高精度マイクロマシニングによる超センシング

2000 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 10305033
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 江刺 正喜 東北大学, 未来科学技術共同研究センター, 教授 (20108468)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 田中 秀治 東北大学, 大学院・工学研究科, 助手 (00312611) ; 小野 崇人 東北大学, 大学院・工学研究科, 講師 (90282095) ; 羽根 一博 東北大学, 大学院・工学研究科, 教授 (50164893)
• Keywords: 高感度圧力センサ / 加速度センサ / ジャイロスコープ / 高精度マイクロマシニング / 容量型AFMプローブ / NMOS用プローブ / ナノパターン転写 / ナノマシニング

Research Abstract

半導体微細加工技術「マイクロマシニング」を用い微細構造を持つ小形センサを作ることができる。微細構造は小さなエネルギでしかも速く動くため、高感度で応答が速いセンサを実現できる。マルチプレクサ回路や容量検出回路などを集積化することで、多数並んだアレイセンサや静電容量型センサなどが可能になる。さらにアクチュエータを集積化することで、高感度な振動型センサ、あるいはサーボ型センサや自己診断機能付センサなども実現できる。高精度マイクロマシニングや異種要素の集積化およびナノマシニングにより、現状の計測技術の限界を越えた超センシングの世界を開拓する。
本年度は、ガラスとシリコンを接合した真空パッケージセンサとして、高感度な容量型ダイアラム真空センサ、せまい隙間でのスクイーズドフィルム効果を用いた遅延型加速度スイッチ、静電浮上モータによる高精度回転型ジャイロなどをシリコンマイクロマシニングで開発してきた。後者は毎分1万回転を確認し、期待したように単体で3軸の加速度と2軸廻りの角速度を検出することができた。
薄い片持ち梁の先端の突起に直径20nm程の孔を形成し近接場走査型光顕微鏡としても利用している。このプローブは近接場光を強くできるため高密度光記録に有望である。また先端に30nmほどの微小な発熱体を形成した熱記録用プローブによるマルチプローブデータ記録装置を開発した。32×32個のプローブで同時に記録や読出しを行なうため、基板ガラスの貫通配線で裏面の集積回路に接続した。DVDRAMに使われる相変化記録媒体に並列に熱的記録を行い、導電率の違いでこれを再生できた。
ナノマシニングでカーボンナノチューブをシリコンプローブ先端に選択的に形成し、走査型プローブ顕微鏡の探針などに利用した。厚さ60nm程の極端に薄いシリコンの片持ち梁の表面状態が振動子のQファクタへどのように影響するかを研究し、超高真空中にて高温で表面自然酸化膜を除去することでQを25万と大きくできた。これは高感度な振動型センサに役立つ。
この他、表面の高感度赤外反射分光を行うため、偏光子を高速回転させる赤外線用偏光変調器をマイクロマシニングで製作した。また圧電材料の微細加工加工など関連技術に関しても研究を行なった。

