PowerPoint プレゼンテーション

MEMSの新しい話題

田中秀治

工学研究科ロボティクス専攻

マイクロシステム融合研究開発センター

東北大学

今年の話題

2

第1話 MEMSプラットフォーム

～SOI MEMSでは勝負できない～

第2話 成長する弾性波フィルタ

第3話 中国でのMEMSの急進展

第4話 中国のMEMSは？

第5話 圧電MEMSの実用化（AlN編）

第6話 圧電MEMSの実用化（PZT編）

MEMSプラットフォーム

～SOI MEMSでは勝負できない～

SOI MEMSプロセス

SiO₂ Si₃N₄ Poly-Si Si

T. D .Chen et al. (Analog Devices), Transducers’05, 1122

Isolation trench Analog Devices XL40加速度センサ 0.6 µm CMOS 4

エピポリシリコンプロセス

5 Si 熱酸化膜 ポリSi（TPL） SiO₂犠牲層 エピポリSi （EPL） DRIE トレンチ 犠牲層 エッチ 直接ポリSiにアンカ

Giacomo Langfelder et al., IEEE Sensor

Journal, 11, 4 (2011) pp. 1069-1077

① Nucleation on SiO₂ by LPCVD at 650 ℃ (125 nm t) ② Thick columnar poly-Si deposition in a LP epitaxial reactor at 1000 ℃, 3 MPa

stress, High deposition rate of 0.4–0.7 μm/min

Fh.G ISIT, Uppsala Univ., Thin Solid Films, 259 (1995) 181-187

SOI MEMS（旧） vs. Epi-poly Si MEMS（新）

SOI MEMS

Epi-poly Si MEMS

6 埋め込み酸化膜 を挟んでアンカー 犠牲層エッチン グ時に時間制御 基板に直接アンカー 可動構造下に配線層

3層ポリシリコンプロセス（Robert Bosch）

7

J. Classen et al. (Robert Bosch), IEEE MEMS 2017, pp. 314-317

酸 化 膜 の 「 す のこ構造」を形 成することで， 大 き な 空 洞 が あっても，その 上 に 層 を 重 ね る に あ た っ て 平坦化が不要 Poly-Si #1 Poly-Si #2 Poly-Si #3 2層構造 3層構造 パッケージ応力によって オフセットにしにくい。 → 樹脂モールド可能 日経xTECH

3層ポリシリコンMEMS（Robert Bosch）

8

J. Classen et al. (Robert Bosch), IEEE MEMS 2017, pp. 314-317 ねじりばねと上部電極（赤，緑）が中央部でアンカー 「1点留め」 → パッケージ歪に鈍感 → 樹脂モールド可能 対称性の高いシーソー構造 熱膨張や不均一チャージアップによるドリフトを抑制 左のマスは中空， 右のマスは中実 → z軸感度 完全二重差動静電容量読出し → 温特向上，感度向上 自動車用新世代2軸加速度・1軸ジャイロセンサ Bosch SMI700/710（2015～） 7×7 mm2

エピポリシリコン＋基板接合MEMS（LETI）

9

F. Maspero et al. (LETI), IEEE MEMS 2019, pp. 692-695

0.12 mm2_{のz軸加速度センサ}

日経xTECH 2019/5/20

ウェハレベル集積化慣性センサー（InvenSense）

Steven Nasiri and Martin Lim, InvenSense, Inc.

Ge (700 nm)

Al (500 nm)

Direct bonding

30 μm

Al-Ge eutectic bonding

450 ºC, 300 N/wafer,

4 % H

₂

in N

₂

x

y

CMOS 10 ~70 μm

東北大学の集積化MEMSプラットフォーム

11

300

μm

Yukio Suzuki et al., IEEE MEMS 2017, pp. 744-747

日経テクノロジーオンライン, 「トヨタと東北大が新技術，ロボットセンサーとICを安く積層」 (2016.11.2) 自分のLSI 金属 接合 MEMSセンサ 他人のLSIを レーザー消去 他人のLSIを レーザー消去 TSV ASIC レーザー消去部分 レーザー消去部分 平坦化後 ASIC

