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：
山下馨
金额：
$ 2.66万
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：
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：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22K04242/
关键词：
圧電体応力座屈変換効率圧電 MEMS 歪み

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。

这种压电电压mem设备的目的是使用压电效应转换机械和电能的目的，其目的是阐明将静态屈曲引入振动结构中以提高能量转换效率的机制，并阐明设计和制造方法以改善设备的性能。今年，我们研究了制造工艺，考虑到在压电体上的机械负载时，在屈曲含有压电主体的层压层状的MEMS膜片结构时发生，并制定了屈曲现象。层状隔膜结构表现出由于屈曲而表现出静态挠度的现象受到构成其构成的每一层的残留应力的影响，但是在我们的装置结构中，压电体产生的收缩力在这种现象中起着重要作用。压电层的收缩力导致屈曲力矩进入高转换效率的一侧，在该方面，压电层侧为凸，同时也会导致屈曲量减少。尽管试图通过减少这种拉伸应力来增加屈曲挠度，但是当偏转超过约5μm时，这种现象显着降低了灵敏度。这种降低灵敏度的原因目前还不够，但是在平坦的底物上形成压电层后，该结构被屈服，导致在压电层中发生拉伸应变，这已经进行了研究，因为这可能是原因之一。由于屈曲而在平面中产生的拉伸应变与偏转量的平方成正比，因此，如果挠度量在某种程度上增加，则拉伸应变的效果可能会显着更大。因此，作为一个改进过程，我们设计了一个在已经屈曲的隔膜上形成压电层的过程。为了实现这一目标，需要在脆弱的结构上形成压电主体的技术，但是在不破坏结构的情况下开始发现膜形成的条件。此外，在使用此过程对屈曲现象进行分析时，有必要考虑在压电层的形成过程中膜厚度的增加逐渐增加，而在压电层的形成过程中逐渐增加，并且该配方正在进行。将来，通过建立改进和完成分析方法的条件，我们将继续实现更大的屈曲偏转结构，而无需将负载施加到压电层。