JP2016535933A - 圧電駆動プラットフォーム - Google Patents
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Abstract
単結晶圧電材料から形成された圧電基板（３）と、前記圧電基板に接し、ラム波または表面音響波が前記基板内で生成され得るように電気信号を前記基板に印加するための少なくとも一つの単純な電極（５）と、を含む圧電駆動プラットフォーム（１）。
Description
本発明は一般に、圧電駆動型装置を対象とし、詳細には、そのような装置で使用する圧電駆動プラットフォームを対象とする。
（一般に「ＰＺＴ」として知られる）チタン酸ジルコン酸鉛などのセラミック多結晶材料が、生み出される機械エネルギーと入力電気エネルギーとの間の比である、大きな電気機械結合係数ｋｔ ２を提供することから、この材料が圧電駆動プラットフォーム用の基板として一般に選択されている。しかし、ＰＺＴ中の鉛の存在が、民生および医療技術におけるその使用可能性を制限している。したがって、鉛フリー基板を提供するために、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）などの、鉛を含有していない単結晶圧電材料の使用が、そのような応用分野向けに検討されている。
ＰＺＴ、および大きな電気機械結合係数ｋｔ ２を提供する他のセラミック多結晶材料と比べて、単結晶圧電材料の使用は、従来、約１ＭＨｚ〜約１００ＧＨｚまでの周波数の超高周波（ＶＨＦ）デバイスおよびそれ以上についてのみ、妥当であると見なされている。こうした単結晶圧電材料には、バルクニオブ酸リチウム、薄膜ニオブ酸リチウム、バルクタンタル酸リチウム、薄膜タンタル酸リチウム、窒化ガリウム、水晶、およびランガサイトが含まれるが、これらに限定されるものではない。これは主として、これらの比較的低いｋｔ ２によるものである。しかし、単結晶材料の大きな品質係数Ｑとそれに関連する低減衰が、重要な側面である。ニオブ酸リチウムの品質係数は約２００００であるが、ＰＺＴの品質係数は、最も理想的な条件下でさえ、超低周波の場合にわずか約１０００でしかない。
Ｑｍ（ＰＺＴ）が、最大で数ＭＨｚまでの周波数についてこの値に留まるという誤った認識、また、Ｑ値がどうであれ、ニオブ酸リチウムのような単結晶材料のｋｔ ２係数が、ＰＺＴおよび他の類似の多結晶圧電セラミック材料に比べてただあまりにも小さすぎるために、この材料の使用を正当化することができないという、誤った認識がある。
１ＭＨｚ〜１０ＧＨｚの周波数で動作する高周波デバイスは、短い波長と、特に、そのような高い周波数において発生され得る非常に大きな加速度のため、マイクロ〜ナノ・スケールのアクチュエータ・デバイスにとって理想的である。固体材料中で誘発され得る、約１ｍ／ｓである最大粒子速度は、周波数とはほぼ無関係であり、したがって、１ｋＨｚ未満から１０ＧＨｚを上回るまでの周波数について、誘発され得る加速度は、周波数と共に直線的に増加する。この加速度は、１０ＭＨｚデバイスを用いたときに、重力加速度の約６００万倍であり、１ＧＨｚデバイスの場合、同加速度の６億倍を上回る。したがって、そのようなデバイスは、粒子加速器とは別として、周知の、加速度を引き起こす最も強力な手段の１つとなっている。この加速度は、マイクロ・スケールの流体物体および固体物体を、ロボット工学から生物医学までの応用分野に現在登場しているさまざまな独創的な方途で推進させるために使用され得る。必要とされているのは、そのような加速度を効率的に発生させる手段である。特許および学術文献に記載されている、特に電気通信分野での現在の最高水準技術は、この必要性に対処しておらず、そうする方途について記載もしていない。
