dobivajo tudi piezoelektrični materiali kot senzorji, aktuatorji, pretvorniki. Integracija se dogaja tudi v medicinskih UZ pretvornikih, elementih za energetiko (energy harvesting) itd. Eden od problemov teh materialov je, da zaradi integracije na nosilec postanejo precej manj učinkoviti. Piezoelektrična d33 konstanta, če jo poenostavljeno vzamemo kot merilo odziva v senzorjih in aktuatorjih, je že zgolj zaradi vpetja približno polovica manjša kot v volumenski keramiki. Zato je zelo pomemben faktor, ki bo vplival na prodor teh materialov v omenjene aplikacije, povečanje učinkovitosti piezoelektričnih plasti na nosilcih. Drug pomemben element je kemijska sestava. Današnji uporabni piezoelektriki skoraj vsi vsebujejo okrog 60% svinčevega oksida, ki je škodljiv. Čeprav jih današnja zakonodaja še tolerira, je v raziskavah izrazito močan trend po učinkovitih piezoelektrikih, ki ne vsebujejo svinca.
Predlagani projekt se loteva obeh problemov. Cilj projekta je povečati učinkovitost piezoelektričnih integriranih debelih plasti s teksturo in sicer pri materialih, ki so v kot volumenska keramika najbolj učinkoviti piezoelektriki in kjer so že dokazali, da se s teksturo da povečati odziv za več kot za polovico. V tem primeri gre za materiale na osnovi PbMg1/3Nb2/3O3-PbTiO3 (PMN-PT).
Drugi del projekta je namenjen raziskavam možnosti priprave debelih piezo plasti s teksturo pri piezoelektrikih, ki ne vsebujejo svinca.
Kako? O debeloplastnih strukturah s teksturo v literaturi ni podatkov. Učinkovit način kreiranja teksture v piezoelektrikih je orientacija anizotropnih delcev, recimo monokristalnih ploščic podobnega ali istega materiala v običajnem keramičnem prahu. To se da doseči z nalivanjem suspenzije prahu in ploščic. Ploščice se uredijo, zaradi gradienta strižne hitrosti, v smeri nalivanja. Usmerjenost se v kasnejših faza priprave ohrani in prispeva k orientirani rasti zrn, kar predstavlja teksturo. Predvidevamo, da lahko zelo podobne razmere kot pri nalivanju, dosežemo pri tiskanju past na nosilce.
Implementacija: Zadnji del projekta namenjamo demonstratorjem in sicer bomo plasti s teksturo uporabili za pripravo dveh prototipov: resonančnega senzorja tlaka in integriranega visokofrekvenčnega UZ pretvornika. Prvega nameravamo zasnovati in testirati s kolegi, s katerimi smo že skupaj razvili piezoelektrični resonančni senzor (HIPOT RR d.o.o.), drugega pa s kolegi iz laboratorija Univerze v Toursu, s katerimi smo prvi pripravili integrirani visokofrekvenčni UZ pretvornik za medicinsko diagnostiko.
Verjetnost za uspeh. Skupina ima veliko znanja na področju piezoelektrikov, debelih plasti, senzorjev tlaka in UZ pretvornikov. V projektu predvidevamo intenzivno sodelovanje z laboratoriji v tujini s katerimi imamo vzpostavljene stike že dolgo let (CICMT, Madrid, sinteza kali, Ecole Centrale Pariz, rentgenska karakterizacija, Univerza Tours, načrtovanje in testiranje UZ pretvornika). Prav tako bomo sodelovali doma s skupino iz Odseka za fiziko trdne snovi IJS (meritve funkcijskih lastnosti), ter z dolgoletnim industrijskim partnerjem HYB d.o.o. pri načrtovanju in karakterizaciji resonančnega senzorja tlaka. Predvidevamo, da bomo v delo vključili mladega raziskovalca.
Rezultati: Raziskave so toliko nove, da opravičujejo temeljni projekt. Želimo razjasniti, kako se plasti, ki so pred sintranjem sestavljene iz morfološko zelo različnih delcev zgoščujejo, ko so vpete na nosilec. Ali lahko pri materialih kot so KNN, ki kaže že pri sintezi prahu tendenco urejene rasti delcev, pride do samo-teksturiranja, kar bi bil izjemen dosežek. In nazadnje, kakšne piezoelektrične lastnosti plasti s teksturo lahko dobimo. Od teh rezultatov bodo v veliki meri odvisne bodoče raziskave piezoelektričnih debeloplastnih struktur in njihova uporabnost. Rezultati bodo direktno uporabni pri slovenskem proizvajalcu senzorjev pritiska HYB d.o.o.
