NIMS、高温ダイヤモンドMEMS磁気センサーを開発：500℃でも高感度で動作が安定

物質・材料研究機構（NIMS）は、500℃の高温環境でも消費電力が小さく、動作が安定している「ダイヤモンドMEMS磁気センサー」を開発した。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

ダイヤモンドと磁歪材料を組み合わせ

　物質・材料研究機構（NIMS）は20201年11月、500℃の高温環境でも消費電力が小さく、動作が安定している「ダイヤモンドMEMS磁気センサー」を開発したと発表した。航空機や自動車エンジンなど過酷な環境でも安定に動作する磁気センサーとしての応用を見込んでいる。

　NIMS機能性材料研究拠点の廖梅勇主幹研究員らによる研究グループはこれまで、単結晶ダイヤモンド基板上にダイヤモンド薄膜を成長させた「全単結晶ダイヤモンド」技術をベースに、単結晶ダイヤモンドMEMS機械共振子の作製プロセスを開発してきた。さらに、ダイヤモンド機械共振子のQ値を決めるエネルギー散逸機構の解明や、ダイヤモンド表面を原子スケールでエッチング加工する技術の開発、100万以上のQ値を持つダイヤモンドカンチレバーの開発なども行ってきた。

　これらの研究成果を踏まえ、今回はまずダイヤモンド深部欠陥の影響について調べた。この結果、ダイヤモンドMEMSは少なくとも700℃でも安定的に動作することが分かった。ダイヤモンド固有の深い欠陥エネルギー準位と機械的特性の相関についても検討したところ、MEMS共振子としてはダイヤモンドが優位であることを確認した。

　そして、キュリー温度が600℃以上の磁歪材料「Fe₈₁Ga₁₉」膜とダイヤモンドを組み合わせ、500℃という温度環境でも安定して動作するダイヤモンドMEMS磁気センサーを開発した。磁気感度は500℃で10nT/√Hzを達成したという。

ダイヤモンドMEMS磁気センサーの動作原理 出典：NIMS

　室温〜500℃で外部磁場を印加すると、共振周波数は低下する。磁場が高いほど共振周波数のシフトは大きくなる。また、カンチレバーの形状によって、ダイヤモンドMEMS磁気センサーの感度は異なるという。磁場範囲が5mT以下と低ければ、感度は18〜36Hz/mTとなる。FeGa／Ti／ダイヤモンドカンチレバーの磁気感知動作を室温から500℃まで、外部磁場の変化で測定した。温度が上昇すると磁気感度も増え、500℃では約75Hz/mTとなった。磁気感度は温度によって可逆的であることが分かった。

左図は温度の違いによるFeGa／Ti／ダイヤモンドカンチレバーの外部磁場応答、右図は共振周波数の外部磁場と温度に対する依存性 出典：NIMS

　研究グループは今後、センサーの感度や信頼性、寿命、速度などの最適化に向けて、主な回路をワンチップに集積していく予定である。