ピエゾ抵抗型MEMS力センサの極限の追求

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。

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。