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異種圧電材料を集積した革新的超音波MEMSデバイスおよび高性能超音波撮像器の創出

研究課題

研究課題/領域番号 22KJ0232
補助金の研究課題番号 22J10831 (2022)
研究種目

特別研究員奨励費

配分区分基金 (2023)
補助金 (2022)
応募区分国内
審査区分 小区分28050:ナノマイクロシステム関連
研究機関東北大学

研究代表者

QI XUANMENG  東北大学, 工学研究科, 特別研究員(PD)

研究期間 (年度) 2023-03-08 – 2024-03-31
研究課題ステータス 完了 (2023年度)
配分額 *注記
1,700千円 (直接経費: 1,700千円)
2023年度: 800千円 (直接経費: 800千円)
2022年度: 900千円 (直接経費: 900千円)
キーワードDual-layer pMUT / Piezoelectric thin film / MEMS / Hetero-integration / Stacked piezo-layer
研究開始時の研究の概要

The purpose of this research is to create an innovative piezoelectric micromachined ultrasonic transducer (pMUT) that integrates the best materials for the transmitter and the best material for the receiver. The AlN material and Sm-PMN-PT material will be integrated on one Si wafer to create a pMUT device, this pMUT device is supposed to achieve much higher performance than the existing single piezoelectric layer pMUT devices and bulk type transducers. Finally, the single pMUT is supposed to be integrated in pMUT array for better performance.

研究実績の概要

1. Dual layer pMUTs with AlN on PMN-PT and PZT on AlN were prototyped. A resonant frequency around 265 kHz and 203 kHz is confirmed for AlN/PMN-PT and PZT/AlN pMUT, respectively. The AlN/PMN-PT pMUT has a displacement sensitivity of 3538 nm/V and 306 nm/V when actuating the PMN-PT and AlN layer, respectively. The PZT/AlN pMUT has a displacement sensitivity of 1036 nm/V and 744 nm/V when actuating the PZT layer and the AlN layer, respectively.
2. The concept of using different piezoelectric materials for transmission and reception separately was verified. The actuation voltage was applied to the transmitting layer while the sensed voltage was measured for the receiving layer. The electrical conversion coefficient was defined as the ratio of the voltage applied to the transmission layer to the voltage generated on the reception layer. The coefficient was about 0.256 and 0.039 for AlN/PMN-PT and PZT/AlN pMUTs, respectively.
3. The transmitting and receiving figure of merit (FOM) were compared with the conventional single piezo layer pMUT. No-patterned AlN/PMN-PT pMUT exhibited a 1.3 times higher value than the patterned conventional PZT single-layer pMUT.
4. The optimization of the pMUT was simulated for higher performance. The dimension of the electrodes, and piezoelectric layer was simulated. The optimized results showed 1.25 times higher than the prototyped one. Meanwhile, the thicknesses of the piezoelectric layer were also simulated. With optimized thickness, the pMUTs could exhibit 2 times higher value than the prototyped one.

報告書

(2件)
  • 2023 実績報告書
  • 2022 実績報告書
  • 研究成果

    (9件)

すべて 2024 2023 2022 その他

すべて 国際共同研究 (2件) 雑誌論文 (1件) (うち国際共著 1件、 査読あり 1件) 学会発表 (4件) (うち国際学会 3件) 学会・シンポジウム開催 (2件)

  • [国際共同研究] Silicon Austria Labs(オーストリア)

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [国際共同研究] Silicon Austria Labs(オーストリア)

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [雑誌論文] Fabrication of a piezoelectric micromachined ultrasonic transducer (PMUT) with dual heterogeneous piezoelectric thin film stacking2024

    • 著者名/発表者名
      Qi Xuanmeng、Yoshida Shinya、Risquez Sarah、Ghosh Anirban、Moridi Mohssen、Tanaka Shuji
    • 雑誌名

      Journal of Micromechanics and Microengineering

      巻: 34 号: 3 ページ: 035005-035005

    • DOI

      10.1088/1361-6439/ad2306

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] Feasibility of A Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducer (pMUT) with Stacked Dual Heterogeneous Piezoelectric Thin Film for High Performance Transceiver2024

    • 著者名/発表者名
      Qi Xuanmeng、Yoshida Shinya、Tanaka Shuji
    • 学会等名
      International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Epitaxial SM-Doped PMN-Pt Film with High Piezoelectric Constant for MEMS Application2024

    • 著者名/発表者名
      Fukushi Kai、Yoshida Shinya、Qi Xuanmeng、Tanaka Shuji
    • 学会等名
      International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Development of Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducer with Dual Heterogeneous Pizeoelectric Thin Film Stacking2023

    • 著者名/発表者名
      Qi Xuanmeng、Yoshida Shinya、Risquez Sarah、Ghosh Anirban、Moridi Mohssen、Tanaka Shuji
    • 学会等名
      International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems (Transducers)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Feasibility study of piezoelectric micromachined ultrasonic transducer with stacked two heterogeneous piezoelectric thin films2022

    • 著者名/発表者名
      Xuanmeng Qi, Shinya Yoshida, Masashi Suzuki, Shoji Kakio, Shuji Tanaka
    • 学会等名
      第39回「センサ・マイクロマシンと応用システム」シンポジウム
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会・シンポジウム開催] IEEE 37th International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS)2024

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会・シンポジウム開催] 22nd International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems (Transducers)2023

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書

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公開日: 2022-04-28   更新日: 2024-12-25  

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