実際、圧電材料には、特定の応用分野について材料の潜在的性能を定義する量である、適切な性能指数が必要である。この性能指数は、過去には、ｋｔ ２とＱｍの積によって定義されてきた。この値は、例えばニオブ酸リチウムの場合、かなり大きくなることがあり、またＰＺＴをマイクロデバイスにおいて実際に応用する場合に、同材料よりも大きくなることがあり、これは、現在入手可能な文献では認識されていない事実である。したがって、バルク材料に比べて非常に大きな、単結晶材料におけるＱの値が、ｋｔ ２値の相違を圧倒している。
ニオブ酸リチウムなどの単結晶圧電材料が圧倒的に一般に使用されるのは、表面音響波を発生させ、それを、表面波の低損失、大きなエネルギー密度、および他のさまざまな特徴を活かして使用する際である。残念なことに、ニオブ酸リチウムを使用するには、通常、フォトリソグラフィを用いてその表面上に電極を堆積させる必要がある。そのような電極の形成には、クリーンルーム施設、およびそのような構造を製造するための高精度の技法が必要であり、これは、そのような施設に対する設立またはそのような施設の入手のための初期費用、およびデバイスを製造する際の継続的な費用に相当する。
単結晶圧電材料の露出面全体にわたる大きな電極を用いて、この材料中でバルク波を発生させることが可能であるが、この能力を利用する応用分野はほとんどなく、その代わりに、圧電材料の実質的に全てのバルク波応用分野では、ＰＺＴ、ＺｎＯ、および他の多結晶材料を用いている。
標準的な大きな電極を用いて圧電材料中で発生される振動は、典型的には、単純な形式のもの、すなわち厚み、径方向、またはせん断であり、振動構造全体にわたる位相シフトがない。大きな電極は、それが接触している圧電基板の表面の大部分を覆う寸法を有する。
振動伝播方向に沿って波長／２以下の寸法をもつが、伝播方向を横切って（通常は波長の何倍もの）長さをもつ小さな電極が、中で振動が発生されている圧電材料の寸法に比べて小さな波長を有する表面音響波またはバルク音響波を発生させるために使用される。さらに、典型的には、そのような電極は、繰返しパターンを有し（すなわち、レイリーＳＡＷまたはラム波またはラブ波向けの、多数の「指対」をもつ櫛形電極）、繰返しの回数は通常、インピーダンスを整合させたい、またはそのトランスデューサにとって所望の帯域幅を達成したいという要求に基づいて選択される。そのような電極は、通常、圧電材料の表面上に、フォトリソグラフィ製造工程を用いて堆積される必要がある。
電極が圧電基板表面上にフォトリソグラフィを用いて堆積される必要性を回避する圧電駆動プラットフォームを有することができると、有利である。
大きな電極と小さな点電極のどちらか一方の、少なくとも１つの単純な電極を使用して、振動圧電材料の寸法に比べて短い波長をもつ振動を発生させることができると、やはり有利である。
本発明の一側面によれば、単結晶圧電材料から形成された圧電基板と、該圧電基板に接触可能であり、ラム波または表面音響波が前記基板内で生成され得るように電気信号を前記基板に印加するための少なくとも一つの単純な電極と、を含む圧電駆動プラットフォームが提供される。
前記単結晶圧電材料は、以下のグループ：バルクニオブ酸リチウム、薄膜ニオブ酸リチウム、バルクタンタル酸リチウム、薄膜タンタル酸リチウム、窒化ガリウム、水晶、およびランガサイトの一つから選択されることが好ましい。
前記単純な電極は、前記圧電基板の表面に接していてもよい。また、前記単純な電極は、前記圧電基板の表面にスパッタリングされた導電性材料の形態であってもよい。前記導電性材料は、例えば金などの金属であってもよい。
前記単純な電極が、フォトリソグラフィ製造工程を用いて前記圧電基板上に堆積されないので、その表面が研磨される必要がない。従って、前記圧電基板の表面は研磨されないままでよく、製造コストがさらに低減する。
