2017 Fiscal Year Annual Research Report
自動運転およびディスプレイ用の広角度走査マイクロミラーの研究
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17H01267
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
羽根 一博 東北大学, 工学研究科, 教授 (50164893)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
佐々木 敬 東北大学, 工学研究科, 助教 (60633394)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | センシングデバイス / マイクロミラー / スキャナ / レーザー / MEMS |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，スキャナの開発に必要な広い走査角度および高い走査周波数を実現するため，スキャナの広角度時の破壊応力限界を上昇させ，ばねの非線形性を抑えることで，これまでの限界を超えるMEMSマイクロミラースキャナを開発することを目指している．本年度は，初年度にあたり，非線形補償できる静電くし歯の能動バネを設計，製作を実施し，破壊応力限界を上昇させるための，高強度材料の組み合わせ方法の基礎研究を行った．
まず，非線形補償できる静電くし歯の設計を行った．MEMSスキャナに用いられるねじればねは，広い角度の走査になると，引張応力によるハードスプリング非線形が発生し，ヒステリシス等の不安定が生じる．本研究では，静電くしアクチュエータを静電ばねとして用い，シリコンねじればねのハードスプリング非線形を，静電ばねのソフトスプリング非線形で打ち消す方法を提案し，理論式に基づいて解析した．その結果，静電ばねの非線形性はねじればねの非線形性より角度依存性が大きいが，正負逆の特性があり，ねじればねのハードスプリング非線形を打ち消すことを，解析解から示した．また，シリコンのマイクロミラーを製作し，真空中で数V，大気中で数10Vの直流電圧を静電くしばねに印かすることで，非線形性をゼロにできることを示した．
次に，破壊応力限界を上昇させるため，GaN半導体薄膜とシリコン基板の張り合わせ方法による補強について，予備実験と検討を行った．また，一様なコンフォーマルな薄膜堆積法として近年注目される原子層堆積法について調査し，アルミナ(Al2O3)原子層堆積法の有効性に注目した．予備実験として原子層堆積法によりアルミナをシリコンスキャナに堆積し，膜厚などを測定した．材料性能の点からも検討し，アルミナ膜が有望であることを見出した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
非線形補償できる静電くし歯の能動バネを設計，製作においては，まず，静電くし構造のばね特性を導出するため，静電ばね力(トルク)を蓄積エネルギーの角度微分より求めた．オフセットのない静電くし歯の静電容量の角度微分から理論解析式を求めた．静電容量は，くしの重なり面積に比例するので，回転に対して高次の関数となったが，第1近似として，3次関数による近似を行い，解析解の導出を試みた．得られた関数を用いて，ソフトスプリングの非線形係数を導出した．この定数は電圧の2乗に比例するので，電圧の印加により非線形効果を調整できる．一方で非線形効果の補償とともに，共振周波数が高くなる，ばね定数の上昇も生じる．シリコンのねじればねの非線形項を含んだ理論式と導出した静電ばねの理論式を合わせて用いることで，理論的な補償条件を明らかにできた．
実験においては，シリコンのマイクロマシニング技術により，SOIウエハから，4組のくし構造を備えたスキャナを設計製作した．アクチュエータ用のくしに交流電圧を印加することで，スキャナの走査を確認した．共振曲線（共振付近の走査角度の周波数依存性）を測定し，ハードスプリング非線形が，比較的高い電圧で発生している特性が得られた．これに対して，静電くし歯に直流電圧を印加すると，共振周波数が増加することより，付加したばねとして動作することを確認した．また，共振曲線の曲がりを評価するため，非線形度を定義した．静電ばねへの印加電圧を上昇させると，ハードスプリングで正の値となっている非線形度は，次第に低下し，ゼロにできることを見出した．さらに電圧を増加すると，非線形度は負になり，ソフトスプリングとなることを見出した．これらの結果は，本年度の基本的成果であり，目的の大部分を達成できた.
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| Strategy for Future Research Activity |
静電ばねはまだ弱く，大きなハードスプリング非線形を補償できない場合も考えられる．一方，交流電圧駆動の静電くしアクチュエータには強いソフトスプリング非線形を示すものもある．そこで，補償できる範囲を増やすため，静電ばねにおいて，交流電圧印加による非線形補償特性について調べる．
最大走査角を増加させるに必要な破壊応力限界を上昇させるため，スキャナに高強度材料であるアルミナ膜を原子層堆積法でコンフォーマルに堆積する．具体的には，シリコンマイクロマシニングにより，静電くし駆動マイクロアクチュエータを備えたスキャナを設計製作し実験する．原子層堆積法で堆積した膜とシリコンの界面状態を原子レベルで観測する．堆積層は引張応力状態であると報告されているが，製作した膜の応力状態を明らかにする．スキャナに原子層膜を堆積した場合としない場合において，製作したスキャナの走査特性を調べ，比較検討する．さらに破壊試験を行うために必要な実験方法等を検討し，実験装置を試作する．
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