マイクロアクチュエータの基礎佐々木実
mnr-sasakiあっと toyota-ti.ac.jp
http://www.toyota-ti.ac.jp/mems/index.htm
最新とはいきませんが、基本が何で、無理せず難易度を上げないかのポイントを紹介します。

アクチュエータ製作の難易度（個人的意見）
製品レベルではなく、とにかく動くものという意味で

難易

熱

電磁

圧電

静電（高いEnergy密度）（コイル作り。
外部磁場は他で用意。）（材料の用意が必要）（力が微弱。
不安定現象もある）

静電アクチュエータから紹介する研究ツールとして使うならSOI-MEMSがお手頃（うちの4年生でも電学論133-E (2013) 354）

確立し易いSOI-MEMSプロセス：デザイン勝負
0.005-0.01
W-cm

SOI wafer

Si 25±0.5μm
SiO2 2±0.2μm
Si(handle) 500±2μm

AA

A’

A’
cross-section① Resist patterning
Resist② Deep-RIE③ Resist removal④ HF etching of SiO2

エッチングのばらつきを抑えるため
Aspect Ratio : <10Etching : <300mm
が見通し良し上手くなるコツ：RIE lag を感じること

普通は開口幅が広い（アスペクト比が低い）程、エッチングが速い
時間をかけても打ち止めで進まなくなるやってしまいがちなバネデザイン

周期可変回折格子 spring

3.2mm

200mm

200mm
80mm
AR: 2.5
AR: 3.310mm
AR: 20=200/10

電学論 120-E (2000) 503

トレンチ幅を揃えるデザイン
重要部分のトレンチ幅は全て11mm オーバエッチングを最小に電学論, 126-E (2006) 168

BOX層到達直前から見る

エッチング速度の微妙な違い

狭い(w3mm)トレンチでエッチングが遅い

5mm
w10mm
w17mm

w32mm

オーバエッチングは必ず入ると考えるべき

広すぎるトレ
ンチもエッチング速度が遅い

重要な機能部分を守るダミー構造

犠牲層エッチングのリリースで取れる。

アスペクト比をほぼ同じにする

デバイス特性とは直接関係無く、RIEのために入れる

構造に付けてしまうダミー構造
外れたダミー構造はゴミになるので避けたいことがある埋め込み酸化膜の圧縮応力は侮れない
裏面mask v.1

裏面mask v.2
2050mm（注）黒いスス状のものは貼り付けレジストの残り基板Si領域を広く取り除くミラー等（左）では、広い穴をあけた領域で、残ったSi構造ごと割れることがある。メッシュ状のフィラーにより、Si構造を保護する。残したフィラーは、犠牲層エッチングで取り除く。

静電アクチュエータ

http://www.city.kawasaki.jp/820/page/0000037950.html

長所：省エネ。低発熱。特殊な材料は不要。
短所：高電圧になりがち。
応答性：電場は高速。機械構造で決まる。

パーツの気を使い度（通常ケース）

移動体 < 電極 < バネEbt 3k4L3t3 で効く
寸法にシビア移動体：用途が許す範囲で穴あき構造にする

fr up, stickingを防ぐ

電極1: 平行平板（gap-closing）型
Larger Vkx

VFeSkeg
1  0 SV 2Fe 2 g  x 2d 2x
m 2  kx  Fedt Fe ( x) Slope against Dx = spring constant 0 SV 2g  x 3Dx  Fe ( x)  ke Dx

ke が k を超えると不安定。ギャップ依存性が強い。
（ギャップが初期値gから、その1/3に減るまでが目安）

Gap-closing型では避けようがないPull-in特性2

 V   27 x 1  x  gV4g
 pullin stopper2Theory
0.4

Pull-in

FeVx/g

0.3
0.2
0.1

Experiment

000.2

0.4

0.6

V / Vpull-in

0.81

電極 2：水平櫛歯型アクチュエータ
Cunit  2C//  2C

movable comb

whl  s  x h
 2 0 2 0sx
gCtotal  NCunit

C //

 w
lsxg 2 0 NhCxg hsx
CCw
1 Ctotal 2F// Vs2 x w
1 2  0 Nh  V2
fixed comb
 s  x  g w
1
Paired C cancels force.
Whens  x 2 g
F// のギャップ(s-x)依存性が無くなり F   0 Nh V 2//
g
Pull-in不安定性を回避。
yl-s

