SStudy of acoustic radiation force-based actuators for optical MEMS

基于声辐射力的光学MEMS执行器的研究

基本信息

批准号：
19K04505
负责人：
佐々木敬
金额：
$ 2.75万
依托单位：
Tohoku University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2019
资助国家：
日本
起止时间：
2019-04-01 至 2021-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-19K04505/
关键词：
音響放射力ＭＥＭＳ MEMS 光MEMS マイクロマシニング

项目摘要

まず、音響放射力印可のためのMEMS超音波アクチュエータの製作および評価を行った。周囲が固定されたシリコン円板下部に狭い隙間を介し電極を配置した静電型の超音波アクチュエータを基本構造とした。強力な音圧発生のための最適構造を、円板の板厚、直径、および音響放射効率を用い推定した。この結果をもとに、直径1.2 mm、厚み57 um、電極間ギャップ1 umのデバイスを設計した。約50 Vの電圧振幅印可により、約600 kHzにおいて17.6 nmの振動振幅を得た。しかしながら、本構造のアクチュエータでは光MEMSの駆動をするに十分な音圧を得ることが難しかったため、音響放射力駆動型の光MEMSデバイスの実験及び評価のため、より強力な音圧を発生可能な圧電駆動型の超音波アクチュエータを利用した。本評価では、約2 umの薄い単結晶シリコン薄膜で製作した2 mm角のミラーがねじれバネで支持された構造を用いた。音波の周波数からMEMSミラーの共振周波数を大きく離し、影響が少なくなるように設計を行った。結果として、準静的に数十度の回転駆動を得た。音響放射力により光MEMSを駆動する方式は現在までに発表されておらずその有効性は明らかでなかった。一般に、駆動部には静電アクチュエータを除き、電気配線や圧電膜といった構造の製作が必要であるが、本方式ではそのような構造を組込む必要が無く、駆動部を簡便にすることが可能である。また、静電駆動型と異なり斥力を加えることができる。本研究期間を通じ、音響放射力を用いて光MEMSを駆動させることに成功した。音響放射力は音波を物体に照射することで発生する直流の力であるため、本質的に音波の交流成分による微振動は避けられないものの、構造の工夫により、光スキャナとして利用できることを実証した。これらの結果は、光MEMSデバイスの更なる発展に有用である。

首先，制造并评估了用于应用声辐射力的MEMS超声执行器。基本结构是静电超声执行器，其中将电极通过固定环境的硅盘底部的狭窄间隙放置。使用圆盘厚度，直径和声学辐射效率估算强大声压产生的最佳结构。基于这些结果，设计了直径为1.2 mm，厚度为57 um的设备，并且设计了1 UM的互电极间隙。通过施加约50 V的电压振幅，在约600 kHz处获得17.6 nm的振动振幅。但是，由于很难通过使用该结构的执行器获得足够的声压来驱动光学内存，因此使用了一个压电驱动的超声执行器，能够产生更强大的声音压力，用于实验和评估声学辐射力驱动的光学光学MEMS设备。在此评估中，由扭转弹簧支撑了由薄薄的单晶硅薄膜制成的2 mm方镜。进行了设计，以使MEMS镜像的共振频率与声波频率显着分开，并降低了效果。结果，获得了数十个度的准静态旋转驱动。迄今为止，尚无使用声学辐射力驱动光学内存的方法，其有效性尚不清楚。通常，除了静电执行器外，还必须制造诸如电线和压电膜之类的结构，但是使用这种方法，不必合并此类结构，并且可以简化驾驶部分。此外，与静电驱动的类型不同，可以使用排斥力。在这一研究期间，我们成功地使用声学辐射力驱动了光学内存。由于声辐射力是通过将声波辐射到物体上产生的直流力，尽管不可避免地是由于声波的交替电流成分引起的微振动，因此我们已经证明它们可以通过结构上的发明力将其用作光学扫描仪。这些结果对于进一步开发光学MEMS设备很有用。