当日配布資料（855KB）

MEMSデバイスの電気機械変換効率を
飛躍的に高めるサブミクロン狭ギャップ
の形成技術
立命館大学理工学部機械工学科
教授鈴木健一郎
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研究の背景(1)：ワイヤレス情報通信
情報通信機器に対する社会の要望
 処理性能の向上
 通信能力の向上
 携帯性の向上
搭載電子デバイスの
高周波、小型化へ！
発振器、フィルタ：
水晶振動子
ＭＥＭＳ共振器
http://www.murata.co.jp/products/catalog/pdf/p36.pdf
http://blog.nitty-gritty.org/archives/000854.html
高周波・小型化に限界
小型化・集積化が可能
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研究の背景(2)：動き/化学成分のセンシング
ジャイロスコープ : 角度・角速度を検出
ガスクロマトグラフィー：化学成分の分析
振動型MEMSセンサの応用
１）ジャイロスコープ：デジタルカメラの手振れ補正
ナビゲーションシステム（GPSと併用)
２）振動型化学センサ：環境ガス成分、ヘルスケア等
メリット：安価・小型
（デメリット：低感度）
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現状の問題点(1)：高感度化の理論
MEMS共振器の課題：出力信号が小さい
 静電型デバイスの共振理論
C0 寄生容量
R1が信号減衰の原因
C0
C1
L1
R1
共振器等価回路
Ｒ１低減のためには
狭ギャップ化が効果的
R1 =
k : 共振器の
km
バネ定数
Qηe2 m : 共振器の質量
Q : 共振器Ｑ値
電気機械変換効率
ηe =
ε 0 SV
d
2
ε0:真空の誘電率
S :共振器と電極
の対向面積
V :電極への印加
電圧
d :共振器と電極の
ギャップ
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現状の問題点(2)：狭ギャップの作製
マイクロマシニング加工技術:
１．サーフェイスマイクロマシニング法
○ 狭ギャップ実現が容易（数ｎｍ）
× 製作プロセスが煩雑かつ困難
２．バルクマイクロマシニング法
○製作プロセスが容易
×狭ギャップ構造の作製が困難
Deep-RIE
狭ギャップを作製するには高価な装置が必要
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新規技術：移動電極のアイデア
g1
移動電極
Sliding DE
ストッパー
g0
２ステップ狭ギャップ作製方法：
1) バルクマイクロマシング法でデバイスを容易に作製
2) ポストプロセス（電極移動）により、狭ギャップを実現
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新技術の特徴と効果
従来、サブミクロンギャップを作製するには高価な装置を
必要とした。しかし、新技術を使うと、特別な装置を必要と
しない。このため、プロセスコストが大幅に低減する。さら
に、この技術は汎用的に適用でき、以下のように、種々の
デバイス性能を飛躍的に向上するのに役立つ。
機械電気変換効率が100倍以上に増大するため、
MEMSジャイロスコープの高感度化、
高感度な振動型化学分析センサデバイスの実現
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新技術の実証
•
狭ギャップを有し低損失なＭＥＭＳ共振器を評価
移動電極構造
ラメモード共振器
 狭ギャップの効果を評価
レーザードップラ振動計を用いた機械振幅
インピーダンスアナライザを用いた
インピーダンスと位相変化
発振器に適用可能か検討
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傾斜ギャップ構造
 初期ギャップの大きさが同じ
プロセス誤差に影響されにくい！
共振
ストッパー
プレート
ｇ＝ｇ０ーｇ０ × sinθ
ｇ０ µｍ
ｇ０/sinθ µｍ
θ
プルイン
移動電極
ストッパー
傾斜ギャップの傾きが大きいほど狭いギャップを作製でき
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デバイスの構造
傾斜ギャップと移動電極を組み合わせた共振器
＝八角形型ラメモード MEMS 共振器
共振プレート
傾斜ギャップ
移動電極
ストッパー
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ラメモード
特徴
明確な節が存在
→ 固定した際のロスを低減
節
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作製プロセス
• バルクマイクロマシニング技術
A
ボックス層
デバイス層
① Cr 膜蒸着
1 µm
300 µm
基板層
A’
A’
20 µm
② Cr 膜パターニング
A
③ ICP-RIE (デバイス層) ④ ICP-RIE (基板層)
移動電極
移動電極
ストッパー
共振
プレート
⑤ リリース
Si
SiO2
Cr
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ＳＥＭ写真
共振プレート
ストッパー
移動電極
ストッパー
500 µm
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電気測定結果
 インピーダンスアナライザ ( Agilent 9294A ) 測定
ＧＮＤ
測定条件
AC + DC
プルイン前
プルイン後
180
177
Before Pull-in
70
55
40
Z：約1/100
0.8
0.7
0.6
0.5
After Pull-in
Before Pull-in
174
171
168
20
10
0
After Pull-in
-10
-20
0.4
12.47
Phase (degree)
インピーダンス (MΩ)
100
85
ＤＣ: 58 Ｖ
ＡＣ: 0.5 Ｖrms
圧力: 40 Ｐａ
12.48
12.49
周波数 (MHz)
12.5
12.47
12.48
12.49
12.5
周波数 (MHz)
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振幅測定結果
測定条件
