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2021 Fiscal Year Annual Research Report

革新的な高機能・高信頼ダイヤンモンド MEMSの基盤構築と磁気センサの応用

Research Project

Project/Area Number 20H02212
Research InstitutionNational Institute for Materials Science

Principal Investigator

廖 梅勇  国立研究開発法人物質・材料研究機構, 機能性材料研究拠点, 主席研究員 (70528950)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 戸田 雅也  東北大学, 工学研究科, 准教授 (40509890)
Project Period (FY) 2020-04-01 – 2023-03-31
Keywordsダイヤモンド / MEMS / 磁気センサ / 高温
Outline of Annual Research Achievements

ダイヤモンドMEMS高温磁気センサーを開発するために、高い品質因子(Q値)を持つダイヤモンドMEMS共振子及びダイヤモンドの上に高温磁歪材料の成長は重要です。2018年以来、ダイヤモンドMEMSの高速成長技術を開発したによって、Q値20000を超えた高品質ダイヤモンドMEMSの作製に成功してきました。続いて、(1) R3年度は、ダイヤモンド高速ドライエッチング技術を開発に成功し、エッチング速度を20倍に改善し、Q値を20000から200000に向上しました。(2) 一方、ダイヤモンドの上に成長された磁歪材料FeGa薄膜の結晶構造、表面形態、磁気特性に及ぼす成長条件の影響を調査しました。 表面粗さが1nm未満、保磁力(Hc)が26.2 Oe、飽和磁化磁場(Hs)が450 Oe、残留磁気比(Mr / Ms)が0.9を持つ優れた結晶化磁歪材料FeGa薄膜得られました。(3) ダイヤモンドMEMSのQ値に対するFeGa薄膜の影響も調べしました。Q値が8000から3000に低下しでも、磁気センシングにはまだ十分な高さであることがわかりました。(4) 更に、室温から高温700°CまでダイヤモンドMEMSの共振周波数法によって、ダイヤモンドヤング率の温度依存性を研究して、ダイヤモンドMEMSの高い熱安定性(6ppm/K)をわかりました。したがって、ダイヤモンドMEMSは優れた熱安定性を持ち、高温磁気センシングへ応用を期待しています。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

予定通り、ダイヤモンドMEMSの高温特性を十分に調査し、磁気FeGa薄膜特性を最適化し、高Q値ダイヤモンMEMS共振子の効率的なダイヤモンドエッチングを実現しました。更に、ダイヤモンMEMSの700oCまでの優れた熱安定性を解明しました。

Strategy for Future Research Activity

2022年度は最終年度として、高感度・773K高温でも高信頼性を持つ全電気的な集積化ダイヤモンドMEMS磁気センサの作成と評価する。具体的には以下の研究を遂行する。
1.磁気センサの感度とダイヤモンドMEMS性能の依存性の研究:過去2年間の結果に基づいて、(a) ダイヤモンドカンチレバー力の感度と共振周波数、品質因子の依存性を深く分析して、最適的なダイヤモンドカンチレバーを作製する。(b)磁気材料FeGa或いはFeGaB薄膜を堆積したダイヤモンカンチレバーも評価し、最適的な磁気薄膜の厚みとダイヤモンドカンチレバーの寸法を決定する。
2.全電気的なダイヤモンド MEMS磁気センサの作製と電気評価:(a)磁気薄膜FeGa 或いはFeGaBは磁気センシングの電気的な読み出し電極として、金はダイヤモンドカンチレバーの駆動電極として、全電気的なダイヤモンドMEMS磁気センサを作製する。(b)室温から773Kまでに磁気薄膜の電気抵抗と温度の変化を評価し、適切な堆積条件が検討される。(c)駆動電圧とセンシング感度を室温から773Kまでに評価する。
3. MEMS磁気センサの高温感度と信頼性評価:(a)室温から773KまでにダイヤモンドMEMS磁気センサの感度とノイズを測定する。(b)773Kで20時間を守るMEMS磁気センサの感度を評価する。(c)773Kで20時間までに磁気センサの共振周波数と品質因子の安定性を評価する。(d)最終的に、最高の磁気センシング特性を持つダイヤモンドMEMS構造磁気センサを開発する。

  • Research Products

    (13 results)

All 2021

All Journal Article (7 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Peer Reviewed: 7 results,  Open Access: 1 results) Presentation (6 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results,  Invited: 2 results)

  • [Journal Article] Integrated TbDyFe Film on a Single‐Crystal Diamond Microelectromechanical Resonator for Magnetic Sensing2021

