圧電性半導体の光・運動変換を用いたマイクロマシンの遠隔駆動機構

利用压电半导体光动转换的微机械远程驱动机构

基本信息

批准号：
08750370
负责人：
山下馨
金额：
$ 0.7万
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：
1996
资助国家：
日本
起止时间：
1996 至无数据
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-08750370/
关键词：
光電変換圧電素子遠隔駆動振動駆動選択駆動マイクロマシン

项目摘要

本研究で提案した光電効果と圧電効果を組み合わせた遠隔駆動機構は、マイクロマシンにおいて、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期待される。光電変換部の最適化を図るため、a-Si太陽電池の直列接続構造を作製し、アクチュエータとしてPVDFを選びこれを駆動することで特性を測定した。基板としてガラス基板及びSi基板を用いた。ガラス基板の場合は基板からの光入射、Si基板の場合は上部電極を透明とし上部からの光入射とする。上部、下部各電極は、透明の場合はITOあるいはZnOを、また不透明の場合は反射率を考慮しAl,Al/ITO/あるいはITO/Alを用いた。直列接続構造として、マスク蒸着による絶縁とワイアボンディングによる接続を用いたディスクリートモデルと、レーザアブレーションによる微細加工を用いた集積モデルを作製したが、集積モデルは各膜の作製条件と微細加工の条件の最適な組合せを見い出すまでに至らず、充分な数の直列接続構造が得られなかったので、主にディスクリートモデルで特性を測定した。直列接続の素子数の増加と共に、開放電圧はほぼ素子数に比例して増加し、ソ-ラシミュレータ(AM=1.5,100mW/cm^2)照射時に素子数24で最大15.9Vを得た。また短絡電流は、素子数20程度では若干減少するものの目立った変化は見られず、同じく素子数24で200μAを得た。ディスクリートモデルでは素子間の接続抵抗が比較的大きいが、集積モデルの加工プロセスの最適化により接続抵抗を減らすことができ、さらなる性能向上が期待される。また、チョッピング光照射によるPVDFアクチュエータの振動駆動を試み、アクチュエータの共振周波数に合わせたチョッピングにより複数のアクチュエータを選択的に駆動できることを確認した。負荷時の発生電圧は約250HzまでDCと変わらず、その後周波数の1/2乗に反比例して低下したが、素子数の増加によるカットオフ周波数の低下は見られなかった。このことから直列接続太陽電池が振動駆動の電源としても有効であることが示された。

本研究提出的结合光电和压电效应的远程驱动机构克服了利用微型器件获取能量、传输能量并将其转换为机器内部动力的问题，有望成为一种可以实现的驱动机构。可以自行自由移动的“旅行机器人”。为了优化光电转换部分，我们制作了a-Si太阳能电池的串联结构，选择PVDF作为执行器，并通过驱动它来测量特性。使用玻璃基板和Si基板作为基板。在玻璃基板的情况下，光从基板射入，在Si基板的情况下，使上部电极透明，光从上方射入。对于上下电极，考虑到反射率，透明情况下使用ITO或ZnO，不透明情况下使用Al、Al/ITO/或ITO/Al。作为串联连接结构，我们创建了使用掩模蒸发绝缘和引线键合连接的离散模型，以及使用激光烧蚀微加工的集成模型，因为我们无法找到最佳组合，也无法获得足够的数量。对于串联结构，我们主要使用离散模型来测量特性。随着串联元件数量的增加，开路电压几乎与元件数量成正比增加，当用太阳模拟器（AM=1.5,100mW/cm^）照射时，24个元件获得最大15.9V 2）。此外，虽然在元件数为20个左右时，短路电流略有下降，但没有观察到明显的变化，在元件数为24个时，得到了200μA。在离散模型中，元件之间的连接电阻相对较高，但通过优化集成模型的制造工艺，可以降低连接电阻，有望进一步提高性能。我们还尝试使用斩波光照射来振动驱动 PVDF 致动器，并确认可以通过与致动器的谐振频率相匹配的斩波来选择性地驱动多个致动器。负载下产生的电压从DC到约250Hz都没有变化，然后与频率的1/2次方成反比地下降，但是没有观察到由于元件数量的增加而导致截止频率下降。这表明串联太阳能电池作为振动驱动电源也是有效的。