マイクロアクチュエータの遠隔駆動のための光・運動変換機構

用于微执行器远程驱动的光动转换机制

基本信息

批准号：
10750233
负责人：
山下馨
金额：
$ 1.34万
依托单位：
Osaka University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Encouragement of Young Scientists (A)
财政年份：
1999
资助国家：
日本
起止时间：
1999 至无数据
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究では、エネルギーの源とその伝達、およびマシン内での動力への変換をマイクロサイズのデバイスで行なうという問題を克服し、単独で自由に動き回る「トラベリングロボット」を実現し得る駆動機構として光電効果と圧電効果を組み合わせた遠隔駆動機構を提案している。光電変換部のa-Si太陽電池の直接接続構造の作製において、従来レーザアブレーションによる加工を行なっていたが、多数のセルの直列接続を作製するには時間がかかり過ぎ(加工時間はセルの数にほぼ比例する)るため、RIEによるドライエッチングによる加工を行なった。加工条件として、反応ガスとしてCF_4とO_2の混合ガスを20sccm:1.0sccmの比率で用い、50mTorrの圧力下でRF電力50Wでのエッチングという最適値を得た。このときのa-Siのエッチングレートは130〜160nm/min、フォトレジストが120〜160nm/minとなり、両層の膜厚を考慮に入れると充分な選択比である。また、この条件においては透明・不透明電極のITO,Al,Pt/Tiともエッチングレートは測定誤差以下であった。また、圧電層としてsol-gel PZT薄膜を用いた。製膜プロセスの最適化によりスピンコート3,000rpm→乾燥320゜C×10min→結晶化アニール600゜C×10min(酸素雰囲気中)の条件を得、膜厚750nmの薄膜において電界130kV/m印加によるポーリングによって圧電h_<31>定数で900MV/mというバルクセラミックスに匹敵する圧電膜を得た。更にマイクロ構造を作製する際に必要となるPZTのパターニング条件を最適化した。従来PZTのエッチングに用いられてきた弗酸と塩酸の混合液によるエッチングに代えて、バッファード弗酸と10%塩酸で交互にエッチングすることにより、サイドエッチ量2.5μm以下で再現性良くエッチングすることができた。最後に作製した直列接続太陽電池とカンチレバー型ミニチュアサイズ圧電アクチュエータを接続してチョッピング光照射によりアクチュエータを駆動し、特性を測定した。太陽電池の発生電圧の遮断周波数は無負荷時120Hzであるのに対し、アクチュエータ接続時は60Hzに低下した。しかしながら、アクチュエータの共振周波数である30Hzおよび60Hzにおいて、アクチュエータ駆動時にも発生電圧の低下が見られないことから、アクチュエータ駆動用電源として充分な特性が得られていると言える。

在这项研究中，我们将克服利用微型器件在机器内部获取能量、传输能量并将其转化为电能的问题，并利用光伏作为驱动机构，实现独立自由移动的“行走机器人”我们提出了一种结合了压电和压电效应的远程驱动机制。传统上，在光电转换部分采用激光烧蚀来制造非晶硅太阳能电池的直接连接结构，但制造许多电池的串联需要花费太多时间（处理时间取决于电池的数量）。 (大约成正比)，通过使用RIE的干法蚀刻进行加工。采用CF_4和O_2混合气体作为反应气体,比例为20 sccm:1.0 sccm,刻蚀压力为50 mTorr,射频功率为50 W,得到最佳工艺条件。此时，a-Si的蚀刻速率为130至160nm/min，光致抗蚀剂的蚀刻速率为120至160nm/min，当考虑到两层的膜厚度时，这是足够的选择性。此外，在这些条件下，ITO、Al和Pt/Ti的透明和不透明电极的蚀刻速率低于测量误差。另外，使用溶胶-凝胶PZT薄膜作为压电层。通过优化成膜工艺，得到了旋涂3,000rpm→干燥320℃×10分钟→结晶退火600℃×10分钟（氧气气氛中）、施加电场极化的条件。 130 kV/m 到厚度为 750 nm 的薄膜我们获得了压电 h_<31> 常数为 900 MV/m 的压电薄膜，这与块体陶瓷相当。此外，我们还优化了制造微结构所需的 PZT 图案化条件。通过用缓冲氢氟酸和10%盐酸交替蚀刻，代替传统上用于蚀刻PZT的氢氟酸和盐酸混合物的蚀刻，可以实现侧蚀刻深度为2.5μm或更小的蚀刻，并且具有良好的再现性我能够做到这一点。最后，我们将制作的串联太阳能电池连接到悬臂微型压电执行器，用斩波光照射驱动执行器，并测量其特性。当无负载时，太阳能电池产生的电压的截止频率为120Hz，但当连接执行器时，截止频率降至60Hz。然而，在致动器的谐振频率为30Hz和60Hz下，即使在驱动致动器时也没有观察到产生电压的下降，因此可以说已经获得了作为用于驱动致动器的电源的充分的特性。