Ferroelectric polymer thin films for MEMS applications : towards soft and high-speed AFM probes

Abstract

Neben kapazitiven und piezoresistiven Elementen für sensorische und aktorische Anwendungen ist die Piezoelektrizität ein weiterer etablierter Wandlungsmechanismus in mikroelektromechanischen Systemen (MEMS), welcher in den letzten Jahren zunehmendes Interesse erfährt. Dazu werden für gewöhnlich piezoelektrische Materialien wie die Piezokeramiken Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) oder Aluminiumnitrid (AlN) verwendet. Allerdings sind diese Materialien typischerweise sehr steif und besitzen ein hohes Elastizitätsmodul. Um neuartige flexible und weiche MEMS-Anwendungen zu ermöglichen, wurden in dieser Arbeit ferroelektrische bzw. piezoelektrische Polymere, wie das Copolymer aus Vinylidenfluorid und Trifluorethylen (P(VDF-TrFE)), näher untersucht. Synthetisierte ferroelektrische Polymerdünnfilme wurden detailliert auf ihre strukturellen, mechanischen, elektrischen und elektromechanischen Eigenschaften analysiert. Ferroelektrische Polymere haben ein niedriges Elastizitätsmodul und zeigen eine starke piezoelektrische Aktivität, womit diese prädestiniert für weiche und flexible MEMS-Anwendungen sind. MEMS basierend auf ferroelektrischen Polymeren wurden durch die Anwendung eines angepassten Silizium-MEMS-Technologieprozesseses erreicht. Insbesondere wurden MEMS-Cantilever hergestellt und analysiert. Die piezoelektrischen und elektrostriktiven Eigenschaften des ferroelektrischen Polymerfilms wurden ausgenutzt, um verschiedene Schwingungsmoden des MEMS-Cantilevers anzuregen. Diese weichen Polymer-MEMS-Cantilever stellen eine sehr vielversprechende Basis für neuartige AFM-Sonden dar, deren Schwingungszustand elektrisch verändert und ausgelesen werden kann. Das bevorzugte Anwendungsgebiet liegt in der Analyse von weichen oder biologischen Proben. Darüber hinaus wurde in dieser Arbeit festgestellt, dass für die derzeitig verwendeten Hochgeschwindigkeits-AFM-Sonden eine Leistungsgrenze in Bezug auf hohe Resonanzfrequenz und niedriger Federkonstante erreicht ist. Aus dieser Erkenntnis wurde ein neuartiges Konzept für Hochgeschwindigkeits-AFM-Sonden entwickelt. Durch die Kopplung zweier Mikrostrukturen, einer plattenförmigen und einer balkenförmigen Mikrostruktur, werden AFM-Sonden vorgestellt, die sowohl eine hohe Resonanzfrequenz als auch eine niedrige Federkonstante aufweisen. Diese neuartigen AFM-Sonden bieten die Möglichkeit, die Grenzen der derzeitigen Hochgeschwindigkeits-AFM-Anwendungen substantiell zu erweitern

Besides capacitive and piezoresistive elements for sensing and actuating purposes, piezoelectricity is another well-established transducer mechanism in microelectromechanical systems (MEMS), experiencing increasing interest in recent years. Piezoelectric materials like the piezoceramics lead zirconate titanate (PZT) or aluminium nitride (AlN) are commonly used. However, these materials are typically very stiff and possess a high elastic modulus. In order to enable novel flexible and soft MEMS applications, ferroelectric or piezoelectric polymers, such as the copolymer of vinylidene fluoride and trifluoroethylene (P(VDF-TrFE)), were investigated in detail in this thesis. To that end, synthesised ferroelectric polymer thin films were analysed regarding their structural, mechanical, electrical and electromechanical properties. Ferroelectric polymers possess a low elastic modulus and a strong piezoelectric response and, thus, are predestined for soft and flexible MEMS applications. Ferroelectric polymer MEMS were achieved by applying a tailored silicon MEMS technology process using standard microfabrication techniques. In particular, MEMS cantilevers were fabricated and analysed. The piezoelectric and electrostrictive transducer mechanism of the ferroelectric polymer film was exploited to excite several vibration modes of a MEMS cantilever. These soft polymer MEMS cantilevers represent a promising platform to enable self-actuating and self-sensing AFM probes for the imaging of soft or biological samples. Furthermore, it was demonstrated in this work that current state-of-the-art high-speed AFM probes reached a performance limit when requesting both high resonance frequency and low spring constant. Therefore, a novel concept for high-speed AFM probes was developed. By coupling two microstructures, a plate-type and a beam-type microstructure, AFM probes are accessible that combine both a high resonance frequency and a low spring constant. These novel AFM probes provide the ability to push the limits of current high-speed AFM applications.