Pomen za razvoj znanosti
Na področju raziskav učinkovitih piezoelektrikov smo v okviru projekta naredili velik korak. Prvi smo pokazali, da je mogoče s tiskanjem in sintranjem pripraviti feroelektrične debele plasti Pb(Mg1/3Nb2/3)O3–PbTiO3 (PMN-PT), ki vsebujejo kali, katerih velikost vsaj 10-krat presegajo velikost osnovnih delcev prahu. Nadalje smo pokazali, da je z metodo rasti zrn na kaleh (ang. templated grain growth - TGG) možno pripraviti delno teksturirane debele plasti. Pokazali smo torej, da je rast zrn na kaleh možna tudi v piezoelektričnih plasteh in ne samo v piezoelektrični keramiki, kot je bilo predhodno objavljeno. Še več, pripravili smo homogene debele plasti, saj smo uporabili kali z enako sestavo, kot je sestava samih debelih plasti. Tovrstnih raziskav na področju debelih piezoelektričnih plasti do sedaj še ni bilo. Naše delno teksturirane plasti so izkazovale višje piezoelektrične in feroelektrične lastnosti kot neteksturirane plasti enake sestave. V okviru projekta smo raziskali tudi domensko strukturo debelih plasti PMN-PT. Predhodno o tem še niso poročali. Ugotovili smo, da so zaradi vpetosti na podlago debele plasti PMN-PT med ohlajanjem pod tlačnimi napetostmi, kar izrazito vpliva na domensko strukturo plasti. Le-ta se zato močno razlikuje od domenske strukture volumenske keramike (H. Uršič et al., J. Phys. D: Appl. Phys. 45, 2012). Trdna raztopina (K,Na)NbO3 (KNN) še vedno velja za eno najbolj obetavnih kandidatov, ki bi lahko v več piezoelektričnih aplikacijah nadomestila materiale na osnovi svinčevih perovskitov, kot sta Pb(Zr,Ti)O3 (PZT) in PMN-PT. Navkljub izrednem zanimanju za ta material in potencialu za visokofrekvenčne ultrazvočne aplikacije, je v primerjavi z volumensko keramiko podatkov o debelih plasteh KNN izredno malo. Pomanjkanje je tudi študij, ki bi se na sistematičen način lotevale problema procesiranja debelih plasti KNN in kontrole fazne sestave, strukture in mikrostrukture, kot so to v preteklosti naredili za debele plasti PZT (Kosec et al., J. Eur Ceram. Soc. 19, 1999, pp. 949-954). Rezultati raziskovalnega projekta predstavljajo velik napredek na področju debelih plasti KNN. Cilj, ki smo si ga zastavili, je razumevanje kompleksne povezave med procesiranjem debelih plasti KNN s sitotiskom in njihovimi lastnostmi, saj je to prvi korak k pripravi kvalitetnih plasti z dobrim piezoelektričnim odzivom. To smo dosegli s sistematično analizo mikrostrukture, strukture in zgoščevanja plasti v odvisnosti od temperature sintranja in prisotnosti/odsotnosti zasipa med žganjem. Iste študije so vodile do zanimivega odkritja: debele plasti KNN kažejo kristalografsko orientacijo vzdolž smeri [100]pc in manj v [10-1]pc. Razložili smo mehanizem tega pojava. Orientacija je rezultat sprostitve termičnih napetosti v plasti, ki so posledica različnih termičnih razteznostih koeficientov plasti in podlage (Pavlič et al., J. Eur. Ceram. Soc. 37, 2014, 285-295). Odprli smo torej novo pot pri kontroli orientacije plasti KNN in potencialno piezoelektričnega odziva plasti z izborom podlage, kar smo v kasnejši fazi projekta tudi dokazali. S podrobno študijo piezoelektričnega odziva pripravljenih debelih plasti KNN smo ugotovili, da je znižanje piezoelektričnega koeficienta d33 v plasteh KNN, zaradi vpetosti na podlago, tj. približno 50%, nenavadno majhno v primerjavi s plastmi na osnovi svinca, kjer se d33 običajno zniža za 70–80%. Na podlagi literaturnih podatkov smo ugotovili, da gre tako majhno znižanje d33 pripisati posebnim mehanskih lastnostim materiala KNN. Odkritje daje plastem na osnovi KNN še večji potencial za aplikacije, namreč piezoelektrični odziv KNN je manj občutljiv na elastično vpetost na podlago, kot je to značilno za PZT in PMN-PT (J. Pavlič et al., J Am Ceram Soc, 2014, sprejeto v objavo, DOI: 10.1111/jace.12797).
