| 研究課題/領域番号 |
15K17453
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| 研究機関 | 東京工業大学 |
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研究代表者 |
山根 大輔 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 助教 (70634096)
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| 研究期間 (年度) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| キーワード | 金 / 金合金 / ナノ結晶 / 電解めっき / 加速度センサ / ノイズ / MEMS / カンチレバー |
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| 研究実績の概要 |
具体的内容：H28年度研究目的の（１）ナノ結晶化によるAu／Au合金の高強度・高密度化，（２）Au／Au合金加速度検出デバイスの基礎検討について，実施内容を以下に示す。
（１）めっきAu-Cu合金を試作・評価した結果，降伏強度は純金の公称値より約5倍も高く，従来のめっきAu構造体よりも高い降伏強度が得られた。さらに，MEMS基本構造となる微小カンチレバーをAu-Cu合金を用いて試作し，Au-Cu合金のMEMS応用へ向けた基礎検討を実施した。また，電解めっき法（パルス，超臨界）を用いたナノ結晶Auの高強度化，Au構造体の形状安定性評価，温度・疲労特性評価なども実施中である。上記の成果は，原著論文（6件），国際学会（15件）や国内学会（9件）で発表した。
（２）従来成果により，Au錘について機械ノイズ低減へ見通しを得た。そこで本年度は，Au錘を用いた静電容量型MEMS加速度センサについて複数の構造を提案し，試作・評価した。その結果，最終目標の慣性分解能0.1μG以下へ向けたデバイス構造や設計手法への知見を得た。デバイス構造では同相ノイズを低減可能なZ軸差動構造を新規に提案・実証した。さらに，各種ノイズやメタル層密着力を評価することで，ノイズや機械的信頼性を回路シミュレータ上で解析可能な設計環境を新規構築した。また，試作MEMSセンサと市販LSI用いた慣性センサモジュールを作製し，実装時のノイズも評価した。上記の成果は，原著論文（2件），国際学会（12件）や国内学会（18件）で発表した。
意義・重要性：本研究成果より，電解めっきで作製したAu-Cu合金構造体はAuめっき構造体よりも高い降伏強度を有することが分かった。また，高感度加速度センサの実現へ向けたデバイス構造や設計環境を新たに提案・構築した。これにより，ナノG検出へ向けたAu／Au合金加速度検出デバイスについて実現見通しを得た。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
当初予定の本年度目標到達点は，（１）慣性分解能0.1μG以下（大気封止時）を有するAu加速度検出デバイス，そして，（２）降伏強度1GPa以上のAu／Au合金の実現について見通しを得ることである。研究開始時（H27年），錘質量に反比例するデバイス機械ノイズの低減へ向けて，Au合金による錘密度20g/cm^3以上の到達目標も設定したが，これまでの成果より，現在の錘密度でもデバイス機械ノイズを大幅に低減可能な見通しを得た。したがって，錘密度については今後特に目標値を定めず，慣性分解能の目標値達成へ向けてデバイス構造最適化に注力する旨を，H27年度実績報告書に記載済みである。
目標（１）について，昨年度までに電解金めっきを用いて作製したAu加速度検出デバイスの機械ノイズは22nG/Hz^1/2（大気封止時）に到達しており，帯域10Hz以下において慣性分解能0.1μG以下の実現見通しを得ている。本年度はさらなるノイズ低減を目指し，デバイス構造とそれに関連する設計パラメータのモデル化，各種ノイズのモデル化を実施し，高感度加速度センサの新たな設計環境も構築した。したがって，当初予定した目標到達点に達している。従来では解析困難なノイズや信頼性について新たに設計環境を構築したことは，当初予期していない重要な研究進展である。
目標（２）に関して，電解めっきで作製したAu-Cu合金マイクロ構造体を評価した結果，めっきAuや純金よりも高い降伏強度を示し，1GPa以上の降伏強度を達成した。以上の結果より，当初予定した目標到達点に達した。また，当初予期していない重要な研究項目として，昨年から継続中のAu構造体の形状安定性評価，そして本年度より実施中のAu構造体の温度・疲労特性評価などが挙げられる。これらの研究項目はMEMSデバイス応用への向けて必要であり，今後はAu-Cu合金材料についても実施予定である。
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| 今後の研究の推進方策 |
今後の研究の推進方策は，（１）Au／Au合金加速度検出デバイスの開発，そして（２）ナノ結晶化によるAu／Au合金構造体の機械強度向上であり，各項目概要を以下に述べる。
（１）当初計画通り，従来のバルク金よりも高強度化した電解めっきAu／Au合金を用いて，Au／Au合金加速度検出デバイスの原理検証を行う。従来研究で実績のある多層メタル錘構造を用いて錘質量増大とそれによる機械ノイズ低減を実現し，慣性分解能向上を目指す。到達目標は，慣性分解能0.1μG以下のAu／Au合金加速度検出デバイスの実現見通しを得ることである。また，錘質量増大やデバイス構造最適化以外のノイズ低減手法として，デバイス真空封止も検討する。真空封止により錘周囲の粘性係数を下げることで，粘性係数の1/2乗に比例する機械ノイズを低減可能である。さらに，3軸方向の加速度を検知可能なデバイス構造についても基礎検討を行う。
（２）これまでに，めっきAuのナノ結晶化やめっきAu-Cu合金を用いることで，降伏強度の目標値1GPaを達成した。今後は，めっきAu-Cu合金のナノ結晶化による降伏強度のさらなる増大や，めっき条件の制御によるAu／Au合金の機械特性制御とそのモデル化を検討する。
さらに，本項目は当初予定より大幅に進展しているため，めっきAu／Au合金材料のMEMSデバイス応用への向けた必要な研究にも注力する。具体的な研究項目は，新たなAu／Au合金材料のMEMS作製プロセスへの適用検討，形状安定性評価，長期繰返し振動試験による疲労特性評価，そして温度サイクル試験による温特評価であり，評価サンプルにはめっきAu／Au合金によるマイクロカンチレバーやマイクロブリッジを使用し，有限要素法を用いたシミュレーションも実施予定である。これらより，Au／Au合金加速度検出デバイスの基礎検討について，当初予測を超えた研究進展が見込まれる。
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