//

櫛歯が重なれば、ギャップ依存性の少ない力となる
重なり幅 d にも依存しない

gg-x
2
1  0 SVmFe 2 g  x 2

櫛歯が近づくとEが増加
Gap-closingの性質に近い高電圧が必要となり易い

dF// 

 0 Nhg

パターニングを確実に近接露光とし、櫛歯が重なるようにする

V2

linear engaging型櫛歯は Fを半減できる
Vd//F  dF//   0Nf hg

V2

d に無依存N f  0 hd  11  2VF 22 2 g  x  g  x  d に比例重なり幅 d を減らせるということは、目的変位//方向に対して⊥方向の力を減らせることになる。
Grade et al., J. MEMS 12 (2003) 335.

バネの柔らかい / 硬い方向
soft/
hard

hard

soft

soft

soft

Tether

soft

hard

soft

FoldedFolded-flexure

Meander

梁に加わる引張り応力が緩和される。変位は線形より。

変位させたい軸方向にだけ動く。

どの方向にも動いてしまう。電磁駆動のように対称性が良い力なら組合せ良。

(牛馬をつなぐロープ)

梁が大変位する際には伸びつつ曲がる。変位は非線型。

学部の材料力学で習う梁のたわみは
2d ydx 2

M 1d2y  23/22EI R dxdy 1      dx  qMy

曲げモーメント M のみを考慮している
細長い梁を仮定し、せん断力 F は無視している：許せる
回転支持や移動支持を仮定し、伸び縮みは通常考慮しない：注意が必要

xTether型の両端固定バネの異方性//Lshuttlebfixed endk//  2Ehb 3 / L3 M で変形k  2Ehb / Lk  L  k //  b s で変形

2

例：真直ぐ状態を仮定しL=500mm, b=2mmで62500倍の異方性⊥方向の変位を抑制できる
但し、変位 d~0 のとき

Tether型の両端固定バネの非線形性
3FL b d 3  d      3hb4L b 4b  E122L4

バネが伸びないと変位できない。
線形範囲の目安 d ~b。

d3d/b2bfixed end

b=2mm
L=500mm1000.511.5

2

FL2 / EI

S. D. Senturia, “Microsystem Desing” Chap.10

Folded-flexure suspensionが基本

Folded-flexure suspensionが基本

//Folded-flexure suspensionが基本

Folded-flexure suspensionは//変位は足し、⊥変位は打ち消し合う
注：ペアとなるバネ長さは同一にすること効果が減ってしまう//

バネの異方性k//  2Ehb 3 / L3

バネの変位は1/2で良いが、4つk  2Ehb / L

長さ2Lの梁が4つk  L  k //  b 2

例：真直ぐ状態を仮定し異方性はFixed-fixed beamと同じFolded-flexure suspension線形領域
先端に角度が入るが片持ち梁の線形性は広い

d~0.1 Lまで線形

R. Legtenberg et al. J. Micromech. Microeng. 6 (1996) 320

小型化は検討の価値あり

一見不思議な構造でも、基本形と同じですよね。
小さくできることは良いこと
1. 単位面積当たりデバイス数の増加
2. 欠陥が入り難く、歩留りが上がるrectangular

Prebentバネの長所 (力増加に合わせて丈夫に)Displaced condition is weak (smaller k ) in thedirection perpendicular to the displacement.

k

Risk of buckling

displacement

//k⊥(N/m)

5000

Prebent spring

4000

Rectangularspring

3000
2000
1000

k0prebent

0displacement

2040// displacement(mm)60Displaced condition is stiff (larger k  ) in the
direction perpendicular to the displacement.

変位垂直方向の pull-in が最大変位を決める
prebent
tiltedrectangularkDisplacement [ mm]302010

rectangular tilted

prebent00

initial

2000
4000
6000
Square of driving voltage (V2)

ねじれ剛性upにはサスペンションの2重化
2本の配置幅で効果

XY ステージの例

デザイン (x:linear, y:counter mass)y

Actuator patternstages

3.5mm

xFx

Fy
Fy

Vx

1.75mmOxide layer

Vy

できるだけ同じデザインのバネで支える。

Our work ~2006
JJAP 47 (2008) 3226

製作デバイス: 基本に忠実な組み合わせ
Actuator side

Stage:1.6mm2
Fill factor:30%

Stage side120100806040
200110mm@70V

0Y-axis motion does not
disturb x-axis motion.

