2019 Fiscal Year Research-status Report
Development of MEMS Self-Destruction Design Technology for Secure IoT Devices
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19K05232
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
山根 大輔 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 助教 (70634096)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 金合金 / 可動配線 / ＭＥＭＳ / 機械特性 / 疲労破壊 / セキュアIoTデバイス / IoT / 自壊 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は，小型ＩｏＴ（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｏｆ Ｔｈｉｎｇｓ）デバイスにおけるハードウェア寿命の設計技術の確立である。ＩｏＴデバイスの電子回路内ハードウェアに自壊時限を設定したマイクロ可動素子を組み込むことで，役目を終えたデバイスが自壊し，使用不能となることを目標とする。
２０１９年度では，ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ：微小電気機械システム）技術を用いて，Ａｕ合金マイクロ可動配線のためのマイクロ・カンチレバーやマイクロ可動電極構造を作製し，その機械特性評価を実施した。実験では電解めっきでＡｕ合金（Ａｕ，Ａｕ－Ｃｕ，Ａｕ－Ｐｄなど）の微小構造体の設計・試作。評価した。構造体試作におけるＭＥＭＳプロセス（フォトリソグラフィによるパターニングや犠牲層除去）では，外部ファウンダリのＭＥＭＳプロセスを利用した。はじめに，各合金材料の電解めっきプロセスにおける条件出しを数多く行い，デバイス評価可能な構造体作製に成功した。評価項目は，ヤング率，長期振動における形状安定性，耐衝撃性，降伏強度，温度特性などである。これら評価項目は，可動構造体を精密に設計するために必要な機械特性である。また，マイクロ領域でこれらを評価したのは世界で初めての成果であるため，その学術的意義が高い。また，本結果を用いることで所望の可動構造体を設計可能なため重要な実験である。なるべく多くの検討材料においてこれら基本特性を評価するため，次年度も上記実験の一部を継続予定である。
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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
当初予定の本年度目標到達点は，Ａｕ合金マイクロ可動配線の設計・試作を行うためのマイクロＡｕ合金材料の機械特性の評価である。実際の機械特性を得ることで，可動配線の疲労解析モデル構築，および，精密設計が可能となる。材料科学が専門の共同研究者と議論する過程でいくつかのＡｕ合金材料（Ａｕ，Ａｕ－Ｃｕ，Ａｕ－Ｐｄなど）が候補としてあがり，それらのマイクロ構造体における機械特性が未解明であったため，２０１９年度ではＡｕ合金材料のマイクロ領域における機械特性評価に注力した。一般に，電解めっきなどで形成される微小な構造体（マイクロ構造体）の機械特性は，マクロな機械特性（バルク材料の機械特性）とは異なることが知られている。本研究ではマイクロ構造体評価について，はじめに検討するＡｕ合金で所望の評価サンプル（微小なカンチレバー構造など）を作製可能な試作プロセスの条件出しを行った。いくつかのＡｕ合金材料において，評価可能なサンプルの作製に成功した。次に，作製した評価サンプルを用いてヤング率，長期振動における形状安定性，耐衝撃性，降伏強度，温度特性などの評価を実施した。次年度も継続が必要な実験項目は残っているが，当初より次年度も含めて機械特性を評価予定であったため，本研究課題はおおむね順調に進展していると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の研究の推進方策は，（１）Ａｕ合金マイクロ可動配線の設計・試作とＳ－Ｎ曲線の評価，そして，（２）ＭＥＭＳ疲労自壊の等価回路モデル構築である。各項目概要を以下に述べる。
（１）Ａｕ合金材料のマイクロ構造体を評価して得られた機械特性を用いて，Ａｕ合金マイクロ可動配線の設計・試作を行い。さらに，疲労破壊のモデル化に向けて，Ｓ－Ｎ曲線を実験的に評価する。構造体作製プロセスでは，研究代表者の所属機関である立命館大学のＭＥＭＳ試作用共用設備も利用予定である。構造体の評価には，研究代表者および研究協力者の実験装置を利用予定である。
（２）ＳＰＩＣＥ系回路シミュレータで解析可能な等価回路モデルを構築することで，ハードウェア自壊寿命の統合設計環境の構築を検討する。研究代表者はこれまで，ＳＰＩＣＥ系回路シミュレータで機械素子と電子回路の挙動を同時に解析可能な設計環境の開発に携わった経験があるため，その経験を活かし，最終的には汎用性の高い設計環境構築を目指す。モデル化においては，実験で得られたＡｕ合金材料の機械特性などを用いて検討を進める。
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[Journal Article] Cu-Alloying Effect on Structure Stability of Electrodeposited Gold-Based Micro-Cantilever Evaluated by Long-Term Vibration Test2019
Author(s)
Kyotaro Nitta, Tso-Fu Mark Chang, Koichiro Tachibana, Hao-chun Tang, Chun-Yi Chen, Shinichi Iida, Daisuke Yamane, Hiroyuki Ito, Katsuyuki Machida, Kazuya Masu, Masato Sone
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Journal Title
Microelectronic Engineering
Volume: 215
Pages: 111001_1-4
DOI
Peer Reviewed
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[Presentation] High-Sensitivity Inertial Sensor Module to Measure Hidden Micro Muscular Sounds2019
Author(s)
Tatsuya Koga, Takashi Ichikawa, Naoto Tanaka, Taiki Ogata, Hiroki Ora, Daisuke Yamane, Noboru Ishihara, Hiroyuki Ito, Masato Sone, Katsuyuki Machida, Yoshihiro Miyake, Kazuya Masu
