座屈制御歪み構造体上での圧電MEMSデバイスの変換効率飛躍的向上メカニズムの解明
阐明屈曲控制应变结构上压电 MEMS 器件转换效率显着提高的机制
基本信息
- 批准号:22K04242
- 负责人:
- 金额:$ 2.66万
- 依托单位:
- 依托单位国家:日本
- 项目类别:Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
- 财政年份:2022
- 资助国家:日本
- 起止时间:2022-04-01 至 2025-03-31
- 项目状态:未结题
- 来源:
- 关键词:
项目摘要
圧電効果を利用して機械・電気エネルギー変換を行う圧電MEMSデバイスにおいて,振動構造に静的座屈を導入することによりエネルギー変換効率が向上するメカニズムの解明と,デバイス高性能化の設計・製造手法を明らかにすることを目的としている。今年度は,圧電体を含む積層MEMSダイアフラム構造の座屈に際して生ずる圧電体への力学的負荷を考慮した製造プロセスの検討と,座屈現象の定式化を進めた。積層ダイアフラム構造が座屈により静的撓みを呈する現象は,構成する各層の残留応力に影響されるが,我々のデバイス構造においては圧電体が収縮力を生じることがこの現象に重要な役割を果たしている。圧電層の収縮力は,圧電層側が凸となる高変換効率側への座屈モーメントを生じる一方で,座屈量の低下を招く。この引張応力を低減することにより座屈撓み量を増大することが試みられたが,撓み量が5μm程度を超えると大きく感度が低下する現象が見られた。この感度低下の原因解明は今のところ十分ではないが,平坦な基板上に圧電層を形成した後に構造を座屈させるため,圧電層に引張歪みが生じており,これが原因の一つである可能性が検討された。座屈により面内に生じる引張歪みは撓み量の2乗に比例するため,撓み量がある程度大きくなると引張歪みの影響が格段に大きくなりうる。そこで改良プロセスとして,すでに座屈しているダイアフラム上へ圧電層を形成するプロセスを考案した。これを実現するためには脆弱構造上に圧電体を形成する技術が必要であるが,構造を破壊せずに製膜する条件を見出しつつある。またこのプロセスによる座屈現象の解析には,圧電層の形成途中に膜厚が段階的に増加することによる面内力の増加を考慮する必要があり,その定式化を進めている。今後改良プロセス条件の確立とその解析方法の完成により,圧電層に負荷を与えずにより大きな座屈撓み構造を実現できるように進めてゆく。
阐明通过在利用压电效应转换机械能和电能的压电MEMS器件的振动结构中引入静态屈曲来提高能量转换效率的机理,以及提高器件性能的设计和制造方法。 。今年,我们研究了一种制造工艺,该工艺考虑了当包含压电材料的堆叠 MEMS 隔膜结构发生屈曲时压电材料上发生的机械负载,并且我们继续对屈曲现象进行公式化。叠层隔膜结构因屈曲而表现出静态挠曲的现象受到其各构成层中的残余应力的影响,但在我们的器件结构中,压电材料产生的收缩力在该现象中起着重要作用。是。压电层的收缩力导致朝向高转换效率侧的屈曲力矩,其中压电层侧变得凸出,但也导致屈曲量减少。尝试通过减小该拉伸应力来增大压曲挠曲量,但观察到当压曲量超过约5μm时灵敏度显着降低的现象。尽管尚未完全阐明这种灵敏度降低的原因,但考虑了一种可能性,即由于在平坦基板上形成压电层之后由于结构的屈曲而在压电层中产生拉伸应变。由于屈曲而在平面内产生的拉应变与挠曲量的平方成正比,因此当挠曲量增大到一定程度时,拉应变的影响会变得非常大。因此,作为一种改进的工艺,我们设计了一种在已经弯曲的隔膜上形成压电层的工艺。实现这一目标需要在脆弱结构上形成压电材料的技术,但在不破坏结构的情况下形成薄膜的条件正在被发现。另外,为了分析该过程引起的屈曲现象,需要考虑到压电层形成过程中由于薄膜厚度逐步增加而导致面内力的增加,我们正在研究制定这个公式。未来,通过建立改进的工艺条件和完善分析方法,我们将能够在不对压电层施加任何载荷的情况下实现具有更大屈曲挠度的结构。
项目成果
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专利数量(0)
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