東北大学の集積化MEMSプラットフォーム

成長する弾性波フィルタ

MEMS売上ランキング 2017 & 2018

14

Million US$

1位 Broadcom（旧Avago Technologies）

5位 Qorvo（TriQuint Semiconductor + RF Micro Device）

田中, 2018年MEMS売上高ランキング、トップ30には日本の11社, 日経 xTECH, 2019/6/14 2017 2018

成長する弾性波フィルタ

15

Photographs from Robert Aigner (Qorvo)

バンド25 Tx BAWフィルタ （Qorvo，2016） Yole Development (2019) 複雑化するRFモジュール，増加する弾性波フィルタ

日経xTECH

BAWフィルタ 慣性センサ マイクロフォン 圧力センサ インクジェット スピーカー， pMUT， 指紋センサ等 2018 2019 2020 2021 2022 2023 2024

弾性波フィルタへの難しい要求

16

• 耐電力性

← LTEでサブキャリアがオーバラップすることあり

• 小さな非線形性（Inter Modulation Distortion）

← キャリアアグリゲ―ション

• 基本性能のさらなる向上（挿入損失，カットオフ特性，温度特性）

← 高難度バンドの存在（例：LTE Band 25，Band 11+21）

• 5Gの高周波バンド（3.5~5 GHz）

Band 25 Txフィルタ特性

T. Takai et al. (Murata Mfg.), IEEE IMS 2016 アップリンク：1850 MHz〜1915 MHz ダウンリンク：1930 MHz〜1995 MHz

ガードバンド：15 MHz ← 極めて狭い

Low band Mid band

1 GHz 3 GHz 4 GHz 5 GHz

600/700 MHz 3.3~4.2 MHz 4.4~5.0 GHz Band n77 3.3~4.2 GHz Band n78 3.3~3.8 GHz Band n79 4.4~5.0 GHz

Balazs Bertenyi (Nokia), Chairman of 3GPP RAN

SAW or BAW?

Andreas Link, Phil Warder (TriQuint Semiconductor), “Golden Age for Filter Design,” IEEE Microwave Magazine, August 2015, pp. 60-72

17

0.5 GHz 1.5 GHz 2.5 GHz

Hetero Acoustic Layer SAW

HAL構造を有する弾性表面波（SAW）デバイス

18

バルク波（BAW）

縦波

速い横波

遅い横波

表面波（SAW）

縦型漏洩SAW

漏洩SAW

レイリー波

音速

高音速かつ高結合係数だが，

漏洩波なので損失が大きい

HAL（Hetero Acoustic Layer）

構造で漏洩SAWを閉じ込め

基板にバルク波が 放射される（損失）

LSAW/LLSAW

HAL（Hetero Acoustic Layer）構造のSAWデバイス

薄板化したLNまたはLT（t < λ）

従来のSAWデバイス

LNまたはLT SiO₂等 Si，水晶， サファイア等 Si，水晶， サファイア等

超薄板LTを用いた高性能SAWデバイス（村田製作所）

19

T. Takai et al. (Murata Mfg.), IEEE IUS 2016

岩本英樹 他 (村田製作所), 日本学術振興会第150委員会, 第148回研究会, 2017.5.16 Si LiTaO₃ h ≤ λ（1 μm程度以下） λ 弾性波の閉じ込め 周波数温度係数（TCF）の改善 HAL SAW device Standard SAW device (42ºY-LT) >80 dB 50ºYX-LT for reported device 高熱伝導率

Incredibly high performance in both Q factor and TCF

Bode Q ~ 4000 バンド幅 3~3.5%

Band 25デュプレクサのTCF +8 ppm/K at left edge

−8 ppm/K at right edge

“I.H.P. SAW technology”®

薄板LT／水晶 HAL SAWデバイス（東北大学）

M. Kadota, S. Tanaka, IEEE International Ultrasonics Symposium 2017

Measured frequency characteristics of Cu-metalized HAL SAW resonator on 20ºYX LT/ 40ºY90ºX quartz (right) and 42ºYX LT reference SAW resonator (left)

400 500 600 BW 5.0% Z ratio 82 dB λ 7.76 µm Cu/42oYX-LT

Im

pe

da

nc

e

[Ω

]

Cu/20oYX-LT/40oY90oXquartz

800 900 1000 1 10 100 1000 10000 100000

Frequency [MHz]

