シリコンマイクロ構造体上圧電型センサアレイの共振周波数チューニング

硅微结构上压电传感器阵列的谐振频率调谐

• 批准号: 16760255
• 负责人: 山下 馨
• 金额: $ 2.37万
• 依托单位: Osaka University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• 财政年份: 2004
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2004 至 2006
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-16760255/
• 关键词: ダイアフラム; 撓み; 座屈; 残留応力; 共振周波数; 多層膜; 静的撓み

活性層を薄くすることによりダイアフラム撓みの効果をより強調することができたが、撓み形状プロファイルを注意深く観測したところ、上部電極部分でダイアフラムが平坦に近くなっていることが示唆された。当初よりダイアフラム全体の曲げ剛性が小さく静的撓み量が大きくなったため、上部電極の200nm厚の金の層による剛性の影響が無視できなくなったためと考えられる。そこで、上部電極の金薄膜の膜厚をより薄くし、電極による剛性の影響を低減することを試みた。通常強誘電体の上部電極としては下部電極同様白金が用いられるが、金は白金に比べて抵抗率が約1/5であるため、より薄い膜であっても電気的に問題なく接続できる可能性がある。実際に薄い上部電極を製膜して特性を評価した結果、50nm程度の膜厚までは電気特性に影響を与えないことを確認した。またウェハ内にばらつき少なく薄膜を形成するために、従来の抵抗加熱蒸着法に代わりスパッタリング法により製膜することとした。これによりウェハ内の約200のダイアフラムに±5%程度以内の膜厚ばらつきで上部電極を形成することができた。またこうして作製したダイアフラムの静的撓み形状は、平坦部分がなく理論カーブに近いプロファイルが得られた。このようにして形状を安定化した構造を用い、さらにダイアフラム全体の構造を修正して撓み量と共振周波数のばらつきを評価した。下部電極下の構造として従来の/SiO_2/Si構造、埋め込み酸化膜層を残した/SiO_2/Si/SiO_2構造および活性層まで除去した/SiO_2構造を作製した。また積層構造中唯一引張応力を生じるPZT層を上部電極下の必要部分以外除去した構造も作製した。これら構造の修正により、下向き撓みをもつダイアフラムでも感度を向上することができる。またこのようにして作製したダイアフラムは、上向き撓みを持つダイアフラムで最大25%程度の共振周波数ばらつきを持つのに対し、下向き撓みのダイアフラムでばらつきがほぼ±5%程度に抑えられることが分かった。

将活性层变薄，可以更加重视隔膜挠度的影响，但是仔细观察偏转曲线表明，隔膜在顶部电极部分处更接近平坦。这被认为是因为整个隔膜的弯曲刚度从一开始就很小，并且静态挠度的量增加了，并且在上部电极的200 nm厚金层引起的刚度的效果不容忽视。因此，我们试图使上电极上的金薄膜甚至更薄，并降低电极引起的刚性的影响。铂通常用作铁电材料的上电极，类似于下部电极，但金的电阻率约为铂的1/5，因此即使没有电气问题也可以连接较薄的膜。实际形成了薄的上电极并评估了特性，并证实该膜对膜厚度至约50 nm的膜厚度没有影响。此外，为了形成薄膜几乎没有变化的薄膜，该膜是通过溅射而不是常规的耐药加热沉积方法而形成的。这使得上电极在晶圆内大约200个隔膜上形成，膜厚度变化约为±5％。此外，因此被制造的膜片的静态挠度形状没有平坦的部分和靠近理论曲线的轮廓。使用了以这种方式稳定形状的结构，并且对整个隔膜的结构进行了进一步修改，以评估偏转和谐振频率的变化。下部电极下的结构被制造为常规/sio_2/si结构，剩余的氧化物层的A/SIO_2/SI/SIO_2结构，并取出了一个主动层。还制造了一种结构，其中除了上部电极下的必要部分外，除去了层压结构中唯一的PZT层（产生拉伸应力）。这些对结构的修改即使在隔离偏转的隔膜中也可以提高灵敏度。还发现，以这种方式制造的膜片具有共鸣的频率变化，其向上偏转的隔膜具有向上偏转的隔膜，其谐振频率约为25％，而隔膜的隔膜的隔膜下降，具有大约±5％的振荡。