本発明による圧電駆動プラットフォームの好ましい実施態様によれば、前記単純な電極は、前記圧電基板表面の大部分に接する大きな電極であってもよい。前記電極は、Ｌ字形、線状、曲線状、または円形を含む様々な異なる形状でよい導電性シート材料の形態であってもよい。
本発明の他の好ましい実施態様によれば、前記単純な電極は、前記圧電基板面の表面上の点に接する点電極であってもよい。
前記圧電基板に印加される電気信号が前記圧電基板の１つまたは複数の共振周波数と実質的に一致する周波数であることも好ましい。これにより、本発明に係る圧電駆動プラットフォームが、異なる応用毎に異なる周波数で動作することが可能になる。
圧電基板に印加される電気信号が、圧電基板の１つまたは複数の共振周波数と実質的に一致する周波数であることも好ましい。このことが、本発明による圧電駆動プラットフォームが異なる応用分野について異なる周波数で動作することを可能にする。
本発明は、１つまたは複数の単純な電極を利用して、電気信号を圧電基板に印加し、また本発明は、電極材料が圧電基板の表面上にフォトリソグラフィを利用して堆積されることを必要としない。このことが、本発明による圧電駆動プラットフォームの製造の費用を劇的に減少させる。
さらに、単結晶材料と組み合わせて単純な電極を使用すると、性能指数の非常に大きな値が得られ、圧電基板中に大振幅超音波が形成されることが可能になる。本発明は、さまざまな応用分野に有用であり、これらの結果を達成するために、複雑な製造技法、または鉛ベース材料もしくは多結晶材料に頼る必要性を要しない。
単純な電極と単結晶圧電材料との組合せは、多くの応用分野にとって非常に魅力ある解決策を提供する。例えば、本発明は、密閉型のマイクロ〜ナノ流体デバイス内の液体液滴もしくは流体の操作に、またはそのような液体の噴射、混合、および噴霧に使用され得る。本発明は、化学および医学分野での幅広い種類の応用を目的とした、これらの液体中の粒子および細胞の操作にも使用され得る。
さらに、単結晶圧電材料の使用によってもたらされる特定の諸利益が、好ましい性能指数によって表される利点を増す。これらの利益が生じるのは、光学デバイスおよび光学応用を可能にする、ＬＮ、ＬＴ、および水晶の透明性、レーザ、およびモノリシック・ラボ・オン・サブストレート（ｌａｂ−ｏｎ−ａ−ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）への応用を目的とした増幅機能と、記憶機能と、計算機能と、追加の検知機能とを含むモノリシック集積回路が得られる、ＧａＮの半導体品質とそれに関連するその材料中でコヒーレント光を発生させることのできる能力、ならびにこれら全ての材料には鉛がなく、したがって、こうしたデバイスを使用する民生および医療技術において鉛ベースの材料が低減して、同技術が環境的に安全なものになり、かつ２０２０年までに全ての民生デバイスから鉛を排除することに関する厳しい国際的ルールに準拠したものになること、によるものである。
コヒーレントな伝播波がないいくつかの実施形態では、別の場所の「影になる」ことのある２つ以上の場所に音響エネルギーを供給するのに役立つという利点もある。
次に、本発明による圧電駆動プラットフォームの好ましい例、ならびに本発明を用いて得られた実験結果およびデータを示す添付の図面を参照して、本発明について記載される。他の例も想定され、したがって、添付の図面の特殊性は、本発明の先の記載の一般性に取って代わるものと理解されるべきではない。