BW 4.2% Z ratio 51 dB λ 3.78µm C

51 dB

82 dB

20 40ºY90ºX quartz

20ºYX LiTaO

₃

(1.1 μm)

水晶は LTより大きな音速 正の周波数温度特性 を示す（カット角による）。 → 温度補正 HAL SAWデバイス

RFフロントエンドモジュールの産業構造

21

RFフロントエンドモジュール（フィルタ＋スイッチ＋アンプ）は，日米の企業によっ

て寡占化されている。

SAWフィルタ 村田製作所，Skyworks（フィルタ部門はもとパナソニック），RF360（もとEpcos，TDKが買 収した後，Qualcommが51%の株を保有）， Qorvo（TriQuintとRFMDが合併），太陽誘電 （もと富士通） BAWフィルタ（FBAR，SMR） Broadcom（もとAvago），Qorvo， RF360，太陽誘電，Skyworks Photograph: Reuters

「ZTEショック」

中国国営企業であるZTE（中

兴通讯）は米国の

RFフロントエンドモジュール等の輸入ができなくな

り，経営危機に陥った。

→ 中国でBAW/SAWフィーバー

日本

米国

中国でのBAW/SAWフィーバー

22

SAW/BAWフィルタを用いるRFフロントエンドモジュールは日米メーカーが寡占化

中国は産業上・安全保障上の危機感を持つ

ROFS Microsystem（

诺思（天津）微系統）

四川省綿陽市はFBARフィルタを製造する

诺思（天津）微

系統（ROFS Microsystem）と戦略的協力協定を締結。

綿陽市游仙区の工場に総額128億元（約2100億円）を投

資。将来的には，年間生産量100億個以上，年間生産額

約150億元（約2500億円），雇用3000人を見込む。

この企業の創業者らは産業スパイでFBIに指名手配され，

1名は米国で拘束中。

San’an Optoelectronics（三安光電）

LED大手企業。LED，パワーアンプ，SAW/BAWフィルタ

などの技術開発と福建省泉州市での工場建設に，7年間

で333億元の投資を発表。

その他にも多くの中国企業がBAS/SAWフィルタに取り組んでいる。

田中, 中国スマホのアキレス腱、BAWフィルターの先端技術, 日経xTECH, 2019.5.15

中国でのMEMSの急進展

フラッグシップ国際会議での論文数

24 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 20 40 60 80 100 120 140 採択数 281 採択数 655

中国のMEMS (2018) ～ 進む欧米からの技術導入

25

田中秀治, 欧米MEMS企業の牙城崩せ、中国勢が続々切り込む,

日経テクノロジーオンライン 2017.10.31

Hankin Electronics（罕王集団は鉱業，鉄鋼，精密機

械などを主たる事業とする企業グループ）は，2016年

9月にMaxim Integrated（米国）のMEMS事業を買収。

遼寧省瀋陽に中国初となる8インチのMEMS工場を新

設。QRコードからHanking Electron. CTOインタビュー

蘇 州 の 政 府 系 半 導 体 企 業 で あ る 蘇 州 固

鍀 電 子

（ Suzhou Good-Ark Electronics ） は 2010 年 に

Miradia（米国）を買収し，2011年にMiraMEMSを設立。

TSMCをファウンドリとして使って慣性センサ等を製造。

上海の上海

_{矽睿科技（QST）は，上海のファウンドリで}

ある華虹半導体（Hua Hong Semiconductor）傘下の

上海華虹NEC電子の工場に集積化MEMSプロセスを

インストールし，慣性センサーを製造。

QSTの集積化MEMS

26

• Dr. Kegang Huang（Vice President, QSTは

InvenSense，Fairchild Semiconductorなどで

MEMSエンジニアとして活躍

• このプロセスは華虹半導体グループの上海

Hua Hong NEC Electronicsの工場にインス

トール，MEMS量産中

K. Wang (QST), Int. Conf. Commercialization Transducers & MEMS 2017, 田中秀

治, 欧米MEMS企業の牙城崩せ、中国勢が続々切り込む：日経テクノロジーオンライ

ン171031

MiraMEMS (TSMC Above-CMOS MEMS)

