SINTEF-forsker Frode Tyholdt speiler seg i glansen av en skive med piezeoelektrisk materiale, laget under en prosess han selv har utviklet ved SINTEF MiNaLab. Forkortelsen PiezoMEMS står for Piezoelektrisk Mikro-ElektroMekanisk System: Et satsingsområde som SINTEF har holdt på med i snart tjue år. Det har gjort at norske forskere i dag er verdensledende på feltet.
Skiven kan brukes til å lage brikker med vidt forskjellige høyteknologiske anvendelser. PiezoMEMS-teknologien brukes i et lynkjapt mobilkamera, spiller en viktig rolle i høyhastighets internett, gir maskiner evnen til å skille plasttyper for resirkulering og kan sjekke vannkvaliteten for oppdrettsfisken vår, for å nevne noe.
Den norske bedriften poLight var en av de første som tok i bruk teknologien fra SINTEF i en autofokuslinse for mobiltelefoner.
– Fordelen er at linsen bruker lite strøm og kan endre form på et millisekund slik at den er lynrask til å fokusere sammenlignet med andre linser, sier Tyholdt.
Men hvordan virker piezo-elektrisitet?
Forskeren forklarer:
I piezoelektriske krystaller oppstår det en ladning over materialet hvis det deformeres. Jacques og Pierre Curie oppdaget i 1880 den såkalte piezoelektriske effekten (av gr. piezein; «å presse», «å klemme») i enkelte krystallinske mineraler. I disse krystallene er ikke atomene helt symmetrisk plassert. Dette gjør at balansen mellom de positive og negative ladningene (atomene) forrykkes når materialet blir deformert, og man får en netto ladning over materialet.
Dette fungerer også motsatt vei. Hvis man setter en spenning over et piezoelektrisk materiale vil atomene flytte på seg på grunn av elektrostatiske krefter, og materialet utvider seg. Det er dette prinsippet som brukes for komponentene vi har utviklet på SINTEF.
Fakta om piezoelektriske materialer:
Piezoelektriske materialer har vært i bruk lenge, et tradisjonelt bruksområde er ultralyd, innen medisin og undervanns-lokalisering (SONAR). Norske forskere er i verdenseliten når det gjelder utviklingen av piezoMEMS, og SINTEF har patentert flere av brikkene som er utviklet. De jobber med å utvikle teknologien internt på MiNaLab ved Forskningsparken i Oslo med støtte fra Forskningsrådet og EU, og i samarbeid med kunder.
For mer informasjon: www.piezomems.com
Lages på ultraren lab
Tyholdt gjorde et lite scoop under arbeidet med doktorgraden sin ved UiO: Han utviklet en prosess for å integrere silisium med piezoelektrisk PZT, et hardt keramisk stoff som består av bly, zirkonium, titan og oksygen.
Dette gjorde det mulig å lage piezoMEMS-skiver.
Skivene produseres i dag på SINTEFs renerom i MiNaLab. Her skal det være så rent at vi må ha på oss heldekkende labdrakter slik at vi ligner Michelin-menn. I de mest kritiske områdene får ikke så mye som et støvkorn komme inn, og enda mindre et kamera Men laben har heldigvis sitt eget.
På laben sitter Tyholdts samarbeidspartner Jo Gjessing og studerer skiven i mikroskop. Den som skal etter hvert kuttes opp i brikker. De lages på en halv mm tynne silisiumskiver som ligner litt store CD-er dekket av en tynn elektrode av platina på 100 nanometer. Oppå den ligger den piezoelektriske filmen som er fra 1 til 2 mikrometer av PZT-materialet, det vil si bly-zirkonium-titanoksid.
Den piezoelektriske keramiske filmen får små mikrosystemer til å bevege seg raskt med minimum bruk av energi. Materialet generer også spenning når det trykkes sammen slik at det kan brukes som en sensor.
Om MEMS/mikrosystemer:
Mikroelektromekaniske systemer (MEMS) er miniatyriserte systemer, fra noen få nanometer opp til noen få mm, som har både elektriske og mekaniske funksjoner. Det grunnleggende mekaniske materialet er ofte silisium og metodene for framstilling er de samme som fremstilling av mikroelektronikk. Andre materialer som keramer, polymerer og metaller er med på å gi systemet forskjellige funksjoner. MEMS-forskere og utviklere har laget et stort antall mikrosensorer for nesten "alt mulig" som temperatur, trykk, treghetskrefter, kjemiske stoffer, magnetfelter, stråling osv. Det finnes også MEMS- aktuatorer som brukes i små mekaniske brytere, små resonatorer som brukes i biosensorer, små pumper og ventiler for å styre væsker for en analyse og små linser og speil for å manipulere lys, som beskrevet i denne artikkelen.
Ofte viser det seg at levetiden til mikrosystem-versjonen overgår makro-versjonen av samme komponent. Kilde: SINTEF
Mange bruksmuligheter
Mekaniske systemer med elementer godt under en halv mm kan høres futuristisk ut, men de fleste av oss har daglig nytte av teknologien: Airbag-sensoren i en bil er for eksempel et lite MEMS-akselerometer, og er du ute og reiser med fly sitter det sannsynligvis en MEMS-trykksensor, laget her på SINTEF MiNaLab, i systemet for høyde og hastighetsmåling.
