圧電マイクロエレクトロメカニカルシステム

圧電マイクロ電気機械システム（ピエゾMEMS）は、圧電性を利用して運動を生成し、タスクを実行する小型または微細なデバイスです。これは、機械的ストレス下で発生する電位を利用するマイクロ電気機械システムです。ピエゾMEMSは、スイッチ、インクジェットプリンターヘッド、センサー、マイクロポンプ、エネルギーハーベスターなど、さまざまな用途に使用されています。 ^[1]

ピエゾMEMS技術への関心は、科学者が無線周波数（RF）マイクロエレクトロメカニカルシステム（MEMS）における静電駆動の代替手段を模索していた1990年代初頭に始まりました。^[2] RF MEMSの場合、静電駆動は電極ギャップ間隔が狭く駆動電圧が大きいため、高電圧チャージポンプ回路に特化していました。対照的に、圧電駆動は高感度と低電圧、数ミリボルトという低消費電力を実現しました。^{[3] [4]}また、大きな垂直ギャップを閉じる能力があり、マイクロ秒単位の動作速度も実現しました。^[5] 特にジルコン酸チタン酸鉛（PZT）は、高い圧電係数、調整可能な誘電率、電気機械結合係数のため、圧電材料として最も有望でした。^[4]ピエゾMEMSは、スイッチからセンサーまでさまざまな技術に適用されており、さらなる研究により圧電薄膜が作成され、高度に統合されたピエゾMEMSデバイスの実現に役立っています。^[6]

最初に報告された圧電駆動型RF MEMSスイッチは、2005年に韓国ソウルのLG電子技術研究所の科学者によって開発されました。^{[3]研究者は、動作電圧が2.5ボルトの圧電}カンチレバーアクチュエータを備えたRF MEMSスイッチを設計し、実現しました。^[7]

2017年、米国陸軍研究所（ARL）の研究者らは、PZT薄膜の圧電応答における放射線の影響を初めて評価した。彼らは、PZTが一定の放射線耐性を示し、従来の白金電極の代わりに導電性酸化物電極を使用することで、さらに耐放射線性を高めることができると判断した。ガンマ放射線試験では、スイッチ、共振器、慣性装置などの作動装置もPZTの耐放射線性から恩恵を受ける可能性があることが示されており、アクチュエーターとセンサーを核物質を評価するプラットフォームに統合して、人間の放射線被ばくを減らすことができる可能性を示唆している。 ^{[8] [9]}

この実験は、ピエゾMEMS用のPZT薄膜技術の利用を改善するためにARLで数十年にわたって行われてきた研究投資の一環であった。^[4]その他のピエゾMEMS関連の研究には、PZT薄膜をベースにした圧電マイクの開発、^[10]薄膜PZTアクチュエータを組み込むRF MEMS用の新しい統合表面マイクロマシニングプロセスの作成、^[11]輪郭モードフィルタを備えたモノリシックに統合されたピエゾMEMS RFスイッチの最初の実験的デモンストレーションの提供、^[12]薄膜PZT MEMSを使用した振動エネルギーハーベスティングの実現可能性の実証などがある。^{[13] ARLの研究者らは、その研究で、}イリジウム酸化物電極材料を組み込むことで、PZT薄膜の全体的な電気機械応答を15〜30％向上させた。^[8]

PiezoMEMSデバイスを実現するには主に3つのアプローチがある: ^[14]

1. 付加的アプローチ:圧電薄膜は、絶縁体と導電体の層を備えたシリコン基板上に堆積され、その後、表面またはシリコンバルクのマイクロマシニングが行われます。
2. 減算的アプローチ:単結晶または多結晶の圧電体と圧電セラミックを直接バルクマイクロマシニングし、その後電極を形成します。
3. 統合アプローチ:バルク圧電基板またはシリコン基板上の接合技術を使用して、マイクロマシン構造をシリコンまたは圧電体に統合します。

PiezoMEMSはウルツ鉱型とペロブスカイト型という2つの主要な結晶構造を採用している。^[6]

PiezoMEMS は、商業化を成功させるのを妨げる多くの困難に直面しています。たとえば、圧電体の均一な膜を堆積させるには、適切な核形成と膜成長の適切な層の使用が依然として重要です。その結果、適切なセンサー構造を作成するには、デバイス固有の広範な開発努力が必要です。さらに、研究者は、薄膜圧電材料の材料とセンサーのドリフトと老化特性を低減および制御する方法を模索し続けています。バルク材料に近い特性を持つ薄膜を作成する堆積技術はまだ開発中であり、改善が必要です。さらに、ほとんどの圧電材料の化学特性とエッチング特性は、非常に遅いままです。^[14]