ＣＭＯＳ集積マイクロ流体機構の学術基盤の開拓と革新的三次元ＬＳＩ冷却機構への応用

• 研究課題/領域番号: 17J04382
• 研究種目: 特別研究員奨励費
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 国内
• 研究分野: 電子デバイス・電子機器
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 岡本 有貴 (2017-2018) 東京大学, 工学系研究科, 特別研究員(DC1)
• 特別研究員: 岡本 有貴 (2019) 東京大学, 工学系研究科, 特別研究員(DC1)
• 研究期間 (年度): 2017-04-26 – 2020-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2019年度)
• 配分額: 2,800千円 (直接経費: 2,800千円); 2019年度: 900千円 (直接経費: 900千円); 2018年度: 900千円 (直接経費: 900千円); 2017年度: 1,000千円 (直接経費: 1,000千円)
• キーワード: MEMS / CMOS集積回路 / LSI冷却 / マイクロポンプ / マイクロ流路 / 電気浸透流 / 高電圧生成回路 / ゼータ電位計測

研究実績の概要

本年度は、集積化マイクロ流路冷却機構として提案していた高電圧生成回路と電気浸透流マイクロポンプの集積化を実現し、電気浸透流マイクロポンプを利用して実際に冷却効果があるかを実験的に計測した。集積化マイクロ流路機構は、MEMS後加工高耐圧化CMOS素子による高電圧生成回路を発展させたもので、同高耐圧化技術による昇圧するCMOS集積回路と、金電極を用いた電気浸透流マイクロポンプを同一シリコンチップに集積し、PDMS流路を接合することで構造を実現した。マイクロポンプの最高流速は、137μm/sであり、印加電圧あたりの単位断面積あたりの流量としてみると、先行研究の3倍となり、非常に大きな利点があることが分かった。以上により、従来別途高電圧電源が必要であったのに対し、5 Vという小型電池で供給できるレベルの低電圧で駆動を行うことができ、高効率な電気浸透流マイクロポンプデバイスを実現できた。
次に、電気浸透流マイクロポンプを利用して実際にどれくらいの冷却が行えるかを実験的に計測した。計測チップでは、温度計測と温度上昇を任意に行えるよう、CMOSプロセスで作製した抵抗型温度センサとマイクロヒーターを内蔵している。マイクロヒーターには、プロセッサーのホットスポットと同程度の電力を投入し、温度上昇を計測した。この計測により、電気浸透流を流している時は、マイクロポンプに100V印加した時は流していない時に比べ温度が0.4℃程低くなることが分かり、冷却モードとして2つ存在するということが分かった。流量が少ない時は、熱源からSi基板への伝熱効率を上げており、流量が十分な時は対流も十分に寄与し、伝熱と対流により冷却が行われているということが分かった。
以上のように、本研究では、高電圧生成回路を内蔵した高機能電気浸透流マイクロポンプの性能及びその冷却効果を示し、概ね当初の計画通り研究を進めることができた。

現在までの達成度 (段落)

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] ENS PARIS-SACLAY/ESIEE(フランス)
• [雑誌論文] An On-Chip Micromachined Test Structure to Study the Tribological Behavior of Deep-RIE MEMS Sidewall Surfaces (2020)
  • 著者名/発表者名: Reddy R. Ranga、Okamoto Yuki、Mita Yoshio
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Semiconductor Manufacturing 巻: 33 号: 2 ページ: 187-195
  • DOI: 10.1109/tsm.2020.2982659
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] On-Chip CMOS-MEMS-Based Electroosmotic Flow Micropump Integrated With High-Voltage Generator (2020)
  • 著者名/発表者名: Okamoto Yuki、Ryoson Hiroyuki、Fujimoto Koji、Ohba Takayuki、Mita Yoshio
  • 雑誌名: Journal of Microelectromechanical Systems 巻: 29 号: 1 ページ: 86-94
  • DOI: 10.1109/jmems.2019.2953290
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 局所的な微小粒子計測を目指した電極集積型微小孔デバイス (2019)
  • 著者名/発表者名: Takeshiro Yudai、Usami Naoto、Okamoto Yuki、Takada Takeaki、Higo Akio、Ikeno Rimon、Washizu Nobuei、Asada Kunihiro、Mita Yoshio
  • 雑誌名: 電気学会論文誌Ｅ（センサ・マイクロマシン部門誌） 巻: 139 号: 8 ページ: 271-276
  • DOI: 10.1541/ieejsmas.139.271
  • NAID: 130007686521
  • ISSN: 1341-8939, 1347-5525
  • 年月日: 2019-08-01
  • 査読あり
• [雑誌論文] A zero-power sensing MEMS shock sensor with a latch-reset mechanism for multi-threshold events monitoring (2019)
  • 著者名/発表者名: Reddy R. Ranga、Komeda Keisuke、Okamoto Yuki、Lebrasseur Eric、Higo Akio、Mita Yoshio
  • 雑誌名: Sensors and Actuators A: Physical 巻: 295 ページ: 1-10
  • DOI: 10.1016/j.sna.2019.05.036
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Study on Electrostatic Inchworm Motor Device for a Heterogeneous Integrated Microrobot System (2019)
  • 著者名/発表者名: Saito Ken, Contreras Daniel S., Takeshiro Yudai, Okamoto Yuki, Hirao Satoshi, Nakata Yuya, Tanaka Taisuke, Kawamura Satoshi, Kaneko Minami, Uchikoba Fumio, Mita Yoshio, Pister Kristofer S. J.