项目成果

圧電型超音波マイクロセンサのダイアフラム構造制御による感度変化

压电超声微传感器膜片结构控制引起的灵敏度变化

• 发表时间: 2007
• 期刊: 平成19年電気学会全国大会講演論文集 3 (in press)
• 作者: H.Shimizu;Y.Nakano;Y.Takahashi;Y.Takahashi;澤口 直樹;M.Yokoyama;Y.Takahashi;T.Matsuda;D.Miura;安部 悟志;三浦 弘;梅川淳
• 通讯作者: 梅川淳

Static Deflection Control for Sensitivity Improvement of Diaphragm-Type Ultrasonic Sensors

用于提高隔膜式超声波传感器灵敏度的静态偏转控制

• 发表时间: 2005
• 期刊: Technical Digest of the 22^<nd> Sensor Symposium
• 作者: H.Shimizu;Y.Nakano;Y.Takahashi;Y.Takahashi;澤口 直樹;M.Yokoyama;Y.Takahashi;T.Matsuda;D.Miura;安部 悟志;三浦 弘;梅川淳;Kaoru Yamashita;K.Yamashita;K.Yamashita;Kaoru Yamashita;Nobuki Shimizu;清水 伸樹;Kaoru Yamshita;Kaoru Yamshita;Kaoru Yamshita
• 通讯作者: Kaoru Yamshita

Sensitivity improvement by complementary electrodes on deflected diaphragms of ultrasonic microsensors

通过超声波微传感器偏转隔膜上的互补电极提高灵敏度

• 发表时间: 2006
• 期刊: The 23rd Sensor Symposium on Sensors, Micromachines and Applied Systems
• 作者: H.Shimizu;Y.Nakano;Y.Takahashi;Y.Takahashi;澤口 直樹;M.Yokoyama;Y.Takahashi;T.Matsuda;D.Miura;安部 悟志;三浦 弘;梅川淳;Kaoru Yamashita;K.Yamashita;K.Yamashita;Kaoru Yamashita;Nobuki Shimizu
• 通讯作者: Nobuki Shimizu

Sensitivity change induced by static deflection of diaphragm in piezoelectric ultrasonic microsensor

压电超声微传感器膜片静态偏转引起的灵敏度变化

• 发表时间: 2004
• 期刊: Technical Digest of the 21^<st> Sensor symposium
• 作者: H.Shimizu;Y.Nakano;Y.Takahashi;Y.Takahashi;澤口 直樹;M.Yokoyama;Y.Takahashi;T.Matsuda;D.Miura;安部 悟志;三浦 弘;梅川淳;Kaoru Yamashita;K.Yamashita;K.Yamashita;Kaoru Yamashita;Nobuki Shimizu;清水 伸樹;Kaoru Yamshita;Kaoru Yamshita;Kaoru Yamshita;Kaoru Yamshita;K.Yamashita;山下 馨;H.Nishimoto
• 通讯作者: H.Nishimoto

Piezoelectric charge distribution on vibrating diaphragms with static deflection and sensitivity improvement of ultrasonic sensors

具有静态偏转的振动膜上的压电电荷分布和超声波传感器的灵敏度提高

• 发表时间: 2006
• 期刊: The 6th Japan-Korea Conference on Ferroelectrics
• 作者: H.Shimizu;Y.Nakano;Y.Takahashi;Y.Takahashi;澤口 直樹;M.Yokoyama;Y.Takahashi;T.Matsuda;D.Miura;安部 悟志;三浦 弘;梅川淳;Kaoru Yamashita;K.Yamashita
• 通讯作者: K.Yamashita