圧電MEMSエネルギ変換デバイス高性能化のための強誘電体不揮発応力メカニズム制御

铁电非易失性应力机制控制提高压电MEMS能量转换器件性能

基本信息

批准号：
18K04283
负责人：
山下馨
金额：
$ 2.83万
依托单位：
Kyoto Institute of Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2018
资助国家：
日本
起止时间：
2018-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-18K04283/
关键词：
圧電体共振応力周波数制御

项目摘要

圧電振動型MEMSデバイスにおいて，動的に共振周波数可変な機構を導入し飛躍的な高性能化を図る。今年度は，電圧印加時の撓み量と撓み形状の変化を考慮し，振動振幅が支配的になるモードの変化を詳細に評価して，超高解像度フェイズドアレイ超音波計測への応用のための制御方法を検討した。MEMSデバイスの圧電キャパシタにおいて，下部電極を共通とし，上部電極は内側にセンサ出力取り出し用，外側に電圧印加による共振周波数制御用の電極を設けている。電圧印加により撓み量が変化することにより共振周波数が変化するが，抗電界を超える高い電圧を印加すると外側電極部分の応力が特異的に増大するため，撓み形状が無電界時形状の相似形状から変化し，それにより生ずる振動モードが変化する状況が観測された。初期撓み量が3μm程度から10μmを超える範囲のダイアフラムにおいて，印加電圧範囲を0V（短絡状態）から抗電界の2倍に相当する10Vまで段階的に変化させ，支配的に生ずる振動モードと共振周波数の変化を詳細に計測した。その結果，初期撓み量が10μm程度のダイアフラムにおいて，0V時と8~10V時において，圧電出力に効率よく寄与できる中心対称形状の振動モードが現れ，かつ，共振周波数が80kHz程度から40kHz程度へ変化することがわかった。この周波数変化は提案している計測法に十分利用できる変化幅であり，電圧印加により再現性良くこの周波数を出現させることができれば，超高解像度フェイズドアレイ計測技術に適用できる可能性がある。

在压电振动 MEMS 器件中，我们的目标是通过引入动态改变谐振频率的机制来显着提高性能。今年，我们将考虑施加电压时的偏转量和偏转形状的变化，并详细评估振动幅度占主导地位的模式的变化，并旨在将其应用于超高分辨率相控阵我们研究了控制方法。在MEMS器件的压电电容器中，下电极是常见的，上电极具有内侧电极用于取出传感器输出，以及外侧电极用于通过施加电压来控制谐振频率。谐振频率随着电压施加引起的偏转量的变化而变化，但当施加超过矫顽电场的高电压时，特别是外部电极部的应力增大，因此偏转形状从类似形状变为当没有施加电场时观察到由这种变化引起的振动模式。对于初始挠度范围从约3μm到超过10μm的隔膜，施加的电压范围从0V（短路状态）逐步改变到10V，这是矫顽电场的两倍，并且主要的振动模式和共振我们详细测量了变化的频率。结果，在初始挠度约为10μm的振动膜中，在0V和8至10V处出现可有效贡献压电输出的中心对称振动模式，并且谐振频率从约80kHz变化至约40kHz我发现确实如此。该频率变化足够宽，足以用于所提出的测量方法，并且如果可以通过施加电压使该频率具有良好的再现性，则它可能适用于超高分辨率相控阵测量技术。