零熱膨張ガラスの熱弾性散逸機構の解明とそのデバイス応用
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21H01776
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 28050:Nano/micro-systems-related
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
塚本 貴城 東北大学, 工学研究科, 准教授 (70646413)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Completed (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥17,420,000 (Direct Cost: ¥13,400,000、Indirect Cost: ¥4,020,000)
Fiscal Year 2023: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2022: ¥6,760,000 (Direct Cost: ¥5,200,000、Indirect Cost: ¥1,560,000)
Fiscal Year 2021: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000)
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| Keywords | MEMS / 振動子 / 零熱膨張ガラス / Q値 / 熱弾性損失 / MEMS振動子 / 低熱膨張材料の微細加工 |
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| Outline of Research at the Start |
MEMS技術を用いた振動デバイス，例えばジャイロスコープや基準周波数発振器は，その性能の向上のために，振動の質を表すQ値を高める必要がある．様々な要因がQ値を制限するが，そのなかでも熱弾性損失によるエネルギー散逸は不可避であり，これがQ値の上限を決めることが多い．そこで，原理的に熱弾性損失を零にできる可能性のある，零熱膨張ガラスを用いたMEMS振動デバイスの実現を目指して研究開発を行う．零熱膨張ガラスの精密加工方法の開発や，作製した微細構造体内でのエネルギー散逸機構の解明を目標とする．
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| Outline of Annual Research Achievements |
MEMS（マイクロエレクトロメカニカルシステム）の振動子の高性能化を目指し、振動のQ値を増大させるが期待されている零熱膨張ガラスのエネルギー散逸について，研究を行った。振動のQ値は、アンカーロス、熱弾性損失、SFD（表面微細構造ダンピング）、弾性損失などによって影響される。特に、熱弾性損失は熱膨張率の小さい材料であるZEROガラスを用いることで小さくできる可能性があるが、これまで誰も検討していなかった。また、この材料の弾性損失に関しては未だ不明な点が多い。
本研究では、まずZEROガラスのマイクロメートルレベルの微細加工法を確立するために、陽極接合、研磨、RIE（反応性イオンエッチング）などの各条件を検討し、この材料がMEMSのに利用できるかどうか調べた．その結果，温度と電圧を調整することで，陽極接合が可能であること，金属マスクを用いることで，反応性イオンエッチングによるマイクロ加工が可能であることを実証した．これらを組み合わせて，MEMS振動子を作製し，振動特性からQ値，つまりは、エネルギー損失を見積もった。また，石英ガラス、ホウ珪酸ガラス、シリコンなど他の材料との比較も行い、ZEROガラスとの特性の違いを明らかにした。
動作周波数が変わると，支配的なエネルギー損失の大きさが変化するため，様々な動作周波数の振動子を用いて，エネルギー損失のメカニズムを推定した．その結果，シリコンでは熱弾性損失、石英ガラスではアンカーロス、ホウ珪酸ガラスとZEROガラスでは弾性損失が支配的であることが明らかになった。
この研究は、ZEROガラスを用いたMEMS振動子の高性能化に向けた重要な一歩であり、この材料を用いたデバイス開発のための大きな知見を得ることができた．
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| Research Progress Status |
令和5年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和5年度が最終年度であるため、記入しない。
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Report
(3 results)
Research Products
(3 results)
