2018 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 / 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 |
自動車の自動運転には，小型のレーザ走査型距離センサは不可欠である．一方小型レーザによるレーザディスプレイ用走査ミラー（スキャナ）の実用化も注目されている．本研究では，マイクロマシン（MEMS）技術によるスキャナの小型化および高性能化を目指している．具体的には，これらの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，第2年度にあたり，これまでに設計，製作した非線形補償できる静電くし能動バネを用いたマイクロスキャナの特性を測定し，直流電圧だけでなく、交流電圧の印加により，走査振幅の低下を抑えて非線形を補償できることを見出した．Si基板上にGaN半導体薄膜を形成する方法として，ウエハの張り合わせ方法を実施し，その後に微細加工を実施する方法も試みた．ウエハの破壊応力限界を上昇させるために高強度材料の組み合わせ方法として，原子層堆積法によるアルミナ（Al-Al2O3）膜のコーティングが有望である可能性を文献等から見出し，試作のために装置の導入，立ち上げを行った．具体的には，堆積層の一様性を調べるため，ピンホールの密度，強度を上昇させるため堆積後のアニールの効果，断面の透過電子顕微鏡観察による堆積の均一性の評価など基礎データを収集した．
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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
試作したマイクロスキャナの評価を行った．非線形補償用の静電くしばねに，直流電圧を印加して，共振曲線を測定した．非線形度を定義し，共振曲線の非線形性を定量化した．測定した非線形度を，これまでに構築した理論結果と比較した．実験結果が理論結果により，定性的に説明できることを示し，理論の有効性を明らかにした．これによりハードスプリング効果をある程度抑えることができる．しかし，静電くしで補償できる非線形性はまだ小さく，振動振幅が低下する問題も発生した．非線形ばねに直流電圧ではなく交流電圧を印加し測定した．交流の場合，振幅を低下させることなく，非線形性を補償できる可能性を見出した．これにより，ばねの非線形性を抑える目的の主要部分を達成できた．
回転ばねを補強する加工法を開発するため，GaNとSiウエハの張り合わせ加工について試作，検討した．スピンオンガラスを用いる方法およびポリマーを用いる方法を試みた．スピンオングラスでは，十分な接合強度が得られること，後工程のプロセスにも制限が少ないことが分かった．
原子堆積法によるアルミナ（ALD-Al2O3）による被覆を行うため新規に装置を導入した．堆積層の一様性を調べるため，ピンホールの密度，断面の透過電子顕微鏡写真を収集した．極めて均質な成膜が可能であることを確認した．ラマン分光を行い，アルミナ膜には引っ張り応力が加わっていることを明らかにした．また，Siとの比較において加工選択特性を調べた．Siプラズマエッチングに対して，高い選択性を示し，マスク材料として働くことを明らかにした．また，アルミナ膜のHF溶液耐性を調べたが，エッチング耐性は十分ではなかった．深堀エッチング加工を施したSi試料にアルミナ膜を堆積し，立体形状におけるコンフォーマル性を確認した．アルミナ膜を用いることで目的のコーティングが可能と考えられた．
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| Strategy for Future Research Activity |
原子層堆積法によるアルミナ（ALD-Al2O3）膜を用いて，マイクロスキャナの回転ばねの表面を覆うように堆積し，破壊強度，破壊寿命等を測定する．このために，破壊実験に利用できるマイクロスキャナを設計する．Siが破壊に至る回転角を文献より推定し，マイクロスキャナに必要なアクチュエータの発生力を求める．走査周波数を決めて，スキャナの慣性モーメントを導出する．これらの値より，スキャナの構造と大きさを決めて，試作する．試作により，加工が汎用プロセスで行える設計が得られれば，破壊試験の統計処理に利用できる数の試料を製作するため，外注を検討する．
アルミナ膜の堆積条件を，パラメータを調整し調べる．数ナノメートルから数百ナノメートルの範囲で堆積し，膜の一様性等を確認する．製作したマイクロスキャナに異なる膜厚のアルミナ膜を堆積する．
アルミナ膜を堆積しているマイクロスキャナと堆積していないスキャナにおいて，静的な回転による破壊強度を測定する．設定したねじれ強度に対して，マイクロスキャナの共振周波数において，振動を繰り返し，破壊に至る寿命を測定する．統計的な確実性が得られるまで，測定個数を増やす．
加えて，レーザ走査型距離センサおよびレーザディスプレイ用のマイクロスキャナを設計，試作する．これらの応用に対して十分な性能を発揮できるように，設計，試作を繰り返す．
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