Wafer-bonded symmetric four-terminal PZT/insulator/PZT MEMS bimorph actuator with near-ideal displacement superposition

電気によって動く微小な機械は、スマートフォンのカメラのレンズから医療機器を誘導するセンサーに至るまで、現代技術において不可欠なツールとなりつつあります。これらのデバイスの多くの中核には、電気信号を物理的な動きに変換するコンポーネントであるアクチュエータが存在します。数十年にわたり、エンジニアはこのような動きを生み出すために、チタン酸ジルコニウム酸鉛（PZT）と呼ばれる特定の材料に頼ってきました。この材料の薄い層に電気を印加すると、その層は伸び縮みし、その層が受動的な背面に取り付けられている場合、構造全体が曲がります。この曲がる動作こそが、無数のマイクロマシンを動かすエンジンの正体です。しかし、単層のデザインでは、構造が硬くなりすぎたり不安定になったりする前に、生成できる力の限界があります。そのため、研究者たちは、サイズを大きくすることなく、より強く効率的なものにする方法を模索してきました。

日本の東北大学の研究チームは、デバイスのバランスを完璧に保ちながら、動きのパワーを倍増させる新しいマイクロモーターの構築方法を開発しました。単一の能動層を受動的な層に接着して使用する代わりに、彼らは2つの能動層が中央の薄い絶縁シートを挟み込んで共に機能するデバイスを作り上げました。彼らは、それぞれがすでに動作するモーターを含んでいる2枚のウェハを取り出し、それらを面対面で接合することでこれを実現しました。このプロセスにより、上下両方の層が能動的であり、かつ独立して制御できる対称的な構造が生まれます。その結果、標準的なデザインよりも約2倍の力で曲がるデバイスが完成し、微細な機械における性能の大きな飛躍をもたらしました。

研究者たちはまず、ダイビングボードのような構造を設計することから始めました。ただし、それは単一の材料の層ではなく、窒化シリコンと二酸化シリコンで作られた非常に薄い絶縁バリアによって隔てられた、2層の能動的なPZT材料で構成されています。このバリアの厚さはわずか1.4マイクロメートルですが、2つの層を結合させ、かつ電気的な接続を完全に分離させるのに十分な強さを持っています。2枚の既製品のウェハを接合することで、チームは上下の層が完全に鏡合わせの状態になるようにしました。これは、層を一つずつ上に積み上げていく場合には達成が難しい手法です。この対称性は、デバイスが起動する前に歪んだり破損したりする原因となる内部応力をバランスさせるために極めて重要です。

この新しいデザインがどの程度うまく機能するかをテストするために、チームは実際に構築する前にコンピュータ上でデバイスの挙動をシミュレーションしました。シミュレーションでは、両方の層に反対方向の電圧を印加したとき、微小なビームの先端が92.2マイクロメートル移動することが予測されました。これは、上層のみを活性化したときに生じる動きのちょうど2倍であり、現在利用可能な最高の単層デザインよりも約80パーセント大きな動きです。コンピュータモデルは、1つの能動層と1つの受動層を使用する代わりに2つの能動層を使用することで、構造を厚くしたり重くしたりすることなく、より大きな曲げ力を生成できることを示唆していました。

チームは次に、コンピュータの画面から実験室へと移り、実際のデバイスを製作しました。彼らは、必要な金属層とPZTがコーティングされた2枚のシリコンウェハから作業を開始しました。特殊なプロセスを用いて表面を洗浄し、2枚のウェハを直接接着させることで、接着剤なしで結合させました。この面対面の接合により、2つの能動層が機械的には連結されつつも電気的には絶縁された、単一の堅固なユニットが作成されました。接合が完了した後、彼らはウェハからバルクシリコンの背面を慎重に取り除き、長さわずか1.5ミリメートルのフリースタンディング・カンチレバーを残しました。完成したデバイスを顕微鏡で観察したところ、接合はほぼ完璧であり、ごくわずかな孤立した欠陥があるのみで、層が分離している大きな領域は見られませんでした。

最も驚くべき結果は、デバイスの動きをテストしたときに得られました。彼らは上層と下層に小さな電気信号を印加し、ビームの先端がそれぞれどの程度移動するかを測定しました。2つの層はほぼ同一の挙動を示し、接合プロセスによって完全にバランスの取れた構造が作られたことが確認されました。両方の層に同時に反対の信号を与えて活性化させたところ、動きはほぼ完璧に加算されました。5ボルトの電圧において、デバイスは23.1マイクロメートル移動しましたが、これは個々の層による動きの合計の96〜99パーセントに相当します。この動きのほぼ完璧な加算は、2つの能動層が互いに打ち消し合ったり邪魔をしたりすることなく、同じ方向にビームを押し、調和して機能していることを証明しています。

研究者たちはまた、この新しいデバイスが電気的な歪みを物理的な曲げに変換する効率がどの程度であるかを確認するため、他のタイプの圧電アクチュエータと比較しました。彼らは、与えられた歪みに対してどれだけの曲率が発生するかを測定する特定の係数を算出しました。彼らの新しいデザインは、比較対象とした最高の単層デバイスよりも2.3倍高い値を示しました。より薄い層を持つ古いデザインの中には、わずかに高い効率を示すものもありましたが、それらのデザインは今回の新しいデバイスのような対称性や独立した制御機能を欠いていることがよくありました。この新しいアクチュエータは、高い可動性と構造的なバランス、そして各側を独立して制御できる能力というユニークな組み合わせを提供しており、これにより、より複雑で精密な動きが可能になります。

この研究は、単に層の組み立て方を変えるだけで、以前の世代よりも強く多才なマイクロモーターを構築できることを実証しています。2つの完全なモーターユニットを結合させることで、研究者たちは、より強力であるだけでなく、より安定し、制御もしやすいデバイスを作り上げました。小さな電圧でビームの先端を約23マイクロメートル動かせることは、これらのデバイスが、微小な光学レンズの焦点調整や医療器具内のマイクロセンサーの移動といった、精密な位置決めを必要とするアプリケーションに使用できる可能性を示唆しています。この面対面の接合技術の成功は、将来さらに複雑で有能なマイクロマシンの創造への扉を開くものであり、時には、何かをより強くする最善の方法は、それを2つの完璧に一致した半分として構築することであると証明しています。