Väitös, elektroniset ja digitaaliset järjestelmät, MSc Artem Gabrelian

Väitöskirjan nimi: Designing In-Plane Piezoelectric MEMS and NEMS: Vertical Sidewall Transducers from Micro- to Nanoscale.

Väittelijä: Artem Gabrelian
Vastaväittäjä: Dr. Marc Sansa, CEA – Leti, Ranska
Kustos: Prof. Mervi Paulasto-Kröckel, Aalto-yliopiston sähkötekniikan korkeakoulu

Älypuhelinten näytönkierrosta ja autojen turvatyynyjen laukaisimista aina alati kasvavaan esineiden internetin (IoT) anturiverkostoon asti mikroelektromekaaniset järjestelmät (MEMS) ovat nykyaikaisen elektroniikan perusta. Kuitenkin samalla kun kuluttajat ja teollisuus vaativat laitteilta enemmän ominaisuuksia, pienempää energiankulutusta ja nopeampaa toimintaa, näiden pienten antureiden perinteiset valmistustavat ovat saavuttamassa rajansa. Tämä väitöskirja tutkii uudenlaista ratkaisua tähän ongelmaan muuttamalla näiden mikroskooppisten laitteiden arkkitehtuuria vaakasuuntaisista tasorakenteista pystysuuntaisiksi. Hyödyntämällä pietsosähköisiä materiaaleja, jotka muuttavat mekaanisen liikkeen sähköksi ja päinvastoin, pystysuorilla seinämillä tutkimus onnistuu skaalaamaan tämän teknologian nanomittakaavaan.

Perinteisesti näiden antureiden toimintataajuutta ja suorituskykyä on rajoittanut niiden rakentamiseen käytettyjen litteiden materiaalien paksuus. Siirtymällä pystysuuntaiseen, tason suuntaiseen rakenteeseen tämä tutkimus ohittaa kyseiset rajoitukset. Se antaa insinööreille mahdollisuuden hallita laitteen taajuutta yksinkertaisesti muuttamalla sen asettelua valmistusvaiheessa, mikä mahdollistaa useiden erilaisten antureiden toiminnan yhdellä ja samalla sirulla. Lisäksi pystysuuntainen rakenne mahdollistaa moniuloitteisen liikkeen huomattavasti pienemmässä fyysisessä tilassa.

Pystysuorien rakenteiden kutistaminen nanomittakaavaan asettaa merkittäviä valmistushaasteita, sillä mikromittakaavan tai litteiden nanolaitteiden valmistukseen käytetyt vakiomenetelmät eivät sellaisenaan sovellu kolmiulotteisiin nanorakenteisiin. Tämän tutkimuksen päätulos on onnistunut, varta vasten kehitetty nanomittakaavan valmistusprosessi. Tutkimus osoittaa, että aktiivisten pietsosähköisten kalvojen, tarkemmin sanottuna alumiininitridin, kerrostaminen pystysuorille seinämille on mahdollista nanomittakaavassa. Tätä uutta menetelmää käyttäen tutkimuksessa rakennettiin ja testattiin onnistuneesti toiminnallisten laitteiden alusta, johon lukeutui staattisia kytkimiä, erittäin herkkiä massa-antureita sekä gigahertsialueella toimivia, erittäin nopeita akustisia resonaattoreita.

Tämän väitöskirjan esiin tuomat löydökset tarjoavat käytännönläheisen kehyksen teknologiayrityksille ja anturikehitykselle. Tässä kehitettyä pystysuuntaista valmistusprosessia voidaan soveltaa seuraavan sukupolven älylaitteiden, erittäin kehittyneiden IoT-antureiden sekä pienenpieniä fyysisiä massoja havaitsevien ultraherkkien laitteiden luomiseen. Lopulta tutkimus osoittaa, että pystysuuntainen, tason suuntainen pietsosähköinen suunnittelu on vankka ja lupaava suuntaus mikro- ja nanoelektroniikan tulevaisuudelle. Se avaa uusia fyysisiä mahdollisuuksia, jotka ovat saavutettavissa vain nanomittakaavassa.

Avainsanat: MEMS, NEMS, pietsosähköinen, AlN, anturit, gyroskooppi, FBAR, ALD, miniatyrisointi

Linkki väitöskirjan sähköiseen esittelykappaleeseen (esillä 7 päivää ennen väitöstä): Aalto-yliopiston riiputussivu

Yhteystiedot:
artem.gabrelian@aalto.fi
https://www.linkedin.com/in/artgab