マイクロ加工による集積化トンネル電流測定器とその応用

1996 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 07455042
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 藤田 博之 東京大学, 生産技術研究所, 教授 (90134642)
• 研究分担者: 青野 正和 東京大学, 理化学研究所・表面界面工学研究室, 主任研究員 (10184053)
• キーワード: マイクロマシン / 表面マイクロマシ-ニング / 静電アクチュエータ / 真空トンネル電流 / 変位センサ / 加速度センサ / 原子間力顕微鏡 / 走査トンネル顕微鏡

研究概要

本研究ではプローブ、対向面および静電マイクロアクチュエータを同一平面に形成して、一般的な表面マイクロマシニングだけでトンネルユニットを構成した。プローブは基板に対して水平に動くため、lateral tunnling unit:LTUと呼ぶ。
まず小型化を最優先して設計したLTUについて、工学面での評価(ゼロ位法による変位測定とSTMのZ軸アクチュエータとしての利用)と、変位-トンネル電流特性に着目した物理面での評価を行った。工学面では、nmオーダの変位センサとして使用できることがわかった。AFM深針と集積したものは、そのバリエーションである。STM像は、かならずしも十分なものとはいえなかったが、試料の形状を反映した像が得られた。基準質量の動きを集積化したLTUで鋭敏に検出する加速度センサ、原子間力顕微鏡のカンチレバ-の動きを集積化したLTUで鋭敏に検出するプローブ、LTUのアレイで数十nmオーダーのビットを読み書きする超高密度ディスクなどの応用を提案し、一部を試作した。
物理面から評価を加えた結果、空気中では積分制御でLTUを安定に制御できることがわかった。また強い斥力が観測された。一方極高真空では、積分制御ではリミットサイクルを発生し、制御不能になった。モデル基づいて設計したPID制御を行うと、振動はするが、おとなしい振動で、波形は引力の存在を示唆した。このモデルが2種類可能である。また、引力の値を考えると、制御だけでは安定化はできないという結論に達した。このため、アクチュエータの剛性と発生力を共に2桁増大ししかも大型化をなるべく抑えた改良を行い、再び動作の評価をおこなった。結果として、改良型のLTUを安定に制御できる条件が見つかった。駆動電圧の振幅から斥力が観測され、空気中と真空中での違いから、現象のメカニズムを推定することができた。

研究成果

• [文献書誌] Dai Kobayashi,Chang-Jin Kim and Hiroyuki Fujita: "Photoresist-Assisted Release of Movable Microstructures" Japanese Journal of Applied Physics. Vol.32 No.11A. L1642-L1644 (1993)
• [文献書誌] Toshiki Hirano,Dai Kobayashi,Tomotake Furuhata and Hiroyuki Fujita: "Electroplated and Dry-Released Metallic Microstructures for a Lateral Tunneling Unit Application" Japanese Journal of Applied Physics. Vol.33 No.2. 1202-1208 (1994)
• [文献書誌] Dai Kobayashi,Hiroyuki Fujita: "Design,Fabrication and Opereation of a Micromachined Tunneling Control Unit" Trans.IEE of Janpan. Vol.166-E No.8. 339-344 (1996)
• [文献書誌] Dai Kobayashi,Hiroyuki Fujita: "Displacement Measurement by a Microfabricated Tunneling Unit" Trans.IEE of Janpan. Vol.116-E No.7. 297-302 (1996)
• [文献書誌] Hirosh Toshiyoshi,Dai Kobeyashi,Hiroyuki Fujita,Toshitsugu Ueda: "A Piezoelectric Quartz Microactuator for a Large Pseudo Static Displacement" Jpn.J.Appl.Phys.Vol,33. L1806-1808 (1994)