ピエゾ抵抗型MEMS力センサの極限の追求

追求压阻式 MEMS 力传感器的极限

基本信息

批准号：
22H01433
负责人：
下山勲
金额：
$ 11.23万
依托单位：
Toyama Prefectural University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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

项目摘要

本研究の目的は、申請者らがこれまで研究を重ねてきたピエゾ抵抗型歪ゲージをもつカンチレバー型力センサ（圧力分解能：15 nPa、最小力分解能：1 pN、周波数帯域：～100 MHz）の寸法をnmオーダーまで小さくすると特性がどうなるのかという問いに、実験的・理論的根拠のある答えを与えることである。ピエゾ抵抗効果は結晶構造の歪みに依存して抵抗率が変化する現象である。その歪抵抗効果を決定づけるキャリアの密度は、単結晶シリコンの原子密度に比べて4～5桁小さいので、カンチレバーを極限まで小さく薄くすると、バルクの歪抵抗効果を維持できなくなると考えられる。また、材料の境界面の表面効果が歪抵抗効果の安定性に影響するとも考えられる。本研究では微小寸法のカンチレバーのピエゾ抵抗効果を実験的に確かめ、計算とも比較する。本年度、当初予定通り、n型シリコンピエゾ抵抗の基本的なピエゾ抵抗係数の評価方法の検証およびピエゾ抵抗係数の概算・評価を行った。これまでに試作を行ってきたシリコンピエゾ抵抗素子に対してナノインデンタを用いて外力を加え、変形させて場合の変形量と抵抗値変化率の関係を調査した結果を元にピエゾ抵抗係数を概算したところ、-1E-8 程度のピエゾ抵抗係数を有しているという計算値となり、従来報告値よりも一桁以上大きな値を示していることが分かった。この結果を元に、来年度以後はピエゾ抵抗係数が増大した原因の特定とその妥当性の検証を進め、また極限性能を得るための最適なドープ濃度の検証を進める。

这项研究的目的是为申请人过去一直在研究的悬臂力传感器的特征（压力分辨率：15 NPA，最小力频段：100 MHz）提供实验和理论答案。压电效应是一种现象，其中电阻率取决于晶体结构的应变。确定应变抗性效应的载体密度比单晶硅的原子密度小4到5个数量级，因此，如果使悬臂较小到极限，则认为不可能维持块状应变抗性效应。还认为，材料边界表面的表面效应会影响应变抗性效应的稳定性。在这项研究中，小型悬臂的压电效应经过实验验证，并与计算进行了比较。正如今年最初计划的那样，我们验证了N型硅压电的基本压电系数评估方法，并估计并评估了压电系数。估算了压平系数，该结果是根据调查变形量与电阻变化率之间的关系的结果，当时将纳米insoindenter应用于到目前为止已经进行了原型的硅压电元素，并且发现对以前的报道大约是一个有价值的，这比以前的有价值是更大的。基于这些结果，从明年开始，我们将继续确定压电系数增加的原因并验证其有效性，并验证最佳掺杂浓度以获得最终的性能。