y-axisx-axis

90mm
@125V

5000

10000

15000

Square of driving voltage [V2]xAC displacement [mm]yDC displacement [mm]

変位特性

120
100
8060
40
200mechanical 115mm
limit @690Hz(20V sin, y-axis)
300

400

500

600

700

Driving frequency [Hz]80

熱アクチュエータ

長所：製作容易。安全な材料。
短所：信頼性の確保
応答性：熱容量次第

熱膨張が異なる材料の利用が基本
yRelatively large expansion
t1

E1 , a1

t2

E2, a2wlBending M  t1  t2 a 2  a1 ⊿T112moment
dR

Position ofneutral plane

Radius ofcurvature

E1wt1E2 wt 21 E1t1  E2{(t1  t 2 ) 2  t1 }y 
2E1t1  E2t 22RE12ww{(t1  y )3  y 3}  E2 {(t1  t 2  y )3  (t1  y )3}
33M

Bendingd
 l 2 / 8Rdisplacement

V字形カンチレバー熱駆動光スキャナ
片持ち梁を利用できることはバネの広い線形性を活用できて良い
材質

熱膨張率 Young 率 熱伝導率
[W/mK]a [10-6/K] [GPa]Si
SiO2Si3N4AlAuPD

2.60.4
2.8
23.0
14.3

162741556978

170
18.5
235318a の選定に加えて、DTを大きくする。熱伝導率と合わせて形状も重要。

LDSi
mirror: ~15O
@20V, 6mA
fcut-off =100Hz

mirrorpoly-Si

SiN

Al
thermal actuator

Our work ~2001
JLT 21 (2003) 602

電磁アクチュエータ

長所：線形性、広いギャップ、液中でも有効
短所：外部磁石が必要、結局サイズは大きめ
応答性：H形成は高速だが、I応答は回路次第

電磁駆動型マイクロミラー
F  iBi

Fcoilmirrorplate

2D typeBi

F

純粋なトルクが得られるため
meanderingばねでも不安定にならない

2mm

Our work ~2001,
JJAP 41, 6B(2002) 4356

仕様が合えば買っちゃう手もあり
①１次元

②２次元

Mirror [mm2]fr [kHz]q(mirror) [deg.]

5x60.54+/-174x42+/-104x48+/-4Mirror [mm2]fr [kHz]q(mirror) [deg.]【リサージュスキャン】

Inner

0.54+/-177x6

Outer

0.24+/-17

Inner

1.5+/-15

Outer

0.43+/-15

Inner

6.3 fr+/-7.5

3Outer

0.3 dc+/-2.25【ラスタースキャン】

Inner

0.1 dc+/-7.5

3x3

Outer

1.5 fr+/-7.5

3x4

東北大 江刺’s group, IEEE Transactions on Magnetics, Vol.30 (1994) p.4647

圧電アクチュエータ

長所：大きな駆動力
短所：ヒステリシス。材料開発が必要。Pbは避けるべき。
応答性：材料は高速。機械構造で決まる。

成膜技術があり Si etchingできれば力が出るので、はりのたわみを利用して角度を増倍している

Arc Discharged Relative Ion-Plating法

はりのたわみを足し合わせているでPZT薄膜を形成
2次元光スキャナ
Vdrive <20V, slow scan外部q static ±8.6O
Tani et al., MEMS2007, 699

東大 年吉’s group ~2004

市販圧電素子 + MEMS素子の手もある
micromirror

tensile stressvibration

Mirror rotation angle [deg.]piezoelectric
actuator

1.2

Zygo, D-MEMS（共用装置）で計測

10.8
0.6
0.4
0.2

light-weighted & flat mirror
01 kq Our work ~2010 0fr 2 I JLT 30 (2012) 1377

10203040

Driving frequency [kHz]50まとめマイクロアクチュエータをツールとして使いたい方向けに、基礎（であろう）部分を紹介した。
静電引力は、必ずしも意図した方向にのみ働く訳ではなく、電気力線がたくさん通る方向に働いてしまう。Pull-in不安定現象もあるのを避けながら利用している。うまく使えれば、消費エネルギーや発熱が少なく、様々なメリットにつながる。
他の駆動方法は、力が大きく、不安定現象も無いので、設計は楽になる。

注：Copyright が気になる部分は削りました。
ナノ PlatFormにてマイクロアクチュエータ相談に対応します。