Laser Doppler Vibrometer
(Polytech UHF-120)
振幅：９１倍
45
4000
3600
振幅 [pm]
40
振幅 [pm]
ＤＣ: 65 Ｖ
ＡＣ: 1 Ｖ0p
圧力: 5 Pa
35
30
3200
2800
2400
2000
25
-800 -400
f0r
400 800
周波数 [Hz]
-800 -400
0fr
400 800
周波数 [Hz]
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ギャップと増幅率の考察
• 静電気力Ｆe は以下の式で表現
1
S 2
Fe = ε 0 2 V
2 d
ギャップ変化（測定値）：
３．３５ µm → ０．３４ µm
３．８０ µm → ０．８５ µm
ｄ：電極間のギャップ
ε0：真空の誘電率
Ａ：電極間の対向面積
• 機械測定による振幅増幅率は９１倍
• 計算上の増幅率は６４倍
想定される原因
移動電極
プルイン時に移動電極が平行に
移動しなかった
ずれる
広
狭
共振器
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まとめ：新技術の特徴・従来技術との比較
• 従来技術の問題点であった、小さな電気機械変換効
率を大幅に増大することに成功した。
• 従来は変換効率が小さいため低感度の使用に限ら
れていたが、感度を約100倍高くすることができたた
め、適用範囲を大幅に拡大することが可能となった。
• また、本技術の適用により、高価なプロセス装置が必
要でないため、製造コストが1/2～1/3程度まで削減
されることが期待される。
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移動電極をもつMEMS共振器
 移動電極がストッパに当たることにより狭ギャップを形成
Anchor Suspension
Sliding Electrode
Suspension
Anchor
：復元力
：静電気力
Stopper
Resonant Plate
Stopper
狭ギャップ形成が可能になったが駆動電圧が高い(約100 V)!!
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共振利用ダイナミック駆動方法
 振動体と移動電極間にAC電圧が重畳されたDC電圧を
印加し、プルイン電圧を低減させる方法
Anchor Suspension
振動
Sliding Electrode
振動
Suspension Anchor
振動
：復元力
：静電気力
Stopper
Resonant Plate
Stopper
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共振現象を利用した駆動原理
青線にDC電圧のみで駆動する場合(スタティック駆動)
赤線にダイナミック駆動の原理を示す
Gap(μm)
g0
V(DC)pull-in
(2/3)g0
V(DC+AC)pull-in
(1/2)g0
gh
0
Release
Vrelease
< Vhold
Vpull-in
電圧(V)
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駆動電圧の比較(実測値)
 DC電圧のみの供給(AC電圧＝0 V)するスタティック駆動法
では75 VDCもの高い電圧が必要
 4 VppのAC電圧を重畳させたダイナミック駆動法
では50 VDCの電圧でプルインが可能
駆動電圧の比較表(実測値)
Static Drive
(DC Voltage)
Dynamic Drive
(DC+AC Voltage)
Pull-in Voltage
75 VDC
50 VDC + 4 Vpp
Release Voltage
47 V
47 V
ダイナミック駆動法によって、駆動電圧が大幅に低下!!
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まとめ：実用化に向けた課題
• 現在、共振器について感度を約100倍増大させること
が可能なところまで開発済み。しかし、感度再現性の
点が未解決である。
• 今後、感度再現性について実験データを取得し、振
動センサや発振器に適用していく場合の条件設定を
行っていく。
• 実用化に向けて、感度再現性の精度を１％以内まで
向上できるよう技術を確立する必要もあり。
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企業への期待
• 未解決の感度再現性については、ドライエッチング技
術の条件だしにより克服できると考えている。
• センシングおよび高周波回路の技術を持つ、企業と
の共同研究を希望。
• また、共振デバイス（センサを含む）を開発中の企業、
高周波分野への展開を考えている企業には、本技術
の導入が有効と思われる。
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本技術に関する知的財産権
1)発明の名称：電極構造要素と振動構造要素を近接して配置
する方法およびこれを用いたＭＥＭＳデバイス
•出願番号
：特願2010-166015
•公開番号
：特開2012-029052
•出願人
：学校法人立命館
•発明者
：鈴木健一郎、谷川紘
2)発明の名称：MEMSスイッチ
•出願番号
：特願2011-260751
•出願人
：学校法人立命館
•発明者
：鈴木健一郎
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産学連携の経歴
• 2004-2007年
三洋電機㈱と共同研究実施
• 2005-2008年、2010-（継続）年
㈱半導体理工学研究センターと
共同研究実施
• 2006-2007年
施
三菱プレシジョン㈱と共同研究実
• 2006年
ニコン㈱と共同研究実施
• 2008-2010年
JST育成研究事業に採択
• 2012年（継続）
JST；A-STEP探索研究事業に採択
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お問い合わせ先
立命館大学
研究部リサーチオフィス（BKC）
近藤光行
ＴＥＬ：０７７－５６１－２８０２
ＦＡＸ：０７７－５６１－２８１１
e-mail：mka22017＠se.ritsumei.ac.jp
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