  • 雑誌名: Transactions of The Japan Institute of Electronics Packaging 巻: 12 号: 0 ページ: E18-009-1-E18-009-7
  • DOI: 10.5104/jiepeng.12.E18-009-1
  • NAID: 130007633286
  • ISSN: 1883-3365, 1884-8028
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] 粒子径の大きなゼオライトを用いたガスセンサの信頼性確保に向けた衝撃試験 (2018)
  • 著者名/発表者名: Yamada Kentaro、Grand Julien、Okamoto Yuki、Reddy Rangareddygari Ranga、Denoual Matthieu、Mintova Svetlana、Tixier-Mita Agnes、Mita Yoshio
  • 雑誌名: 電気学会論文誌Ｅ（センサ・マイクロマシン部門誌） 巻: 138 号: 9 ページ: 430-434
  • DOI: 10.1541/ieejsmas.138.430
  • NAID: 130007479703
  • ISSN: 1341-8939, 1347-5525
  • 年月日: 2018-09-01
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] LSI一体集積のためのシリコン上PbS量子ドット赤外フォトダイオードの試作 (2018)
  • 著者名/発表者名: Higo Akio、Mita Yoshio、Wang Haibin、Kubo Takaya、Segawa Hiroshi、Usami Naoto、Okamoto Yuki、Yamada Kentaro、Takeshiro Yudai、Sugiyama Masakazu
  • 雑誌名: 電気学会論文誌Ｅ（センサ・マイクロマシン部門誌） 巻: 138 号: 7 ページ: 307-311
  • DOI: 10.1541/ieejsmas.138.307
  • NAID: 130007386998
  • ISSN: 1341-8939, 1347-5525
  • 年月日: 2018-07-01
  • 査読あり
• [雑誌論文] MEMS後加工のLSIの高耐圧化への利用に関するレビュー (2018)
  • 著者名/発表者名: Okamoto Yuki、Mita Yoshio
  • 雑誌名: 電気学会論文誌Ｅ（センサ・マイクロマシン部門誌） 巻: 138 号: 7 ページ: 319-326
  • DOI: 10.1541/ieejsmas.138.319
  • NAID: 130007387001
  • ISSN: 1341-8939, 1347-5525
  • 年月日: 2018-07-01
  • 査読あり
• [雑誌論文] On-Chip High-Voltage Charge Pump With MEMS Post-Processed Standard 5-V CMOS on SOI for Electroosmotic Flow Micropumps (2018)
  • 著者名/発表者名: Okamoto Yuki、Takehara Hiroaki、Fujimoto Koji、Ichiki Takanori、Ohba Takayuki、Mita Yoshio
  • 雑誌名: IEEE Electron Device Letters 巻: 39 号: 6 ページ: 851-854
  • DOI: 10.1109/led.2018.2829925
  • 査読あり
• [雑誌論文] Self-identification algorithm for zeolite-based thermal capacity gas sensor (2018)
  • 著者名/発表者名: Pouliquen M.、Denoual M.、Jorel C.、Radu C.、Robbes D.、Grand J.、Awala H.、Mintova S.、Harnois M.、Sagazan O. de、Inoue S.、Lebrasseur E.、Yamada K.、Okamoto Y.、Mita-Tixier A.、Mita Y.