本発明による圧電駆動プラットフォームの製造工程には、好ましくは、３つの異なる方策が関与する。第１の方策は、アルミニウム・ストリップなどの金属がニオブ酸リチウムと物理的に接触させられる単純な電極構成を使用して、交流電流が印加されたときに駆動するものである。第２の方策では、比較的より貴重な電極材料の場合に、製造工程が、例えば高品質テープを用いた予め定められた「シャドー」マスクを用いてニオブ酸リチウム表面の部分をマスクし、次いで、表面に金などの導電性材料を用いてスパッタリングし、続いてテープを剥がすことによって行われる。第３の方策は、ニオブ酸リチウム表面上に金をスパッタリングし、紙の上に設計を印刷して、インク／パターンをニオブ酸リチウム表面上に熱によって、特に標準的なラミネータを用いて転写し、続いて、残りの裸の金をエッチングするものである。ラム波の場合、電極は、ニオブ酸リチウム・ブロックの片側にあってよく、一方、例えばマイクロ流体駆動が行われ得る作用面が反対側にあることに留意されよう。これが成し得るのは、ラム波がバルク波の一種であるためである。これは、導電性流体が使用される場合に有利であり、というのも、こうすることにより、たとえ流体が電極金属と接触しても、短絡が回避されるからである。フォトリソグラフィを用いて電極が堆積される必要のあるとき、圧電基板の表面は通常、研磨される必要がある。本発明によれば、表面は研磨される必要がなく、したがって、研磨されないままにされ得る。
図１は、本発明による圧電駆動プラットフォーム１の平面図である。実験で使用された圧電基板は、ニオブ酸リチウムであった。しかし、本発明は、この材料に限定されず、他の単結晶圧電材料が使用されてもよい。そのプラットフォーム１は、ニオブ酸リチウムなどの単結晶圧電材料から形成された圧電基板３を含む。電源に接続された１対のアルミニウム・ストリップ５が、圧電基板３と物理的に接触させられる。電極７の構成のただ１つの例しか、図１に示されていないが、他の構成も可能である。したがって、電極構成は、Ｌ字形電極、１つもしくは複数のスポット電極、線状電極、曲線状電極、または円形電極を含んでよい。例えば、浮動接地を利用した単点接触電極が使用され得る。電源７は、ＬｉＮｂＯ３基板の共振周波数のうちの１つまたは複数に対応する、超音波信号を提供することができる。この意味のあるものは、単一の圧電駆動プラットフォームについて複数の共振が存在し、異なる周波数の異なる応用分野を可能にしているということである。本発明者らは、共振が、ニオブ酸リチウムの厚さに比例し、ニオブ酸リチウムの厚さを変えることによって変更され得るということにも注目する。
図２〜図１２は、本発明による圧電駆動プラットフォーム１上で行われた実験について得られた、さまざまな実験結果およびデータを示す。図１３は、記載された圧電プラットフォーム１を用いた霧化器装置を示す。
図２ａおよび図２ｂはそれぞれ、圧電基板プラットフォームの表面上に位置する液体液滴中に懸濁された粒子を示す。図２ａは、プラットフォームに電力が印加された後に、液体液滴全体にわたって分散された粒子を示す。０．１〜０．２ワット程度の非常に低い入力電力を印加する結果、音響放射のため、粒子が互いに凝集して特徴的なパターンを形成する。そのような粒子凝集は、さまざまな粒子捕獲および粒子分離への応用に使用され得る。
圧電駆動プラットフォームに、わずかにより高い０．２〜０．４ワットの入力電力が印加されると、プラットフォーム表面上に位置する流体液滴中に懸濁された粒子の凝集において、異なる挙動が観察される。電極に対する液体液滴の位置に応じて、粒子は、その液滴中のポロイダル流のため、液体中で回転して、図３ｂに示されているように、２つの島状集中スポットを形成することがある。粒子の集中による蛍光強度の増加は、検知分野において、特に生体分子に関して、応用可能性を有する。
図４ａ〜図４ｄは、圧電駆動プラットフォーム表面上で液体液滴の位置を電極に対して変動させることが、その液体液滴中に懸濁された粒子の挙動に及ぼし得る影響を示す。この実験では、０．２〜０．４ワットの入力電力がプラットフォーム１に印加された。液体液滴の位置を変動させた結果、液体液滴中に懸濁された粒子が、異なるパターンを成して凝集し、または粒子が、液滴中の誘発されたポロイダル流のため液滴中で回転して、図４ｂおよび図４ｄに最も良く示されているように、リング状集中パターンを形成した。