    • Author(s)
      Shen Xiulin、Sun Huanying、Sang Liwen、Imura Masataka、Koide Yasuo、Koizumi Satoshi、Liao Meiyong
    • Journal Title

      physica status solidi (RRL)- Rapid Research Letters

      Volume: 15 Pages: 2100352~2100352

    • DOI

      10.1002/pssr.202100352

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Highly efficient diamond electromechanical transducer based on released metal-oxide-semiconductor structure2021

    • Author(s)
      Liao Meiyong、Sang Liwen、Sun Huanying、Li Tiefu、Koizumi Satoshi
    • Journal Title

      Applied Physics Letters

      Volume: 119 Pages: 073504~073504

    • DOI

      10.1063/5.0058646

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Temperature dependence of Young's modulus of single-crystal diamond determined by dynamic resonance2021

    • Author(s)
      Shen Xiulin、Wu Kongping、Sun Huanying、Sang Liwen、Huang Zhaohui、Imura Masataka、Koide Yasuo、Koizumi Satoshi、Liao Meiyong
    • Journal Title

      Diamond and Related Materials

      Volume: 116 Pages: 108403~108403

    • DOI

      10.1016/j.diamond.2021.108403

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Thermal mismatch induced stress characterization by dynamic resonance based on diamond MEMS2021

    • Author(s)
      Sun Huanying、Shen Xiulin、Sang Liwen、Imura Masataka、Koide Yasuo、You Jianqiang、Li Tie-Fu、Koizumi Satoshi、Liao Meiyong
    • Journal Title

      Applied Physics Express

      Volume: 14 Pages: 045501~045501

    • DOI

      10.35848/1882-0786/abe7b0

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Exceptional Point and Cross-Relaxation Effect in a Hybrid Quantum System2021

    • Author(s)
      Zhang Guo-Qiang、Chen Zhen、Xu Da、Shammah Nathan、Liao Meiyong、Li Tie-Fu、Tong Limin、Zhu Shi-Yao、Nori Franco、You J. Q.
    • Journal Title

      PRX Quantum

      Volume: 2 Pages: 020307-020307

    • DOI

      10.1103/prxquantum.2.020307

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Tailoring the magnetic properties of galfenol film grown on single-crystal diamond2021

    • Author(s)
      Zhang Zilong、Sang Liwen、Huang Jian、Wang Linjun、Koizumi Satoshi、Liao Meiyong
    • Journal Title

      Journal of Alloys and Compounds

      Volume: 858 Pages: 157683~157683

    • DOI

      10.1016/j.jallcom.2020.157683

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Progress in semiconductor diamond photodetectors and MEMS sensors2021

    • Author(s)
      Liao Meiyong
    • Journal Title

      Functional Diamond

      Volume: 1 Pages: 29~46

    • DOI

      10.1080/26941112.2021.1877019

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] High-temperature Magnetic Sensor Based on Single-crystal Diamond MEMS2021

    • Author(s)
      LIAO, Meiyong, ZHANG, Zilong, SANG, Liwen, KOIDE, Yasuo, KOIZUMI, Satoshi.
    • Organizer
      2021年第82回応用物理学会秋季学術講演会.
  • [Presentation] Semiconductor Diamond Electronics and MEMS Sensors2021

    • Author(s)
      Meiyong Liao
    • Organizer
      International Conference on Advances in Functional Materials (AAAFM-UCLA International Conference)
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Three-dimensional Raman analysis of single crystal diamond cantilevers2021

    • Author(s)
      シェン シウリン, ICHIKAWA, Kimiyoshi, Zhaohui Huang, KOIDE, Yasuo, IMURA, Masataka, KOIZUMI, Satoshi, LIAO, Meiyong
    • Organizer
      The 14th International Conference on New Diamond and Nano Carbons (NDNC2020/2021) conference
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Single-crystal Diamond MEMS Resonator for Magnetic Sensor Working up to 773 K.2021

    • Author(s)
      ZHANG, Zilong, SANG, Liwen, KOIDE, Yasuo, KOIZUMI, Satoshi, LIAO, Meiyong
    • Organizer
      The 14th International Conference on New Diamond and Nano Carbons (NDNC2020/2021)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] High-temperature diamond MEMS magnetic sensor2021

    • Author(s)
      Meiyong Liao
    • Organizer
      第78回日本磁気学会 スピントロニクス専門研究会
    • Invited
  • [Presentation] Deep-defects excitation on energy dissipation of single crystal diamond micromechanical resonators2021

    • Author(s)
      サン フアンイン, サン リウエン, ウ ハイファ ,寺地 徳之 .Jianqiang You, Tiefu Li, 小泉 聡 , 廖 梅勇
    • Organizer
      The 14th International Conference on New Diamond and Nano Carbons (NDNC2020/2021)
    • Int'l Joint Research

URL: 

Published: 2022-12-28  

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