Research Products

• [Publications] P.N.Minh,T.Ono and M.Esashi: "Microfabrication of Miniature Aperture at the Apex of SiO_2 Tip on Silicon Cantilever for Near-field Scanning Microscopy"Sensors and Actuators. A80. 163-169 (2000)
• [Publications] J.Yang,T.Ono and M.Esashi: "Mechanical Behavior of Ultrathin Microcantilever"Sensors and Actuators. 82. 102-107 (2000)
• [Publications] D.-W.Lee,T.Ono and M.Esashi: "Cantilever with Integrated Resonator for Application of Scanning Probe Microscope"Sensors and Actuators. A82. 11-16 (2000)
• [Publications] P.N.Minh,T.Ono and M.Esashi: "High Throughput Aperture Near-field Scanning Optical Microscopy"Review of Scientific Instruments. 71・8. 3111-3117 (2000)
• [Publications] T.Ono,D.Y.Sim and M.Esashi: "Micro-discharge and Electric breakdown in a Micro-gap"J.Micromech.Microeng.. 10・3. 445-451 (2000)
• [Publications] J.Yang,T.Ono and M.Esashi: "Surface Effects and High Quality Factor in Ultra Thin Single-crystal Silicon Cantilevers."Applied Physics Letters. 77・23. 3860-3862 (2000)
• [Publications] H.Miyashita and M.Esashi: "Wide Dynamic Range Silicon Diaphragm Vacuum Sensor by Electrostatic Servo System"J.Vac.Sci.Technology. B18・6. 2692-2697 (2000)
• [Publications] X.Li,T.Abe and M.Esashi: "Deep Reactive Ion Etching of Pyrex Glass Using SF_6 Plasma"Sensors and Actuators. A87・3. 139-145 (2001)
• [Publications] M.Hara,S.Tanaka and M.Esashi: "Micro-turbomachine Driving an Infrared Polarization Modulator for Fourier Transform Infrared Spectroscopy"Proc.of the Micro Electro Mechanical Systems'2001. 14. 282-285 (2001)
• [Publications] P.N.Minh,T.Ono,S.Tanaka,K.Goto and M.Esashi: "High Throughput Optical Near-Field Aperture Array for Data Storage"Proc.of the Micro Electro Mechanical Systems'2001. 14. 309-312 (2001)
• [Publications] T.Ono,X.Li,D.-W.Lee,H.Miyashita and M.Esashi: "Nanometric Sensing and Processing with Micromachined Functional Probe"Technical Digest of the Transducers'01. 11. (2001)
• [Publications] M.Esashi,T.Ono,T.Abe: "Micromachining and Nanomachining for Ultrasensitive chemical Measurement "2000 International Chemical congress of Pacific. 137 (2000)
• [Publications] S.S.Lee,J.H.Kang,T.Ono M.Esashi: "Servo Controlled Thermal IR Sensor Using Tunnel Current and Measurement "Technical Digest of the 17th Sensor Symposium. 17. 177-182 (2000)
• [Publications] M.Mizusima and M.Esashi: "Capacitive 3-axis Accelerometer Using SOI Wafer"Technical Digest of the 17th Sensor Symposium . 17. 225-230 (2000)
• [Publications] T.Matsunaga and M.Esashi: "Safety Switch for Side Airbag System with Extended Holding Time Using Squeeze Film Effect"Technical Digest of the 17th Sensor Symposium. 17. 241-244 (2000)
• [Publications] T.Abe,K.Wakabayashi,X.Li M.Esashi: "Development of Deep Reactive Ion Etching System for and Hard-Etching Materials"Technical Digest of the 17th Sensor Symposium. 17. 255-258 (2000)
• [Publications] S.S.Lee,T.Ono,K.Nakamura and M.Esashi: "Electrostatic Servo Controlled Uncooled Infrared Sensor with Tunneling Transducer"Sensors and Materials. 12・5. 301-314 (2000)
• [Publications] 小野崇人,江刺正喜: "ナノエンジニアルングを目指す超微細マイクロプローブ"溶接学会誌. 69・6. 12-14 (2000)
• [Publications] P.H.Minh,T.Ono and M.Esashi: "Application of Silicon Micromachining Technology for High Throughput Near-field Optical Probe"ICEE2K(The Internl.Conf.on Electrical Eng.2000). 271-274 (2000)
