微小電気機械システムにおいて
出典: フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』 (2021/11/06 21:11 UTC 版)
「カンチレバー」の記事における「微小電気機械システムにおいて」の解説
微小電気機械システム （MEMS）の分野で最も遍在する構造であるが MEMSカンチレバーの初期の例は、Resonistor 、電気機械式モノリシック共振器である。 MEMSカンチレバーは、一般に、 シリコン （Si）、 窒化シリコン （Si3N4 ）、またはポリマーから製造される 。製造プロセスは通常、片持ち構造を解放するために異方性の湿式または乾式エッチング技術を用いて、アンダーカットすることもある。カンチレバートランスデューサがなければ原子間力顕微鏡は使用不可能であるため、多数の研究グループが医療診断用途のためのバイオセンサーとしてカンチレバーアレイを開発することを試みている。MEMSカンチレバーもまた、 無線周波数フィルタおよび共振器としての用途が見出されており、一般にユニモルフまたはバイモルフとして作られる。 MEMSカンチレバーの動作を理解するには、2つの方程式が重要である。 1つ目はStoneyの公式で 、片持ち梁のたわみ δと印加応力σを関連付ける。 δ = 3 σ ( 1 − ν ) E L 2 t 2 {\displaystyle \delta ={\frac {3\sigma \left(1-\nu \right)}{E}}{\frac {L^{2}}{t^{2}}}} ここで、 ν {\displaystyle \nu } ＝ポアソン比 、 E {\displaystyle E} ＝ヤング率 、 L {\displaystyle L} ＝ビームの長さ、 t {\displaystyle t} ＝カンチレバーの厚さである。 直流結合センサに使用される片持ち梁の静的撓みの変化を測定するために、非常に敏感な光学的および容量的方法が開発されてきた。2つ目は片持ちばね定数に関する公式で、片持ち梁の寸法と材料定数 k {\displaystyle k} に対して： k = F δ = E w t 3 4 L 3 {\displaystyle k={\frac {F}{\delta }}={\frac {Ewt^{3}}{4L^{3}}}} ここで、 F {\displaystyle F} は力、 w {\displaystyle w} はカンチレバーの幅を表す。ばね定数はカンチレバーの共振周波数に関連している。 通常の調和振動子の公式によって ω 0 = k / m equivalent {\displaystyle \omega _{0}={\sqrt {k/m_{\text{equivalent}}}}} で表される。片持ち梁に加えられる力の変化は共振周波数をシフトさせる可能性があり、また周波数シフトは、ヘテロダイン技術を使用して十分な精度で測定でき、AC結合カンチレバーセンサーの基礎となっている。 MEMSカンチレバーの主な利点は、それらの安価さおよび大型アレイにおける製造の容易さである。それらの実際的な用途に対する挑戦は、カンチレバー性能仕様の寸法に対する正方形および立方体依存性にある。これらの超線形依存性は、カンチレバーがプロセスパラメータ、特に厚さの変動に非常に敏感であることに起因する。これは一般に正確に測定するのが難しいから であるが、マイクロカンチレバーの厚さは正確に測定できること、およびこの変動は定量化できることが示されている ので、残留応力の制御も難しい場合がある。
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