27

Monocrystalline Si (a few μm) Gap (a few μm)

CMOS wafer

BEOL Last CMOS metal

A monocrystalline Si layer is bonded with a polished CMOS wafer, and used for MEMS. Figure from IMEC

(Poly-SiGe was gaven up)

中国のMEMS (2018) ～ 政府補助で進む工場建設

28

田中秀治, 対米貿易紛争で加速する、中国MEMS工場への投資 大口径ライン建設

地で感じた、開発製造の自国化への熱意, 日経 xTECH 2018/11/08

田中秀治,中国MEMSの急先鋒Hanking、CTOが語る工場と雇用,

日経 xTECH 2018/12/07

田中秀治,中国でMEMS量産拡大、建設中の巨大工場を探訪,

日経 xTECH 2019/4/9

厦門市の新しい半導体工場団地に，同市の支

援でパワーデバイスやLEDドライバを得意とす

る士

兰微电子（Silan Microsystems）のMEMS

工場（8インチ以上）が建設中。

河南省鄭州市（Zhengzhou）は，鄭州ハイテク

ゾーンに中国インテリジェント センサーバレー

（3～5 km

2

_{）を建設すると発表。5年後に1000億}

元の産業を目指す。

耐威科技（Beijing NAV Technology）傘下の大

手MEMSファウンドリSilex（スウェーデン）は，

北京に8インチのMEMS OEMラインを建設中。

圧電MEMSの実用化（AlN編）

MEMS超音波レンジファインダー（UC Davis）

R. J. Przybyla, … D. A. Horsley, B. E. Boser, IEEE J. Solid-State Circuits, 50, 1 (2015) 320-334

30

Low-power (5 μW), Chip-sized ultrasonic range finder for gesture recognition

Resonant acoustic tube (Higher sensitivity) f₀ = 1.6 mm Q = 18 BW = f₀/Q = 12 kHz 2 elements for transmitter (Hemispherical wave front) and 7 elements for

receiver

Theoretical angular resolution is15º. Pulse should be shorter for better resolution in distance, but larger than 2/BW to keep intensity. 138 μs ～ 24 mm in this study

MEMS超音波レンジファインダー（UC Davis）

R. J. Przybyla, … D. A. Horsley, B. E. Boser, IEEE J. Solid-State Circuits, 50, 1 (2015) 320-334

31

SNR and angular error vs. Distance (The target is a plate of 127×181 mm2₎

Range > 1 m

超音波レンジファインダー（TDK-Chirp）

32

Chirp Technology（UC DavisのDavid Horsley教授らのスタートアップ）

→ TDKが買収 (2018)

対話型インターフェースや

スマートウォッチへの応用も

Photographs: Amazon.com, Google, Apple, Samsung

□3.5 mm×1.25 mm

CH-101：誤差0.35 mm @1.2 m，170 kHz

TFTベースの超音波指紋センサ（Qualcomm）

Glass

Thermo-decomposed polymer? (<100 nm) AlN

Polymer (e.g. SU-8)

Displace or aluminum case on it through matching layer

Mo

US20150165479A1

Die size: ten-odd mm ×several mm Vivo XPlay 7 Vivo XPlay 7 (2017) The ultrasonic fingerprint sensor under OLED was used. 33

Galaxy S10の超音波指紋センサが突破された

34

“I attempted to fool the new Samsung

Galaxy S10's ultrasonic fingerprint scanner

by using 3D printing. I succeeded.”

by darkshark (April 4, 2019)

3D-printed fake fingerprint

Z. Zhou, S. Yoshida, S. Tanaka, Transducers 2017

Z. Liu, S. Yoshida, S. Tanaka, Transducers 2019

pMUT using Epi-PZT

2 m

m

集積化MEMS超音波指紋センサ

35

Prof. D. A. Horsley (UC Davis), Prof. B. E. Boser (UD Berkeley), TDK-InvenSense, Inc.

AlN圧電薄膜

Pixel size 43×

58 μm

2

56×110 pixels

582×431 dpi

FBI standard

500 dpi以上

の解像度

真皮下の構造

も画像化

湿気や汚れ

に対する

堅牢性

Prof. D. Horsley’s Seminar, 27 April 2017, Tohoku Univ. (Slides are available at S. Tanaka Lab website)

GHz超音波指紋センサ（Cornell大学）

Justin C. Kuo, … Amit Lal (Cornell University, Intel), IEEE MEMS 2017, pp. 22-26

AlN vibrates in thickness mode at 1.3 GHz.