Pomen za razvoj Slovenije
Zaključen temeljni raziskovalni projekt ima poleg znanstveno-raziskovalnih rezultatov tudi družbeno-ekonomske učinke na različnih nivojih. V okviru temeljnega raziskovalnega projekta smo ovrednotili možnost integracije debelih plasti dveh najbolj obetavnih piezoelektrikov, to sta Pb(Mg1/3Nb2/3)O3–PbTiO3 (PMN-PT) in (K,Na)NbO3 (KNN), v kompleksne debeloplastne strukture. Na ta način smo pridobili osnovna znanja o integraciji teh piezoelektrikov v konkretne senzorske, aktuatorske in visokofrekvenčne elektro-mehanske pretvorniške elemente, kot sta resonančni senzor tlaka in ultrazvočni (UZ) pretvornik. Ta tematika zahteva nadaljnje aplikativne raziskave in je v taki obliki dolgoročno zanimiva tako za podjetja (HIDRIA, HIPOT-RR, HYB, IN.MEDICA, KEKON, KEKO Oprema), kakor tudi za raziskovalne skupine na področju elektronskih komponent, mikroelektronike in mikrosistemov. Rezultati temeljnega raziskovalnega projekta so se uporabili pri delu v enem od projektov v Centru odličnosti NAMASTE (Napredni nekovinski materiali s tehnologijami prihodnosti). Center odličnosti NAMASTE je multidisciplinarni in transdisciplinarni konzorcij raziskovalnih institucij in industrije. Center povezuje 10 raziskovalnih skupin, tri zasebne raziskovalne organizacije ter vrsto slovenskih tehnološko naprednih podjetij, med katerimi prevladujejo prodorna srednja in manjša podjetja. Partnerji so razpršeni skoraj po vseh Slovenskih regijah. Raziskovalni rezultati so se uporabili tudi pri delu v Razvojnem centru IN.Medica (Inovativni medicinski sistemi in metode zdravljena). Ta razvojni center slovenskega gospodarstva na področju industrijskega sektorja farmacije in biotehnologije je bil ustanovljen leta 2011 in je lociran v regiji Jugovzhodna Slovenija. Širjenje raziskovalnih rezultatov dviga ugled slovenskih raziskovalnih institucij v Evropskem raziskovalnem področju. Tudi na tej osnovi je bila raziskovalna skupina povabljena v projekt 7. okvirnega programa CERAMPOL (FP7-280995-2; “Ceramic and polymeric membrane for water purification of heavy metal and hazardous organic compound” ali »Keramične in polimerne membrane za odstranjevanje težkih kovin in nevarnih organskih snovi iz vode«). Projekt se že izvaja. Poleg raziskovalne skupine v projektu sodeluje tudi slovensko podjetje. Slovenski partnerji so v projektu zadolženi za razvoj vibracijskega sistema za čiščenje keramičnih membran, ki so kontaminirane z odpadnimi vodami. Vibracije vzbujajo integrirani piezoelekrični aktuatorji. Poleg tega je raziskovalna skupina, zaradi vrhunskih kompetenc na področju piezoelektričnih materialov, povabljena tudi v nove, šele nastajajoče, raziskovalne ali razvojno-inovativne projekte (H2020, ERA-NET, EUREKA). Pri tem je pomembno, da raziskovalna skupina že tradicionalno v mednarodne projekte povabi in vplete tudi eno ali več slovenskih podjetij.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2010,
2011,
2012,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2010,
2011,
2012,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
