静岡大学との連携による新技術説明会

2014年11月7日

カリウムイオンエレクトレットを用いた新しいMEMS技術の展開
研究者：静岡大学 工学研究科教授 橋口 原
説明者：橋口 原
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従来技術とその問題点
既に実用化されている静電型MEMSセンサー、アクチュエータは、一般的に大きなバイアス電圧を必要とする。そのため、✓ 昇圧回路が必要（消費電力の増大、ノイズ源、電気機械変換効率小）✓ 低電圧では変位小等の問題があるが、そのような特性のものであるとの認識の上で作製されている。
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新技術の特徴・従来技術との比較• シリコン静電型MEMSのエレクトレット化に成功。昇圧回路を必要とせず。
• 静電型アクチュエータは電圧の2乗に比例する変位を発生するが、局所的なエレクトレット化により電圧に線形な駆動が可能。
• 本技術の適用により、消費電力の削減、感度の向上、ノイズの低減が期待されるばかりでなく、新機能デバイスの開発も可能。
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静電型MEMSをエレクトレット化するとバイアス電圧なし
でも高い電気・機械エネルギー変換効率

電圧軸が移動する。

x

小さな電圧でも大きく変位V0
静電型MEMSの弱点が克服される！

Ve
エレクトレット電圧

実用的には：➢昇圧回路がいらない。あるいは昇圧電圧を小さくすることができるので、従来より省エネ。
➢昇圧しても数10V程度であったものが、100V以上のバイアスを与えられる。
⇔センサの感度向上⇔振動型アクチュエータの高効率化➢Built-in電界場があるので、振動発電素子や静電トランスなどの新らしい機能デバイスが実現できる。
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カリウムイオンを用いたMEMS用エレクトレットの提案➢シリコン酸化膜内のアルカリイオンは可動イオンとして知られ、MOSトランジスタでは混入を最も避けるべき粒子である。

➢閾値を変化させる。→電位をもつ。
イオン半径（6配位）
A2

イオン半径の大きなカリウムイオンで、酸化膜のエレクトレット膜が形成できないか。

1.5
10.5
0Li+

Na+

K+

Rb+

Cs+
5エレクトレット層の形成-酸化酸化炉

酸化条件
イオン：カリウムイオン酸化温度：1200 K
KOH水溶液濃度：40 wt%
酸化時間10 h

窒素ガス
試料
KOH水溶液KOH酸化構成図

酸化膜が均一に形成されていることがわかる

SiO2Si1µm

Gap: 2µm くし歯拡大部のSEM像

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エレクトレット層の評価
SIMSによるカリウム濃度測定
カリウム濃度[atom/cm3]

SiO2反転層

カリウムイオンSi⊖⊕ ⊖ 電場
⊕ ⊕⊕⊕ ⊖⊖ ⊖⊕⊖SiO2

1.E+201.E+19空乏層

1.E+18Si

1.E+17
1.E+16SiO2

1.E+15Si

酸化後の帯電状態図

1.E+140200

400600深さ[nm]SIMS(Secondary Ion-microprobe Mass
Spectrometer:二次イオン質量分析計)
深さに対するイオンの量を計測する

カリウムイオンが界面に多く存在する。
負電荷が静電誘導されSi側に反転層と空乏層を形成する。
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CV測定
酸化膜厚：500nm

Capacitance [a.u.]

BT処理後

BT処理前

 m

理論値から 約10 mC-502-152V

測定：200 Hz, 0.7 V

0-217
V-100-150-200-250

Voltage [V]9帯電処理熱電対
帯電用ＤＣ電源

シリコンヒーター

10BT処理による帯電のその場観察
ヒーターON
1.8A,7.8V
大櫛歯間相対変位

櫛歯間交流電流（nA)

DC0V

徐々に電圧を0Vに戻す。

プローブ調整

DC0V

プローブ調整小櫛歯間相対電流
はIV変換器（×105)を介してロックインアンプで測定。

DC200V

1kHz,0.1Vrms
時間(秒)

11

帯電した櫛歯素子の電圧-変位特性

Capacitance current (nA)

2.1
2.0
1.9

200Vの帯電

1.81.71.61.5050100150200
変位はキャパシタンス間電流を測定し Applied voltage [V]