Distance resolution is 15-20 μm.

High frequency ASIC is necessary.

Reflected pulse No

diaphragm

圧電MEMSの実用化（PZT編）

従来のPZT圧電MEMS

38

Piezoelectric MEMS gyro (Panasonic)

Piezoelectric MEMS gyro (SSS)

Inkjet printer head

(Panasonic → Konica Minolta)

Piezoelectric MEMS gyro (Sony)

Piezoelectric film Stacked stainless

steal sheet

Inkjet printer head (Brother)

Inkjet printer head (Xaar)

PZTマイクロミラーデバイス（スタンレー電気）

39

Stanley, Toshiyoshi Lab.

応用物理学会2014春17p-E9-7 Toshiyoshi Lab. website Resonant axis: ±14° Non-resonant axis: ±8°at 60 V

レーザースペックル解消デバイス（リコーIS・東北大学）

40

in JSTnews, April 2019

ナノインプリントで作製されたサ

ブ波長位相拡散板を，薄膜PZT

アクチュエータでx-y駆動

Mr. Fujimura at Ricoh Industrial Solutions, Visiting Researcher of S. Tanaka Lab

圧電MEMSスピーカ（USound）

41 USound（オーストリア），FhG ISIT 圧電MEMSスピーカ PZT膜 5×7×2 mm3 2～15 kHz STMicroelectronicsで製造

3Dバーチャルヘッドフォンへの応用

既存の小形ダイナミックスピーカの置き換え

イヤホンや補聴器への搭載

ノイズキャンセリングやスピーカアレイへの応用（高い制御性と性能の均一性）

USound Usound, MEMS Engineer Forum 2019

6.7 mm

4.7 m

m

圧電MEMSスピーカ（FhG ISIT）

F. Stoppel et al. (Fraunhofer ISIT), Transducers 2017, T3P.098, pp. 2047-2050

42 10 mm square

• クローズドダイヤフラムではなく，片持ち

梁構造によって大きな変位を実現。

• 隙間を5

μmにすることで，空気漏れの影

響なし。

• ウーハーアクチュエータが動くと，ツイー

ターフレームは上に持ち上げられ，メンブ

レン全体で低音域の音圧を発生できる。

• それでいて，ツイーターアクチュエータは，

ウーハーアクチュエーターとは独立に動

くので，高音域の音圧を発生できる。

Piezoelectric MEMS Speaker (FhG ISIT)

F. Stoppel et al. (Fraunhofer ISIT), Transducers 2017, T3P.098, pp. 2047-2050

43

FhG ISIT MEMS speaker (10×10 mm2₎

Commercial dynamic speaker (AAC DMSP0916S, 9×16×3 mm3₎ Designed

The device is fabricated by standard PZT MEMS process.

• ウーハーとツイーターはそれぞれ共振

特性を持つが，うまく組み合わせて，

効率のよい駆動と，それでいて比較的

良好な周波数特性を実現。

• 周波数特性はフラットではないが，駆

動信号の周波数特性を整形すること

で解決可能。

オートフォーカス用可変焦点液体レンズ（Wavelens）

44

Stephane Nicolas et al. (CEA Leti, Wavelens), IEEE MEMS 2015, pp. 65-68

PZT actuator Elastomer membrane

(several μm) _{Silicon (back-ground to 100 μm)}

Glass (polymer bonded) Optical oil Thick photoresist 正確な量のマッチングオイルが 自動でガラスウェハ上のプールにディスペンス され，ガラスウェハとSiウェハが接合される。

薄膜PZTアクチュエータでマッチングオイルを

押すと，エラストマー製のメンブレンが膨らむ。

PoLight（ノルウェー）も同様のデバイスを開発中 接合

オートフォーカス用可変焦点液体レンズ（PoLight）

45

Mahmoud A. Frghaly et al. (University College of Southeast Norway, PoLight),

Optical Express, 24, 25 (2016) 28889

Calculated performance (Focal length f and RMS wavefront error versus applied voltage)

for optimum geometry of varifocal lens

Schematic structure of varifocal lens PZT thickness = 2 μm Glass thickness = 20 μm Diameter = 3 mm Aperture = 1.6~1.7 mm Circular Circular Rectangular Rectangular

PZT薄膜の信頼性

Fuji Film Dimatix, PiezoMEMS 2013 46

• Smoother surface is better in terms of breakdown.

