2017 Fiscal Year Annual Research Report
Creation of ultrahigh-performance piezoelectric micromachined ultrasonic rangefinder and its application to robot system
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16K17500
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
吉田 慎哉 東北大学, 工学研究科, 特任准教授 (30509691)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | チタン酸ジルコン酸鉛(PZT) / 超音波トランスデューサ / pMUT / 圧電MEMS |
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| Outline of Annual Research Achievements |
１．PZT用金属エピタキシャルバッファ層の探索
これまではSi基板上に酸化物バッファ層を用いていたが，理想的には電極抵抗をより低下させることが望まれていた。そこで，(100)SrRuO3/(100)Pt/(100)Ir/(100)YSZという，金属層も含むバッファ層構造の開発を行った。Ptの(111)方位への自律配向性が強く，酸化物バッファ層よりもプロセスウィンドウが狭かったが，成膜温度や圧力を最適化することでこれを達成した。次に，その上にPZT膜をエピタキシャル成長させ，その性能を評価した。その結果，酸化物バッファ層上と遜色のない高性能指数のPZT系単結晶薄膜の形成に成功した。
２．pMUTレンジファインダの試作
理想配向PZT系単結晶薄膜を用いた超小型ユニモルフ型pMUTレンジファインダを試作し，測距実験を行った。その結果，閾値を12dBとしたとき，1Vp-pという小さな駆動電圧でも，最大測距距離2m以上を達成した。このような低電圧駆動での長距離測距は，一般的な圧電膜,例えば多結晶PZT薄膜やAlN系薄膜では達成は難しい。低電圧駆動が可能であるということは，デバイスを駆動するための昇圧回路や高耐圧回路を必要とせず，一般的な集積回路の出力電圧で直接駆動できることを意味する。また，AlN系薄膜よりも20倍程度誘電率が大きいので寄生容量に対するロバスト性も高く，実装形態の自由度が高いことも示された。これらの結果から，汎用ICとデバイスからなる安価なロボット用近接覚センサモデュールを実現できる可能性が示唆された。
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