Organizer
IEEE Biomedical Circuits and Systems Conference 2019 (BioCAS2019)
Int'l Joint Research
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[Presentation] Sample Geometry Effect on Mechanical Property of Electrodeposited Gold Evaluated by Micro-Bending Test2019
Author(s)
Kosuke Suzuki, Ken Hashigata, Keisuke Asano, Chun-Yi Chen, Takashi Nagoshi, Tso-Fu Mark Chang, Daisuke Yamane, Hiroyuki Ito, Katsuyuki Machida, Kazuya Masu, Masato Sone
Organizer
45th International Conference on Micro & Nano Engineering (MNE2019)
Int'l Joint Research
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[Presentation] Mechanical properties of gold micro-cantilevers with different thickness evaluated by micro-bending test2019
Author(s)
Kosuke Suzuki, Ken Hashigata, Keisuke Asano, Chun-Yi Chen, Takanshi Nagoshi, Tso-Fu Mark Chang, Daisuke Yamane, Toshifumi Konishi, Hiroyuki Ito, Katsuyuki Machida, Kazuya Masu, Masato Sone
Organizer
The 2nd International Conference on Material Strength and Applied Mechanics (MSAM 2019)
Int'l Joint Research
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[Presentation] High Structure Stability Ti/Au Multiple Layer Micro-Cantilever and the Temperature Dependence2019
Author(s)
Hitomi Watanabe, Takuma Suzuki, Chun-Yi Chen, Takanshi Nagoshi, Tso-Fu Mark Chang, Daisuke Yamane, Toshifumi Konishi, Katsuyuki Machida, Hiroyuki Ito, Kazuya Masu, Masato Sone
Organizer
The 2nd International Conference on Material Strength and Applied Mechanics (MSAM 2019)
Int'l Joint Research
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[Presentation] Mechanical properties of electrodeposited gold-copper alloy by micro-compression test2019
Author(s)
Masato Sone, Hao-Chun Tang, Masaharu Yoshiba, Chun-Yi Chen, Takanshi Nagoshi, Tso-Fu Mark Chang, Daisuke Yamane, Toshifumi Konishi, Hiroyuki Ito, Katsuyuki Machida, Kazuya Masu
Organizer
The 2nd International Conference on Material Strength and Applied Mechanics (MSAM 2019)
Int'l Joint Research
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[Presentation] Pillar-Shaped Electrodes for 3-axis Gold-Proof-Mass MEMS Capacitive Accelerometers2019
Author(s)
Ken Atsumi, Shota Otobe, Tatsuya Koga, Takashi Ichikawa, Daisuke Yamane, Shinichi Iida, Hiroyuki Ito, Noboru Ishihara, Masato Sone, Katsuyuki Machida, Kazuya Masu
Organizer
Design, Test, Integration & Packaging of MEMS/MOEMS(DTIP2019)
Int'l Joint Research
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[Presentation] 微弱筋音計測に向けた高分解能MEMS慣性センサモジュールの検討2019
Author(s)
古賀 達也, 市川 崇志, 田中 直登, 緒方 大樹, 大良 宏樹, 山根 大輔, 石原 昇, 伊藤 浩之, 曽根 正人, 町田 克之, 三宅 美博, 益 一哉
Organizer
第11回集積化MEMSシンポジウム
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[Presentation] 3Dピラー型Au錘MEMS加速度センサ2019
Author(s)
市川 崇志, 乙部 翔太, 渥美 賢, 古賀 達也, 山根 大輔, 飯田 慎一, 伊藤 浩之, 石原 昇, 曽根 正人, 町田 克之, 益 一哉
Organizer
第36回「センサ・マイクロマシンと応用システム」シンポジウム
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[Presentation] Au錘3軸MEMS加速度センサのためのSCD電極の検討 (2)2019
Author(s)
市川 崇志, 乙部 翔太, 渥美 賢, 古賀 達也, 山根 大輔, 飯田 慎一, 伊藤 浩之, 石原 昇, 町田 克之, 曽根 正人, 益 一哉
Organizer
第80回応用物理学会秋季学術講演会
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