• The doping of Nb and Mn improves breakdown voltage.

• The bottom electrode of conductive oxide (e.g. SRO) is necessary for

better reliability. Pt works as a catalyst for hydrogen-induced degradation

of PZT.

• Dry etching can damage PZT, resulting in lower breakdown voltage.

• PECVD also can damage PZT by hydrogenated compounds.

• Humidity is a major source of degradation.

PZTの成膜・加工装置（量産用）

47

ULVAC NE-5700/7800

SCREEN LA-830

ULVAC SME-200E/J

PZT RIE断面（ULVAC）

山本，上村，応用物理学会2014秋

アルバックは，薄膜PZT MEMSに関する研究室を，中国・蘇州の

MEMSRIGHT/Nano-polisと共同で蘇州工業団地に設置する。

SCREEN SK-80EX

2 μm

ゾルゲル成膜装置：

コーターとランプアニール

PZT MEMSに取り組む主な企業

48 企業名 PZT成膜 状況 PZT MEMSの業態 パナソニック PVD 事業化 自社MEMS（ジャイロ） アルバック PVD 事業化 ツール製造（PVD，RIE） ファウンドリ ローム ゾルゲル 事業化 ファウンドリ ソニーセミコンダクタマニュファク チャリング ゾルゲル 事業化 自社MEMS（ジャイロ） ファウンドリで提供していない シリコンセンシングシステムズ PVD 事業化 自社MEMS（ジャイロ） ファウンドリ

TDK，SAE Magnetics PVD 事業化 自社MEMS（HDDヘッドアクチュ

エータ） 富士フィルム PVD 事業化 自社MEMS（インクジェット） スタンレー電気 ADRIP 開発中 自社MEMS（マイクロミラー） リコー ゾルゲル 開発中 自社MEMS（インクジェット，マイ クロミラー） STMicroelectronics ゾルゲル 事業化 ファウンドリ Robert Bosch PVD（ア ルバック） 開発中 自社MEMS ファウンドリも検討 TSMC ゾルゲル 開発中 ファウンドリ ※公表済みの主な企業

HDDヘッドアクチュエータ（TDK-SAE Magnetics）

49

M. Nemoto (TDK-SAE Magnetics), 第14回圧電MEMS研究会 (2017)

Epitaxial PZT film actuator - Small - Fast response - Low voltage - High reliability 0.44×0.22 mm2 t = 9 μm 19.4 nm/V Wafer process Epi-PZT deposition on Si Patterning Release from wafer Assembly

エピタキシャルPZT薄膜（東北大学）

SRO (0.393 nm) Si (0.5431 nm) YSZ (0.5139 nm) CeO₂ (0.5411 nm) LSCO (0.3805 nm) (√2LSCO = 0.5380 nm) PZT

(a, b-axis length: 0.404 nm,

c-axis length: 0.415 nm) 45 ˚ [100] [010] [001] 50 Epitaxial structure of PZT on Si (Sputter) (PLD) (PLD) (PLD) (PLD) 10 nm Si substrate YSZ CeO₂ LaSrCoO₃ SrRuO₃ PZT SiO₂

TEM image

e

_31,f

=

－14 C/m

2

_,

ε

r33

= 200 ~ 300

S. Yoshida et al., Sensors Actuators A,

239 (2016) pp. 201–208

圧電薄膜の比較

51

Application Figure of Merit (FOM)

Actuator Piezoelectric constant d

Active sensor (e.g. Gyroscope)

(Piezoelectric constant)2_{/(Dielectric constant)}

d2_/ε

Energy harvester Electromechanical coupling factor

K2 _{∝ d}2_/ε

Resonator

(e.g. Acoustic wave filter)

(Electromechanical coupling factor)×(Q factor)

K2_Q

Passive sensor (e.g. Microphone)

