トンネル電流距離センサを集積化したシリコンマイクロストラクチャによる微小駆動装置

1990 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 63850053
• 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, 助教授 (90134642)
• 研究分担者: 佐藤 一雄 日立製作所, 中央研究所・マイクロマシーニング, 主任研究員 ; 生駒 俊明 東京大学, 生産技術研究所, 教授 (80013118)
• キーワード: トンネル電流 / マイクロマシ-ニング / 静電アクチュエ-タ / 位置決め / 変位測定

研究概要

本研では、シリコン基板上に超小型の運動機構と距離センサを、集績回路製造プロセナで一度に形成し、nmオ-ダの距離センサを集積化した超小型運動デバイスを実現することを目的とする。特に今回は、従来多くの機能素子と機械部品を組み合わせて作られていたトンネル電流ユニットを、シリコンのマイクロマシ-ニングを活用して一枚の基板上に作製することに目標を絞った。
この結果、次のような成果を挙げることができた。
(1)シリコン基板をフォトリソグラフィと異方性エッチングにより微細加工して、厚みが10μmオ-ダのダイヤフラムを作り、それを静電的に吸引してたわめる構造を製作した。このたわみ量を、駆動電極と同じ場所に作った変位測定用電極を用いて測定し、位置フィ-ドバック系を構成した。立ち上がり時間約1ms、変位分解能100nmを得た。
(2)上記アクチュエ-タのたわみ量をエネルギ-原理に基づいて計算する方法を考え、理論と実験が一致することを確かめた。この式により、アクチュ-タの寸法を最適化する設計が可能になる。
(3)更に上記アクチュエ-タにタングステン製の鋭い針を立て、対向する試料と針先端との距離を静電的に制御した。この距離を1nmオ-ダにまで接近させ、10nAオ-ダのトンネル電流が針と資料の間に流れることを確かめた。
(4)試料を基板と平行なXY面内で移動する機構として、多結晶シリコン薄膜を微細加工した静電アクチュエ-タを試作した。駆動部の形が、(1)櫛の歯を互い違いに組み合わせた形のものと、(2)ひし形をした弾性変形部の両端に平行平板形の電極を付けたものの2種類を製作し、電圧を印加して、動作を確認した。特に、(2)の形については、アクチュエ-タを4つ組み合せ、XY方向の変位を可能にした構造を作った。

研究成果

• [文献書誌] 原田 昌信,佐藤 一雄 藤田 博之: "単結晶シリコン薄膜を用いた静電マイクロサ-ボシステム" 電気学会・産業計測制御研究会資料NO.IICー88ー26. 79-88 (1988)
• [文献書誌] 藤田 博之,生駒 俊明: "マイクロアクチュエ-タにおける電場応力場連成場" 日本機械学会.第68期全国大会講演会講演論文集. D. 514-516 (1990)
• [文献書誌] H.Fujita,T.Ikoma.: "Numerical Determination of the Electromechanical Field for a Micro Servosystem" Sensors and Actuators. 215-218 (1990)
• [文献書誌] H.Fujita,A.Omodaka,M.Harada,K.Sato: "Electrostatic Micro Actuators" Technical Digest of the 7th Sensor Symposium. 169-172 (1988)
• [文献書誌] H.Fujita,M.Harada,K.Sato: "AN INTEGRATED MICRO SERVOSYSTEM" 1988 IEEE International Workshop on Intelligent Robots and Systems [IROS'88]. 15-20 (1988)
• [文献書誌] 原田 昌伸,畑澤 康善,佐藤 一雄,藤田 博之 生駒 俊明: "単結晶シリコン薄膜を用いた可変焦点凹面鏡" 平成元年電気学会全国大会. 163-164 (1989)