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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 Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Basic Section 21060:Electron device and electronic equipment-related
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, 主幹研究員 (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
Project Status Granted (Fiscal Year 2021)
Budget Amount *help
¥17,810,000 (Direct Cost: ¥13,700,000、Indirect Cost: ¥4,110,000)
Fiscal Year 2022: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000)
Fiscal Year 2021: ¥5,850,000 (Direct Cost: ¥4,500,000、Indirect Cost: ¥1,350,000)
Fiscal Year 2020: ¥7,930,000 (Direct Cost: ¥6,100,000、Indirect Cost: ¥1,830,000)
Keywordsダイヤモンド / MEMS / 磁気センサ
Outline of Research at the Start

超高温(>773K)での磁気センシングは挑戦的な課題である。本研究には我々は開発したダイヤモンドMEMSに基づいて、773K以上高温で高信頼性、高感度のダイヤモンドMEMS磁気センサーを提案する。 この目標を達成するために、(i)ダイヤモンドMEMS共振子の上に磁歪材料のヘテロ成長と最適化、(ii)オンチップでセルフセンシング・アクチュエーションの革新的なトランスデューサー物理概念の提案、および(iii)これまでにない力感度をもつダイヤモンドMEMS共振子を簡単に製造する方法を行う。提案されたダイヤモンドMEMS磁気センサーは、従来の磁気センシングの信頼性の問題を克服する。

Outline of Annual Research Achievements

高感度MEMS磁気センサーを実現するには、高い品質因子(Q値)を持つダイヤモンド共振子が重要です。ダイヤモンドMEMS共振子は、製造プロセスでのイオン損傷のため、Q値が10000未満でした。一方、ダイヤモンド薄膜の成長速度が低い、ダイヤモンドMEMS共振子の成功確率に影響を及ぼしました。また、ダイヤモンドMEMSを用いた高温磁気センサーを実現するためには、ダイヤモンド上にキュリー温度の高い磁性薄膜を成長させる必要があります。昨年度は、(1) ダイヤモンドMEMSの高速かつ高品質な成長技術を開発しました。開発したダイヤモンドMEMS共振器のQ値は20000を超えており、イオン損傷の影響を低減しています。(2)ダイヤモンド基板上のFeGa薄膜の成長技術を開発し、薄膜の結晶構造、表面形態、磁気特性を評価しました。成長されたFeGa膜は、Hcが100 Oe未満、Msが約200emu / gで、バルクに近い優れた軟磁性を持っています。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

高品質ダイヤモンド機械共振子の製造とダイヤモンド上に磁気薄膜の成長は、ダイヤモンドNEMS磁気センサの鍵である。 高品質因子を持つダイヤモンドMEMS共振子とダイヤモンド上に優れた磁気材料を開発した。

Strategy for Future Research Activity

今年度は、昨年度開発されたダイヤモンドMEMSのダイヤモンド高速成長技術とダイヤモンド上でのFeGaの成長成功の結果を踏まえ、以下を実施します。
(1) 磁性薄膜FeGaがダイヤモンドMEMS共振子のQ値に及ぼす影響を調べます。 FeGa薄膜の厚さとQ値の関係を評価します。 高感度MEMS磁気センサとしてFeGaの厚さが最適化されます。(2) ダイヤモンド上のFeGaの温度依存磁気特性を調べます。 そして、700oCまでにダイヤモンドMEMSの高温共振性能を検討します。(3) ダイヤモンドMEMS磁気センサの感度を評価また計算します。

Report

(1 results)
  • 2020 Annual Research Report

Research Products

(12 results)

All 2021 2020

All Journal Article (9 results) (of which Int'l Joint Research: 8 results,  Peer Reviewed: 9 results) Presentation (2 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Invited: 1 results) Patent(Industrial Property Rights) (1 results)

  • [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 Jiangqiang、Li Tie-Fu、Koizumi Satoshi、Liao Meiyong
    • Journal Title

      Applied Physics Express

      Volume: 14 Pages: 045501-045501

    • DOI

      10.35848/1882-0786/abe7b0

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • 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