• [Publications] X.Li,T.Abe and M.Esashi: "Deep Reactive Ion Etching of PZT Using SF_6 Plasma"ICEE2K (The Internl.Conf. on Electrical Eng.2000). 275-278 (2000)
• [Publications] P.H.Minh,T.Ono,S.Tanaka and M.Esashi: "High Throughput Near-field Optical Probe Using Silicon Micromachining Technology"The 6th Intn.Conf.on Near Field Optics and Related Techniques(nfo-6). 6. 96 (2000)
• [Publications] X.Li,T.Abe,Y.Liu and M.Esashi: "High Density Electrical Feedthrough Fabricated by Deep Reactive Ion Etching of Pyrex Glass"Proc.of the Micro Electro Mechanical Systems'2001. 14. 98-101 (2001)
• [Publications] D.W.Lee,T.Ono,S.Tanaka,T.Abe and M.Esashi: "Fabrication of Microprobe Array with Sub-100nm Nano-Heater for Nanometric Thermal Imaging and Data Storage"Proc.of the Micro Electro Mechanical Systems'2001. 14. 204-207 (2001)
• [Publications] H.Miyashita,T.Ono,P.H.Minh and M.Esashi: "Selective Growth of Carbon Nanotubes for Nano Electro Mechanical Device"Proc.of the Micro Electro Mechanical Systems'2001. 14. 301-304 (2001)
• [Publications] N.Takimura,D.W.Lee,P.N.Minh,T.Ono and M.Esashi: "Heater Integarated Micro Probe for High-Density Data Storage"Technical Digest of the 17th Sensor Symposium. 17. 423-426 (2000)
• [Publications] S.Tanaka,M.Hara and M.Esashi: "Air-Turbine-Driven Micro-Polarization Modulator for Fourier Transform Infrared Spectroscopy"Technical Digest of the 17th Sensor Symposium. 17. 29-32 (2000)
• [Publications] M.Mizusima and M.Esashi: "Capacitive 3-axis Accelerometer Using SOI Wafer"Technical Digest of the 17th Sensor Symposium. 17. 225-230 (2000)
• [Publications] D.W.Lee,T.Ono and M.Esashi: "Surface Imaging with Electro-Magnetically Self Actuating AFM Probe"Technical Digest of the 17th Sensor Symposium. 17. 433-436 (2000)
• [Publications] W.Watanabe,T.Ono,P.G.Min,Y.Haga and M.Esashi: "Fabrication of Near Field Optical Probe at the End of Optical Fiber"Technical Digest of the 18th Sensor Symposium. 18. (2001)
• [Publications] K.Fukatsu,T.Murakoshi and M.Esashi: "Evaluation Experiment of Electrostatically Levitating Inertia Measurement System"Technical Digest of the 18th Sensor Symposium. 18. (2001)
• [Publications] 李成浩,鈴木学,江刺正喜,飯島高志: "圧電膜を用いた振動ジャイロの駆動特性"第17回強誘電体応用会議. 17. 199-200 (2000)
• [Publications] Phan.N.Minh,T.Ono and M.Esashi: "Preliminary Result on Fabrication of Coaxial Tip for High Throughput Scanning Optical Probe"第17回「センサ・マイクロマシンと応用システム」シンポジウム講演概要集(和文速報)、. 17. 108 (2000)
• [Publications] 小野崇人,ヤンジンリン,江刺正喜: "極薄シリコン片持ち梁の機械的Q値とその表面状態"第61回応用物理学会学術講演会、. 61. 555 (2000)
• [Publications] 宮下英俊,小野崇人,江刺正喜: "熱フィラメント化学気相成長法によるカーボンナノチューブの選択成長"第61回応用物理学会学術講演会、. 61. 655 (2000)
• [Publications] S.Tanaka,P.N.Minh,T.Ono,K.Okamoto and M.Esashi: "Simulation of Micromachined NSOM Probe Using Finite-difference Time-domein Method"第61回応用物理学会学術講演会、. 61. 895 (2000)
• [Publications] P.N.Minh.T.Ono,M.Esashi,T.Yatsui and M.Ohtsu: "Near-field Distribution at the Aperture of the Micromachined NSOM Probe"第61回応用物理学会学術講演会、. 61. 896 (200)
• [Publications] 松永忠雄,江刺正喜: "サイドエアバック用セーフィングセンサ"電気学会フィジカルセンサ研究会. 11-15 (2000)
• [Publications] 宮下英俊,小野崇人,江刺正喜: "カーボンナノチューブの選択成長とデバイスへの応用"電子情報通信学会 電子デバイス研究会. 69-74 (2000)
• [Publications] 宮下英俊,小野崇人,江刺正喜: "カーボンナノチューブの選択成長と走査型プローブ顕微鏡探針製作"電気学会フィジカルセンサ研究会. 9-14 (2000)
• [Publications] 小野崇人,ファンミンゴ,李東原,江刺正喜: "高密度情報記録のためのマイクロマシンプローブ"レーザ学会学術講演会. (2001)