250たもので、絶対値ではない。

12

帯電後のIF特性

ロックインアンプの出力電圧（Ｖ）

帯電電圧200V（1μA/V）

A2
 − =mC02
A

共振(直列共振）

2R

帯電量が大きい。
ロックインアンプの入力電圧は0.1Vrms

力係数が大きい。
反共振(並列共振）

共振ー反共振周端数の差が大きい。

周波数(Hz)13

今回提案する新技術

静電アクチュエータ及び電位差検出装置
特願2014-88379
静大整理番号 13052HG008
発明者：橋口 原、杉山達彦
国立大学法人静岡大学

14これまでに差動電圧による駆動（東京大学 年吉先生）逆位相の電圧を印加することにより線形動作を実現

x=

4AV biasnk

電圧センサに使用する場合、バイアス電圧や位相反転回路が必要
エレクトレットを用いることでバイアスフリーかつ付加回路不要で線形動作
15線形に動くエレクトレットアクチュエータ
3端子櫛歯アクチュエータ＜変位と印加電圧の関係＞
変位（変化量）通常櫛歯

エレクトレットによる内部電位
Ve

nebV e2x=kd

エレクトレット化
櫛歯の変位

V力のつり合い

kx =

櫛歯の変位

neb (V -V e )x=d02-(nebVd2neb -2VV e +V e2kd

Ve

印加電圧
V

通常櫛歯の変位)
16作製した3端子櫛歯アクチュエータ
5.5 mmバネ

4.0 mm●駆動用櫛歯と検出用櫛歯は電気的に分離●ハンドル層で機械的に接続
検出用

駆動用

櫛歯深さ： 50 µm
櫛歯間ギャップ： 2 µm
初期重なり： 30 µm
櫛歯本数： 駆動用 500本、検出用 100本
共振周波数： 12.8 kHz
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アルカリイオンエレクトレットの形成＜アルカリイオン含有酸化膜の形成 – 熱酸化＞
Furnace

酸化後のアクチュエータ
酸化条件
イオン：カリウムイオン
酸化温度：1250 K
KOH水溶液濃度：40 wt%
酸化膜厚：1.3 µm

N2 gasSample
KOH+H2O＜荷電処理 – Bias Temperature ＞
帯電用ＤＣ電源(40 V)

櫛歯部

熱電対

高温 ( 650 ℃ 以上 ) でDC電圧を印加
処理時間 :~3分
シリコンヒーター

18特性例<測定系>

検出用
エレクトレット化
駆動用-9500 mV
1 kHz

Ax10
Relative Displacement [a.u.]

櫛歯間容量を計測

6.680

6.675

6.670

6.665

6.660
V

0102030

40Applied Voltage V [V]

印加電圧に比例した変位
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例想定される用途• 線形アクチュエータ→– 電圧基準フロアーの異なる系での電位計測– 印加電圧に線形な光スキャナ– 線形特性が必須の小型スピーカーなど• 上記以外に、多くの静電型MEMSデバイスのバイアスレス駆動、感度向上• また、電場があるので、振動発電素子や静電トランスといった新機能デバイスに展開することも可能と思われる。

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例

実用化に向けた課題• 現在、エレクトレットの長期信頼性を評価している。真空中における高温加速試験では、実用化できるデータが得られている。引き続き大気環境におけるデータを取得中である。
• １素子辺りのエレクトレット化時間を短縮し、量産化できる技術を確立する必要がある。
• 実用的なデバイスを作製し、パッケージを含めた信頼性試験を実施する必要がある。
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真空中での寿命予測-1dB低下ライン

約210,000年
約36,000年

室温（25℃）
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企業への期待• 長期信頼性については、耐湿保護膜の形成により克服できると考えている。
• ＭＥＭＳ製造技術を持つ、企業との共同研究を希望。
• また、振動型ＭＥＭＳを開発中の企業、センサー分野への展開を考えている企業には、本技術の導入が有効と思われる。

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本技術に関する知的財産権、問合先・発明の名称：静電アクチュエータ及び電位差検出装置（未公開）
・出願番号：特願2014-88379
・発明者：橋口 原、杉山 達彦
・出願人：国立大学法人 静岡大学
◎共同研究および関連する特許については、静岡大学イノベーション社会連携推進機構にお問い合わせください。

TEL : 053-478-1702
Email： sangakucd@cjr.shizuoka.ac.jp
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