【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.04.23】
課題データ / Project Data
課題番号 / Project Issue Number
24UT1033
利用課題名 / Title
高性能圧電薄膜を用いたMEMSデバイスの作製
利用した実施機関 / Support Institute
東京大学 / Tokyo Univ.
機関外・機関内の利用 / External or Internal Use
外部利用/External Use
技術領域 / Technology Area
【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）加工・デバイスプロセス/Nanofabrication（副 / Sub）計測・分析/Advanced Characterization
【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）高度なデバイス機能の発現を可能とするマテリアル/Materials allowing high-level device functions to be performed（副 / Sub）-
キーワード / Keywords
PMUT,アクチュエーター/ Actuator,光学顕微鏡/ Optical microscope,リソグラフィ/ Lithography,MEMS/NEMSデバイス/ MEMS/NEMS device,膜加工・エッチング/ Film processing/etching
利用者と利用形態 / User and Support Type
利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)
吉田 慎哉
所属名 / Affiliation
学校法人芝浦工業大学工学部機械機能工学科
共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes
石松 祥,那知 駿作,磯沼 智喜,勅使河原 明彦,熊谷 祐汰,大瀧 朱夏,下山 達也,岩田 侑次郎,千葉 凜,塚本 健太
ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes
利用形態 / Support Type
（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）-
利用した主な設備 / Equipment Used in This Project
UT-604：高速シリコン深掘りエッチング装置
UT-504：光リソグラフィ装置MA-6
UT-851：機械特性評価装置
報告書データ / Report
概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)
単結晶PZTやAlN薄膜を搭載した圧電MEMSデバイスの試作を行った。その一つとして、フレネルゾーンプレート（FZP）のビーム収束機能を有する圧電微小超音波トランスデューサ（PMUT）アレイを試作し、その特性を評価した。この機能は、アレイデバイス内において、正位相駆動と逆位相駆動する素子を、位相型FZPレンズの理論に基づいて配置することによって達成される。
実験 / Experimental
プロセスチャートを図１に示す。（a）用意したSOI基板上にAlNを成膜し，フォトレジストをパターニングした。（b）AlNのエッチングを行い，下部電極となる低抵抗Si部を露出させた。（c）上部電極をリフトオフで形成するためのフォトレジストを成膜した。（d）Al電極をスパッタ堆積し，リフトオフによってパターニングした。（e）裏面を研磨した後，裏面にフォトレジストを成膜した。（f）基板裏面を深掘りエッチングした。
結果と考察 / Results and Discussion
図２に，試作したpMUTリニアアレイの上面の写真を示す。デバイスは短軸方向29行，長軸方向25列である。レーザードップラー振動計（MAS-500，Polyltec社）を用いて，試作したデバイスの動作実験を空気中にて行った。16 MHzの正弦波（3 Vpp）を上部電極に印加し，その振動の二次元マップを得た結果，円形およびドーナツ状電極の素子は，それぞれ逆位相で駆動することを確認した（図３）。 次に，液中にてデバイスから放射された超音波の音圧分布の測定を行った。プリント回路基板にPMUTアレイデバイス基板を貼り付けた。そして，デバイス基板の周りを樹脂製のプールで囲い，その中にFluorinertTM FC-70を入れてデバイスを浸漬させた。次に，40 Vpp，12 MHzの矩形波駆動電圧を印加して，超音波を発生させた。そして，デバイス上面から高さ約4mmのところにハイドロフォン（NH0200, Precision Acoustics）の先端を置き，デバイスの短軸方向にハイドロフォンを走査した。このとき，計測された電圧波形のPeak to Peakを記録し，グラフにプロットした（図4）。図からわかる通り、超音波の音圧が、中央部で大きくなっていることがわかる。そのビーム幅は、シミュレーション結果とおおよそ一致した。すなわち、ビーム収束を達成することに成功した。
図・表・数式 / Figures, Tables and Equations
図１．試作したデバイスのプロセスチャート
図２．試作したデバイスの上面写真(a)全体像 (b)デバイスの拡大写真
図３．レーザードップラー振動計によって観察したデバイスの駆動の様子
図４．試作デバイスの音圧分布（データは平均値，エラーバーは標準偏差を示す）
その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)
成果発表・成果利用 / Publication and Patents
論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)
口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.
- Tatsuya Shimoyama, Akihiko Teshigahara, Shinya Yoshida, "DEVELOPMENT OF PMUT LINEAR ARRAY INCLUDED WITH FRESNEL ZONE PLATE FOCUSING FUNCTION", IEEE MEMS2025, 2025年 1月19日 - 2025年1月23日, 口頭発表（一般）
- 下山 達也, 吉田 慎哉, "駆動電極の形状と素子配置の工夫による圧電微小超音波トランスデューサリニアアレイの短軸方向へのビーム収束機能の付与", 第41回「センサ・マイクロマシンと応用システム」シンポジウム, 2024年11月25日 - 2024年11月28日, 口頭発表（一般）
- 大瀧 朱夏, 吉田 慎哉, " 圧電微小超音波トランスデューサのボルト軸力測定システムへの応用可能性の検討", マイクロ・ナノ工学シンポジウム2024, 2024年11月25日 - 2024年11月28日, ポスター発表
特許 / Patents
特許出願件数 / Number of Patent Applications：1件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件