(Piezoelectric constant)/(Dielectric constant)

g = d/ε

Piezo film on Si Polycrystal PZT (MPB) Epitaxial PMN-PZT AlN Epitaxial PMnN-PZT 43%Sc-AlN e_31,f [C/m2_{] -12 -25 -1 -14 -3} ε33r 1000 1500 10 270 30 e_31,f/(ε₀ε_33r) [GV/m] -1.4 -1.9 -11 -5.9 -11 (e_31,f)2_/(ε 0ε33r) [GPa] 16 47 11 82 34

圧電薄膜の比較

52 [1] S. H. Baek … B. Eom, Science 334, 958 (2011) [2] F. Calame, P. Muralt, Appl. Phys. Lett. 90, 062907 (2007)[3] N. Ledermann et al., Sens. Actuators A, 105, 162 (2003)

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 -28 -26 -24 -22 -20 -18 -16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 T ran sv er se p iezo el ect ri c co n st an t, e 31, f [C /m 2 ] R el at iv e d iel ect ri c co n st an t, ε r33 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 P er for m anc e for gyr os cope , (e31, f ) 2 /ε 0 εr33 [G P a] C onv ent ional pol y P Z T P er for m anc e for gyr os cope , (e 31, f ) 2 /ε 0 ε r33 [G P a] [1] [2] [3] [1] [2] [3]

FOM =

(e

31,f

)

2

ε

₃₃

e

_31,f

ε

₃₃

エピPZTを用いたpMUT（東北大学）

Z. Zhou, S. Yoshida, S. Tanaka, Transducers 2017

53

Φ Φ Φ

エピタキシャルPZT薄膜（KRYSTAL：旧YOUTEC）

54

https://www.amti-group.co.jp/technical/index.html

A venture company “KRYSTAL” in Japan is commercially providing an epi PZT film on a Si wafer. Some companies are using this film for

R&D (pMUT, microphone etc.).

エピPZTを用いたpMUT（UC Davis）

55

G.-L. Luo, Y. Kusano, M. N. Roberto, David A. Horsley, IEEE MEMS 2019, pp.

787-790

625 μm radius, 2 μm thick PZT

40 kHz for large range finding distance (~1 dB/m attenuation in air at 40 kHz) Epi PZT: e_31,f = 24.5 C/m2_{, d}

31 = 195 pC/N

Rang finding over a few meter distance is possible.

今年の話題

56

第1話 MEMSプラットフォーム

～SOI MEMSでは勝負できない～

第2話 成長する弾性波フィルタ

第3話 中国でのMEMSの急進展

第4話 中国のMEMSは？

第5話 圧電MEMSの実用化（AlN編）

第6話 圧電MEMSの実用化（PZT編）

MEMS Trends

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マイクロデバイスの研究開発，お手伝いします。

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研究室

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マイクロ・ナノセンター

（MNC）

マイクロシステム

融合研究開発センター

小片ウェハ

4インチウェハ

6インチウェハ

田中(秀)研究室が一貫してお世話

基礎研究から製品開発まで

小片ウェハから6インチウェハまで

企業単独での開発より短時間・低コストで成果が得られるように支援します。

本学で試作したデバイスの商用利用も可能です。

MEMSに関するコンサルティングも行っています。

企業からのオーダーに応じてプライベートセミナーを開催します。

Assoc. Prof. Takashiro Tsukamoto Assoc. Prof. Masanori Muroyama Assoc. Prof. Shinya Yoshida Professor Shuji Tanaka Assoc. Prof. Hideki Hirano Michio Kadota Sr Res. Fellow

S. Tanaka Laboratory

Department of Robotics & Microsystem Integration Center

Tohoku University

Research menu in 2019

• Sensor systems for human-friendly robots

• Frequency control devices (SAW and BAW devices) • Advanced inertial sensors

• Ultrasonic and acoustic sensors • Micromirror devices

• Microactuators

• Piezoelectric thin films (Epitaxial PZT on Si)

• Heterointegration and wafer-level packaging technology • MEMS process tools (ALD, wafer bonder etc.)

Sr. Assist. Prof. Yukio Suzuki

mems tohoku

Assoc. Prof. Jörg Frömel