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。

在压电振动类型的MEMS设备中，引入了具有动态可变谐振频率的机制，以极大地提高性能。今年，考虑到应用电压时的挠度和偏转形状的变化，我们详细评估了振动振幅占主导地位的模式的变化，并检查了用于在超高分辨率阶段阵列超声测量测量的应用中应用的控制方法。在MEMS设备的压电电容器中，下部电极很常见，并且上电极配有用于在内部提取传感器输出的电极，以及通过向外部施加电压来控制谐振频率的电极。当由于电压的应用而变化时，共振频率发生变化，但是当应用高压超过强制场时，外电极部分的应力特异性增加，因此偏转形状从相似的电 - 噪声形状的形状变化，从而改变了由于这种变化而发生的振动模式。在初始挠度量约为3μm至10μm的隔膜中，逐步更改了施加的电压范围从0 V（短路状态）更改为10 V，该电压范围对应于强制性电场的两倍，并详细测量了主流振动模式和谐振频率变化。结果，发现在初始挠度约为10μm的隔膜中，一种中央对称的振动模式可以有效地有助于对压电输出有效，在0 V和8至10 V处出现，谐振频率从约80 kHz变为约40 kHz。这种频率变化是一种可以在提出的测量方法中充分利用的变化，如果可以通过施加电压重现频率，则可能适用于超高分辨率的分阶段阵列测量技术。