  • 雑誌名: Microsystem Technologies 巻: 1 号: 6 ページ: 1-7
  • DOI: 10.1007/s00542-018-3883-5
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Progress and opportunities in high-voltage microactuator powering technology towards one-chip MEMS (2018)
  • 著者名/発表者名: Mita Yoshio、Hirakawa Atsushi、Stefanelli Bruno、Mori Isao、Okamoto Yuki、Morishita Satoshi、Kubota Masanori、Lebrasseur Eric、Kaiser Andreas
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 57 号: 4S ページ: 04FA05-04FA05
  • DOI: 10.7567/jjap.57.04fa05
  • NAID: 210000148853
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Increasing cell?device adherence using cultured insect cells for receptor-based biosensors (2018)
  • 著者名/発表者名: Terutsuki Daigo、Mitsuno Hidefumi、Sakurai Takeshi、Okamoto Yuki、Tixier-Mita Agnes、Toshiyoshi Hiroshi、Mita Yoshio、Kanzaki Ryohei
  • 雑誌名: Royal Society Open Science 巻: 5 号: 3 ページ: 172366-172366
  • DOI: 10.1098/rsos.172366
  • 査読あり
• [雑誌論文] High-uniformity centimeter-wide Si etching method for MEMS devices with large opening elements (2018)
  • 著者名/発表者名: Okamoto Yuki、Tohyama Yukiya、Inagaki Shunsuke、Takiguchi Mikio、Ono Tomoki、Lebrasseur Eric、Mita Yoshio
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 57 号: 4S ページ: 04FC03-04FC03
  • DOI: 10.7567/jjap.57.04fc03
  • NAID: 210000148868
  • 査読あり
• [雑誌論文] Test Structures for End-Point Visualization of All-Plasma Dry Release of Deep-RIE MEMS Devices and Application to Release Process Modal Analysis (2017)
  • 著者名/発表者名: Okamoto Yuki、Lebrasseur Eric、Mori Isao、Marty Frederic、Mita Yoshio
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Semiconductor Manufacturing 巻: 30 号: 3 ページ: 201-208
  • DOI: 10.1109/tsm.2017.2694845
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Integrated 0-30 V switching driver circuit fabricated by mesa isolation postprocess of standard 5-V CMOS LSI for MEMS actuator applications (2017)
  • 著者名/発表者名: Okamoto Yuki、Mita Yoshio
  • 雑誌名: Microsystem Technologies 巻: 24 号: 1 ページ: 503-510
  • DOI: 10.1007/s00542-017-3416-7
  • 査読あり
• [雑誌論文] Opportunities of CMOS-MEMS integration through LSI foundry and open facility (2017)
  • 著者名/発表者名: Mita Yoshio、Lebrasseur Eric、Okamoto Yuki、Marty Frederic、Setoguchi Ryota、Yamada Kentaro、Mori Isao、Morishita Satoshi、Imai Yoshiaki、Hosaka Kota、Hirakawa Atsushi、Inoue Shu、Kubota Masanori、Denoual Matthieu
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 56 号: 6S1 ページ: 06GA03-06GA03
  • DOI: 10.7567/jjap.56.06ga03
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] モノリシック高電圧駆動回路集積 CMOSMEMS 電気浸透流マイクロポンプ (2019)
  • 著者名/発表者名: 岡本有貴, 良尊弘之, 藤本興治, 大場隆之, 三田吉郎
  • 学会等名: 「センサ・マイクロマシンと応用システム」シンポジウム
• [学会発表] 機械的混合加振による圧電薄膜アクチュエータ集積2 軸MEMS 光スキャナ (2019)
  • 著者名/発表者名: 稲垣俊典, 岡本有貴, 肥後昭男, 三田吉郎
  • 学会等名: 「センサ・マイクロマシンと応用システム」シンポジウム
• [学会発表] モノリシック 集積多層電極による細胞電気回転測定の垂直位置制御 (2019)
  • 著者名/発表者名: 槌屋拓, 岡本有貴, Moslonka Charles, Lin Yu-Sheng, Tsang Sung, Marty Frederic, 水島彩子， Sun Chen-li，Wang Hsiang-Yu，Francais Olivier，Le Pioufle Bruno，三田 吉郎
  • 学会等名: 「センサ・マイクロマシンと応用システム」 シンポジウム
• [学会発表] High-Resolution Piezoelectric MEMS Scanner Fully Integrated with Focus-Tuning And Driving Actuators (2019)
  • 著者名/発表者名: Shunsuke Inagaki, Yuki Okamoto, Akio Higo, Yoshio Mita
  • 学会等名: The 20th International Conference on Solid State Sensors and Actuators (Transducers 2019- EUROSENSORS XXXIII)
  • 国際学会
• [学会発表] Z-Axis Controllable Mille-Feuille Electrode Electrorotation Device Utilizing Levitation Effect (2019)
