2023 Fiscal Year Annual Research Report

零熱膨張ガラスの熱弾性散逸機構の解明とそのデバイス応用

Research Project

Project/Area Number	21H01776
Research Institution	Tohoku University
Principal Investigator	塚本貴城東北大学, 工学研究科, 准教授 (70646413)
Project Period (FY)	2021-04-01 – 2024-03-31
Keywords	MEMS / 振動子 / 零熱膨張ガラス / Q値
Outline of Annual Research Achievements	MEMS（マイクロエレクトロメカニカルシステム）の振動子の高性能化を目指し、振動のQ値を増大させるが期待されている零熱膨張ガラスのエネルギー散逸について，研究を行った。振動のQ値は、アンカーロス、熱弾性損失、SFD（表面微細構造ダンピング）、弾性損失などによって影響される。特に、熱弾性損失は熱膨張率の小さい材料であるZEROガラスを用いることで小さくできる可能性があるが、これまで誰も検討していなかった。また、この材料の弾性損失に関しては未だ不明な点が多い。本研究では、まずZEROガラスのマイクロメートルレベルの微細加工法を確立するために、陽極接合、研磨、RIE（反応性イオンエッチング）などの各条件を検討し、この材料がMEMSのに利用できるかどうか調べた．その結果，温度と電圧を調整することで，陽極接合が可能であること，金属マスクを用いることで，反応性イオンエッチングによるマイクロ加工が可能であることを実証した．これらを組み合わせて，MEMS振動子を作製し，振動特性からQ値，つまりは、エネルギー損失を見積もった。また，石英ガラス、ホウ珪酸ガラス、シリコンなど他の材料との比較も行い、ZEROガラスとの特性の違いを明らかにした。動作周波数が変わると，支配的なエネルギー損失の大きさが変化するため，様々な動作周波数の振動子を用いて，エネルギー損失のメカニズムを推定した．その結果，シリコンでは熱弾性損失、石英ガラスではアンカーロス、ホウ珪酸ガラスとZEROガラスでは弾性損失が支配的であることが明らかになった。この研究は、ZEROガラスを用いたMEMS振動子の高性能化に向けた重要な一歩であり、この材料を用いたデバイス開発のための大きな知見を得ることができた．
Research Progress Status	令和5年度が最終年度であるため、記入しない。
Strategy for Future Research Activity	令和5年度が最終年度であるため、記入しない。
Remarks	今年度の研究成果は，R06年度の学会（国内１，国際１）で発表予定．