– Det fine med å kombinere piezoelektriske materialer med MEMS, slik at vi får piezoMEMS, er at det åpner helt nye muligheter for å lage unike komponenter som kanskje ikke har vært mulige å realisere til nå.
– Vi ser at slike piezoMEMS-brikker kan være kjernekomponenter i IoT (tingenes internett), slik som smart home, smart energy, smart mobility osv, der fjernovervåkning med nye typer sensorer er viktig. Nå utvikler vi flere nye brikker mot disse markedene, sier Tyholdt.
Gir bedre gjenvinning av plast
Også i resirkulering av plast kan piezoMEMS være en viktig brikke. Ved plastresirkulering er det å skille ulike plasttyper fra hverandre en vanskelig oppgave. SINTEF har utviklet en optisk sensor for Tomra, som blant annet lager pantesystemer for drikkevareemballasje, som kan skille ulike plasttyper fra hverandre.
– Teknologien er veldig interessant for oss. I dag har vi en alternativ teknologi som for så vidt gjør jobben. Men det ser ut som den teknologen vi har utviklet med SINTEF, kan gjøre jobben bedre og billigere, sier Geir Sæther, teknologidirektør i Tomra.
Metoden som brukes er spektroskopi. PiezoMEMS-brikken er et justerbart optisk filter som analyserer nær infrarødt lys som har gått gjennom eller er reflektert fra plasten. Ulike plasttyper har ulike infrarøde fingeravtrykk, alt etter hvilke bølgelengder som går gjennom eller reflekteres, som det optiske filteret måler. Slik kan en identifisere hvilken type plast det er slik at den kan sorteres og resirkuleres riktig.
Hvor vidt de vil videreutvikle den avhenger av hvordan markedet for panteflasker blir.
– Teknologien fungerer veldig bra til dette formålet. Vi vil også undersøke om den kan brukes i resirkulering av andre produkter, sier Sæther.
– En kan tenke seg returstasjoner for plast som sorterer de forskjellige typene direkte. Dette kan gjøre at mer av plasten vi bruker kan brukes om igjen og det blir billigere fordi kostbare renseprosesser ikke er nødvendig, legger Tyholdt til.
«Raskere enn lynet»
Jo Gjessing studerer skiven som etter hvert skal kuttes opp i mindre brikker. Skivene lages på en halv mm tynne silisiumskiver dekket av en 100 nanometer tynn elektrode av platina. Foto: Lisbet Jære.
Tyholdt forteller hvordan bedriften Polewall bruker piezoMEMS-teknologi i et produkt som kan revolusjonere utrulling av høyhastighetsinternett og 5G-nettet. Det egner seg spesielt i områder med tett bebyggelse der det er vanskelig å trekke kabling og det er tett konkurranse mellom WiFi-signalene.
– Løsningen er å sende informasjonen via laserlys, slik man gjør i optiske fibre, bare uten fiberen. En må klare å treffe og holde en laser på et lite punkt 200 m borte. Det er litt av en utfordring, og her kommer piezoMEMS-brikken inn, i form av et speil på tre ganger tre millimeter. Siden den reagerer så raskt kan speilet korrigere laserstrålen så det hele tiden treffer mottakeren langt borte, selv om et høyhus svaier i vinden eller folk går rundt.
Kan avsløre gasslekkasje og dårlig vann
Hos Tunable Infrared Technologies, en oppstartsbedrift som er spunnet ut fra SINTEF MiNaLab, bruker de en metode som ligner Tomras, men til å detektere gasser i stedet for plast.
– Akkurat nå har vi et prosjekt på gang for å måle vannkvaliteten i fiskeoppdrett ved å måle CO2-innholdet i vannet, sier Thor Bakke, som var med å grunnlegge bedriften i 2015.
Metoden er den samme som brukes i å skille plasttyper fra hverandre. PiezoMEMS-brikken er altså et justerbart optisk filter. Gassen har et infrarødt fingeravtrykk som det optiske filteret måler. Det er mulig å programmere filteret slik at det kan detektere helt forskjellige gasser og konsentrasjonen av disse. En vanlig gassensor kan derimot vanligvis bare kan måle én gassblanding.
– Et annet prosjekt vi har på gang er overvåking av transformatorer. Det er et problem at noen transformatorer begynner å brenne. I dag har vi sensorer som er upålitelige og gir falske alarmer eller ingen alarmer i det hele tatt. Med denne teknologien kan en oppdage en feiltilstand i gasskonsentrasjonen. Flere energiselskaper har vist interesse, sier Bakke.
Skal ut på markedet
Tyholdt forteller at det har tatt tid å vekke kommersiell interesse, noe som er vanlig i utvikling av nye produkter som lages med nye prosesser. Teknologien og designet for kameralinsen til selskapet poLight lå klar allerede i 2006, men det fantes ingen prosess for å produsere dette i store volum. Men nå er de klare til å introdusere produktet i markedet.
– Vi opplever en økende kommersiell interesse for bruk av piezoMEMS-teknologi både nasjonalt og internasjonalt med bakgrunn i digitaliseringen som skjer i samfunnet, sier Frode Tyholdt.