独特の粒子集中メカニズムおよび応用が、図５ａ〜図５ｃに示されており、この場合、強力なポロイダル流が、粒子リング形成と、その後のリング不安定性と、最終的に滴中での径方向線に沿った粒子凝集とを招いている。粒子集中は、特に、粒子／生体分子を集中させた後に光信号が１００万倍増大するバイオセンシングに関して、応用の広がりを有する。
圧電駆動プラットフォームへの電力の印加は、プラットフォーム表面上の流体液滴の変位も生じさせ得る。図６ａおよび図６ｂはそれぞれ、水平面に対して任意の角度で傾斜が付けられている圧電駆動プラットフォーム表面上に位置する液体液滴を示す。実験で、わずかにより高い０．５ワットを上回る入力電力を印加した結果、図６ａに示されているように、液体液滴の振動およびスピニングが生じた。さらに、図６ｂに示されているように、液体液滴はまた、プラットフォーム表面が傾斜しているため滴の接触線がピンニングされていないので、重力の影響を受けて移動する。液体液滴の変位は、別法として、非対称電極形状を用いて電極の空間対称性を破ることによって、または滴の一部だけが音響波にさらされるように、チップの縁部内に非対称性を作り出す、もしくは滴を効果的に配置することによって、達成され得る。プラットフォーム表面上に位置する液体液滴を変位させることのできる能力は、ラボ・オン・チップ（ＬＯＣ）分野に応用先を有する。
圧電駆動プラットフォームへのより高い入力電力の印加は、液体液滴界面の歪みも生じさせ得る。図７ａおよび図７ｂはそれぞれ、液体液滴の、図７ａに示されているように電力の印加前の様子と、０．５ワットを上回る入力電力の印加後の様子を示す。この結果、液体液滴が円錐形を成し、次いでそれが、最終的には分解して、液体噴流を形成し得る。そのような液体の挙動は、印刷への応用に、また粘度測定への応用において、有用となり得る。
本発明による圧電基板プラットフォームは、マイクロ工学への応用にも使用され得る。図８ａおよび図８ｂはそれぞれ、液体液滴中の回転体状物体場所が、図８ａに示されているように、圧電プラットフォームの駆動前に静止しているときの様子、または図８ｂに示されているように、駆動後に回転している様子を示す。この実験は、約０．５ワットの入力電力を印加するものであり、それが、液体液滴中での液体の回転を生じさせて、回転体状物体の回転を強いた。
本発明による圧電駆動プラットフォームは、数グラムの重さのある他の比較的大きな物体を移動させるためにも使用され得る。図９ａおよび図９ｂは、塩粒の塊が、圧電駆動プラットフォームへの入力電力の印加後に移動する様子を示す。図９ｃおよび図９ｄも同様に、塩の大きな塊が、圧電駆動プラットフォームへの入力電力の印加後に移動する様子を示す。これは、圧電駆動プラットフォームの表面クリーナとしての応用可能性を実証している。
本発明による圧電駆動プラットフォームは、液体の霧化においても使用され得る。図１０ａおよび図１０ｂはそれぞれ、圧電プラットフォーム表面上の液体液滴の、プラットフォームに任意の入力電力が印加される前の様子、および図１０ｂにおいて、圧電駆動プラットフォームへの０．７〜２ワットの入力電力の印加後に、液体が霧に変わる様子を示す。
図１１は、本発明による圧電駆動プラットフォームの熱分布の、入力電力が印加される前（図１１ａ）、入力電力の印加中（図１１ｂ）、および入力電力が停止された直後（図１１ｃ）の各種赤外線画像を示す。これらの画像は、温度が６０〜９５℃程度になり得る、櫛形トランスデューサを用いた圧電駆動プラットフォームに比べると、単純な電極が使用される本発明では全体的な熱の発生が大幅に低いことを示している。実際、従来のＩＤＴは、滴ヒータ、および他の高温を必要とするＰＣＲ応用として使用されてきた。それと比べて、本発明による圧電基板プラットフォームにおいて観測される最大温度は、摂氏約４０度程度である。動作温度の低下が、高温が回避される必要のあるより多くの種類の応用分野でこのプラットフォームが使用されることを可能にし得る。本発明による圧電駆動プラットフォームは、例えば、熱の影響を受けやすい生体材料の操作において使用され得る。さらに、動作温度の低下は、本発明による圧電駆動プラットフォームを用いた装置の信頼性を高めることができる。
