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

S. Tanaka Lab’s Propriety 1mems tohoku

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～

mems tohoku

SOI MEMSプロセス

SiO2

Si3N4

Poly-Si

Si

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

Isolation trench

Analog DevicesXL40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 MPastress, High deposition rate of 0.4–0.7 μm/minFh.G ISIT, Uppsala Univ., Thin Solid Films, 259 (1995) 181-187

ST C5L24A

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 #1Poly-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xTECH2019/5/20

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 bonding450 ºC, 300 N/wafer,4 % H2 in N2

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

12 Yukio Suzuki et al., IEEE MEMS 2017

成長する弾性波フィルタ

mems tohoku

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

20172018

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 band1 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 GHzBand n78 3.3~3.8 GHzBand 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

170.5 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”®

Bandwidth

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-metalizedHAL SAW resonator on 20ºYX LT/ 40ºY90ºX quartz(right) and 42ºYX LT reference SAW resonator (left)

400 500 600

BW 5.0%Z ratio 82 dBλ 7.76 µm

Cu/42oYX-LT

Impe

danc

e [Ω

]

Cu/20oYX-LT/40oY90oXquartz

800 900 10001

10

100

1000

10000

100000

Frequency [MHz]

BW 4.2%Z ratio 51 dBλ 3.78 µm

C

51 dB82 dB

20

40ºY90ºX quartz

20ºYX LiTaO3 (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

mems tohoku

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 2017.10.31Hankin 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)

Miradia → MiraMEMS (Suzhou Good-Ark Electronics: 蘇州固鍀電)

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 km2）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 tohoku

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 mmQ = 18BW = f0/Q = 12 kHz

2 elements for transmitter (Hemispherical wave front) and 7 elements for receiverTheoretical angular resolution is15º.

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

アパーチャ3.5λ

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

12 dB line

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 mmCH-101：誤差0.35 mm @1.2 m，170 kHzCH-201：50 kHz，5 mレンジ Photographs: 日経xTECH HTC VIVE Focus Plus

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

VivoXPlay 7(2017)The ultrasonic fingerprint sensor under OLED wasused.

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 SamsungGalaxy S10's ultrasonic fingerprint scannerby 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 d

eep

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 μm2

56×110 pixels582×431 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

36

圧電MEMSの実用化（PZT編）

mems tohoku

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 filmStacked 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 kHzSTMicroelectronics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）

USoundUsound, MEMS Engineer Forum 2019

6.7 mm

4.7

mm

t = 1.6 mm

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 oilThick 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 lensPZT thickness = 2 μmGlass thickness = 20 μmDiameter = 3 mmAperture = 1.6~1.7 mm

Circular

Circular

Rectangular

Rectangular

PZT薄膜の信頼性

Fuji Film Dimatix, PiezoMEMS 201346

• 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.• Operation in vacuum may result in oxygen defects.

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 PZTfilm actuator- Small- Fast response- Low voltage- High reliability

0.44×0.22 mm2

t = 9 μm19.4 nm/V

Wafer processEpi-PZT deposition on SiPatterning

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 nmSi substrate

YSZCeO2

LaSrCoO3

SrRuO3

PZT

SiO2

TEM image

e31,f = －14 C/m2, εr33 = 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 dActive sensor(e.g. Gyroscope)

(Piezoelectric constant)2/(Dielectric constant)d2/ε

Energy harvester Electromechanical coupling factorK2 ∝ d2/ε

Resonator(e.g. Acoustic wave filter)

(Electromechanical coupling factor)×(Q factor)K2Q

Passive sensor(e.g. Microphone)

(Piezoelectric constant)/(Dielectric constant)g = d/ε

Piezo film on Si PolycrystalPZT (MPB)

Epitaxial PMN-PZT AlN Epitaxial

PMnN-PZT 43%Sc-AlN

e31,f [C/m2] -12 -25 -1 -14 -3ε33r 1000 1500 10 270 30e31,f/(ε0ε33r) [GV/m] -1.4 -1.9 -11 -5.9 -11(e31,f)2/(ε0ε33r) [GPa] 16 47 11 82 34

Science 334 (2011) Our work Denso

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

-8-6-4-20Tr

ansv

erse

pie

zoel

ectri

c co

nsta

nt, e

31,f

[C/m

2 ]

Rel

ativ

e di

elec

tric

cons

tant

, εr3

3

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

Perf

orm

ance

for g

yros

cope

, (e

31, f

)2 /ε0ε

r33 [G

Pa]

Con

vent

iona

l po

ly P

ZT

Perf

orm

ance

for g

yros

cope

, (e

31, f

)2 / ε0ε

r33 [G

Pa]

[1][2]

[3]

[1]

[2]

[3]

FOM =(e31,f)2

ε33e31,f ε33

エピPZTを用いたpMUT（東北大学）

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

53Φ

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 PZT40 kHz for large range finding distance(~1 dB/m attenuation in air at 40 kHz) Epi PZT: e31,f = 24.5 C/m2, d31 = 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 Commentated by Prof. Shuji Tanaka at

More than 50 articles are uploaded.

Click “xTECH” banneron the lab website.

マイクロデバイスの研究開発，お手伝いします。

58

研究室クリーンルーム

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

ProfessorShuji Tanaka

Assoc. Prof.Hideki HiranoMichio Kadota

Sr Res. Fellow

S. Tanaka LaboratoryDepartment of Robotics & Microsystem Integration CenterTohoku 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

mems tohoku