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [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

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Enhanced magnetic sensing performance of diamond MEMS magnetic sensor with boron-doped FeGa film2020

    • Author(s)
      Zilong Zhang, Liwen Sang, Jian Huang, Waiyan Chen, Linjun Wang, Yukiko Takahashi, Seiji Mitani, Yasuo Koide, Satoshi Koizumi, Meiyong Liao
    • Journal Title

      Carbon

      Volume: 170 Pages: 294-301

    • DOI

      10.1016/j.carbon.2020.08.049

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Effect of Deep-Defects Excitation on Mechanical Energy Dissipation of Single-Crystal Diamond2020

    • Author(s)
      Sun Huanying、Sang Liwen、Wu Haihua、Zhang Zilong、Teraji Tokuyuki、Li Tie-Fu、You Jiangqiang、Toda Masaya、Koizumi Satoshi、Liao Meiyong
    • Journal Title

      Physical Review Letters

      Volume: 125 Pages: 206802-206802

    • DOI

      10.1103/physrevlett.125.206802

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Precise characterization of atomic-scale corrosion of single crystal diamond in H2 plasma based on MEMS/NEMS2020

    • Author(s)
      Wu Haihua、Zhang Zilong、Sang Liwen、Li Tiefu、You Jianqiang、Imura Masataka、Koide Yasuo、Liao Meiyong
    • Journal Title

      Corrosion Science

      Volume: 170 Pages: 108651-108651

    • DOI

      10.1016/j.corsci.2020.108651

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Enhancing Delta E Effect at High Temperatures of Galfenol/Ti/Single-Crystal Diamond Resonators for Magnetic Sensing2020

    • Author(s)
      Zilong Zhang, Haihua Wu, Liwen Sang, Yukiko Takahashi, Jian Huang, Linjun Wang, Masaya Toda, Indianto Mohammad Akita, Yasuo Koide, Satoshi Koizumi, Meiyong Liao
    • Journal Title

      ACS Applied Materials & Interfaces

      Volume: 12 Pages: 23155-23164

    • DOI

      10.1021/acsami.0c06593

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Coupling of magneto-strictive FeGa film with single-crystal diamond MEMS resonator for high-reliability magnetic sensing at high temperatures2020

    • Author(s)
      Zhang Zilong、Wu Yuanzhao、Sang Liwen、Wu Haihua、Huang Jian、Wang Linjun、Takahashi Yukiko、Li Runwei、Koizumi Satoshi、Toda Masaya、Akita Indianto Mohammad、Koide Yasuo、Liao Meiyong
    • Journal Title

      Materials Research Letters

      Volume: 8 Pages: 180-186

    • DOI

      10.1080/21663831.2020.1734680

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Electrical readout/characterization of single crystal diamond (SCD) cantilever resonators2020

    • Author(s)
      Wu Haihua、Zhang Zilong、Sang Liwen、Li Tiefu、You Jianqiang、Lu Yingjie、Koide Yasuo、Liao Meiyong
    • Journal Title

      Diamond and Related Materials

      Volume: 103 Pages: 107711-107711

    • DOI

      10.1016/j.diamond.2020.107711

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      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Presentation] Self-Temperature-Compensated GaN MEMS Resonators through Strain Engineering up to 600 K.2020

    • Author(s)
      SANG, Liwen, サン フアンイン, Xuelin Yang, Tiefu Li, Bo Shen, LIAO, Meiyong
    • Organizer
      IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM)
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Diamond Electronics and MEMS2020

    • Author(s)
      Meiyong Liao
    • Organizer
      International Symposium on Diamond and Super Hard Materials 2020
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Invited
  • [Patent(Industrial Property Rights)] 磁気センサー2020

    • Inventor(s)
      リャオ メイヨン/ジャン ジロン/サン リウエン/小出 康夫
    • Industrial Property Rights Holder
      物質・材料研究機構
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Filing Date
      2020
    • Related Report
      2020 Annual Research Report

URL: 

Published: 2020-04-28   Modified: 2022-04-19  

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