図１２は、図１０に示されている構成において生み出される霧化された滴の、滴サイズ分布のグラフを示す。結果に示されているように、霧化された滴は、単分散分布ならびに（５ミクロン未満の）小さなサイズを有し、多くの実際的応用にとって、特に肺への薬物送達にとって、理想的なものになっている。
図１３は、本発明による圧電アクチュエータ・プラットフォーム１を用いた霧化器装置を示す概略図である。１つまたは複数の液体リザーバ９が、プラットフォーム表面１２に液体を供給することができる。紙、布、または他の親水性材料から形成された芯が、リザーバ９からプラットフォーム表面１２まで延在してよい。芯１１は、プラットフォーム表面１２と接触する端部１３を有し、各芯１１に沿って移送された液体がそこから霧化され得る。芯端部１３での流体の霧化の結果、流体は、芯１１を通って吸い出される。芯１１は、芯表面１５の領域上にワックスやフォトレジストなどの疎水性材料を用いてパターンを与えることによって形成された溝を含むことができる。このことが、芯表面１５上で２種以上の流体が移送および／または混合されることを可能にする。単一の圧電駆動プラットフォーム１から２種以上の異なる液体が同時に霧化されることを可能にする３本のそのような芯が、図１５に示されている。
当業者には明白であると思われる修正形態および変形形態が、添付の特許請求の範囲に記載の本発明の範囲内に含まれる。
本発明の一側面によれば、単結晶圧電材料から形成された圧電基板と、該圧電基板に接触させられ、ラム波が前記基板内で生成され得るように電気信号を前記基板に印加するための少なくとも一つの単純な電極と、を含む圧電駆動プラットフォームが提供される。
Claims (10)
- 単結晶圧電材料から形成された圧電基板と、
前記圧電基板に接し、ラム波または表面音響波が前記基板内で生成され得るように電気信号を前記基板に印加するための少なくとも一つの単純な電極と、
を含む圧電駆動プラットフォーム。 - 前記単結晶圧電材料は、以下のグループの一つから選択される請求項１に記載の圧電駆動プラットフォーム：
バルクニオブ酸リチウム、薄膜ニオブ酸リチウム、バルクタンタル酸リチウム、薄膜タンタル酸リチウム、窒化ガリウム、水晶、およびランガサイト。 - 前記単純な電極は、前記圧電基板の表面に物理的に接している、請求項１または２に記載の圧電駆動プラットフォーム。
- 前記単純な電極は、前記圧電基板の表面にスパッタリングされた導電性材料の形態である、請求項１または２に記載の圧電駆動プラットフォーム。
- 前記導電性材料は、金などの金属である、請求項４に記載の圧電駆動プラットフォーム。
- 前記圧電基板の表面は、研磨されていない、請求項３乃至５のいずれか一項に記載の圧電駆動プラットフォーム。
- 前記単純な電極は、前記圧電基板表面の大部分に接する大きな電極である、請求項３乃至６のいずれか一項に記載の圧電駆動プラットフォーム。
- 前記単純な電極は、導電性シート材料の形態である、請求項７に記載の圧電駆動プラットフォーム。
- 前記単純な電極は、前記圧電基板面の表面上の点に接する点電極である、請求項３乃至５のいずれか一項に記載の圧電駆動プラットフォーム。
- 前記電気信号は、前記圧電基板の共振周波数と実質的に一致する１つまたは複数の周波数である、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の圧電駆動プラットフォーム。
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