  • 著者名/発表者名: Yuki Okamoto, Taku Tsuchiya, Charles Moslonka, Yu-Sheng Lin, Sung Tsang, Frederic Marty, Ayako Mizushima, Chen-li Sun, Hsiang-Yu Wang, Agnes Tixier-Mita, Olivier Francais, Bruno Le Pioufle, Yoshio Mita
  • 学会等名: The 20th International Conference on Solid State Sensors and Actuators (Transducers 2019-EUROSENSORS XXXIII)
  • 国際学会
• [学会発表] Stick-to-Analyze Zeta Potential Measurement Chip with Integrated Electroosmotic Micropump and Liquid Flow Sensor (2019)
  • 著者名/発表者名: Yuki Okamoto, Koji Fujimoto, Hiroyuki Ryoson, Takayuki Ohba, Yoshio Mita
  • 学会等名: The 32th International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (IEEE MEMS 2019)
  • 国際学会
• [学会発表] Damage Assessment Structure of Test-Pad Post-Processing on CMOS LSIs (2019)
  • 著者名/発表者名: Yuki Okamoto, Ayako Mizushima, Naoto Usami, Jun Kinoshita, Akio Higo, Yoshio Mita
  • 学会等名: 2019 IEEE International Conference on Microelectronic Test Structures (ICMTS 2019)
  • 国際学会
• [学会発表] 機械的混合加振による圧電薄膜アクチュエータ集積2軸MEMS光スキャナ (2018)
  • 著者名/発表者名: 稲垣 俊典, 岡本 有貴, 肥後 昭男, 三田 吉郎
  • 学会等名: 「センサ・マイクロマシンと応用システム」シンポジウム
• [学会発表] Study on silicon device of microrobot system for heterogeneous integration (2018)
  • 著者名/発表者名: Ken Saito, Daniel S. Contreras, Yudai Takeshiro, Yuki Okamoto, Yuya Nakata, Taisuke Tanaka, Satoshi, Satoshi Kawamura, Minami Kaneko, Fumio Uchikoba, Yoshio Mita, and Kristofer S. J. Pister
  • 学会等名: International Conference on Electronics Packaging and iMAPS All Asia Conference (ICEP-IAAC)
  • 国際学会
• [学会発表] A Micromachined All-Solid On-Chip Thin-Film Battery towards Uninterruptible Photovoltaic Cells (2018)
  • 著者名/発表者名: Taisei Kuriyama, Akiyoshi Suzuki, Yuki Okamoto, and Yoshio Mita
  • 学会等名: 2018 Symposium on Design, Test, Integration and Packaging of MEMS/MOEMS (DTIP)
  • 国際学会
• [学会発表] Cell-sensor interface analysis of a bio-hybrid electric odorant sensor (2018)
  • 著者名/発表者名: Daigo Terutsuki, Hidefumi Mitsuno, Takeshi Sakurai, Yuki Okamoto, Agnes Tixier-Mita, Hiroshi Toshiyoshi, Yoshio Mita, and Ryohei Kanzaki
  • 学会等名: 28th anniversary World Congress on Biosensors (BIOSENSORS 2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Test Structure for Electrical Assessment of UV Laser Direct Fine Patterned Material (2018)
  • 著者名/発表者名: Naoto Usami, Akio Higo, Ayako Mizushima, Yuki Okamoto and Yoshio Mita
  • 学会等名: IEEE Conference on Microelectronic Test Structures (ICMTS)
  • 国際学会
• [学会発表] An On-chip Test Structure for Studying the Frictional Behavior of Deep-RIE MEMS Sidewall Surfaces (2018)
  • 著者名/発表者名: R Ranga Reddy, Yuki Okamoto, Yoshio Mita
  • 学会等名: IEEE Conference on Microelectronic Test Structures (ICMTS)
  • 国際学会
• [学会発表] On-Chip MEMS アクチュエータ駆動のための MEMS 後加工 5 V標準CMOS 素子を利用した 30 V スイッチング回路 (2017)
  • 著者名/発表者名: 岡本有貴、三田吉郎
  • 学会等名: 「センサ・マイクロマシンと応用システム」シンポジウム
• [学会発表] Wireless operation of EWOD by the on-chip CMOS silicon photovoltaic cell array (2017)
  • 著者名/発表者名: Yuki Okamoto, Yoshio Mita
  • 学会等名: International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM)
  • 国際学会
• [学会発表] The large-area backside etching method by changing backside layout using loading effect and ARDE for foundry-based fabrication (2017)
  • 著者名/発表者名: Yuki Okamoto, Yukiya Tohyama, Naoto Usami Yoshio Mita
  • 学会等名: International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM)
  • 国際学会
• [学会発表] Mask-programmable on-chip photovoltaic cell array (2017)
  • 著者名/発表者名: Yudai Takeshiro, Yuki Okamoto, Yoshio Mita
  • 学会等名: PowerMEMS
  • 国際学会