高感度・小型化の関節軟骨力センサ

• Project/Area Number: 18860005
• Research Category: Grant-in-Aid for Young Scientists (Start-up)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Field: Intelligent mechanics/Mechanical systems
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 林 育菁 東北大, 工学(系)研究科(研究院), 助手 (80431526)
• Project Period (FY): 2006 – 2007
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2007)
• Budget Amount: ¥2,740,000 (Direct Cost: ¥2,740,000); Fiscal Year 2007: ¥1,370,000 (Direct Cost: ¥1,370,000); Fiscal Year 2006: ¥1,370,000 (Direct Cost: ¥1,370,000)
• Keywords: 微小共振器 / マイクロ・ナノデバイス / マイクロマシン

Research Abstract

本研究では、半導体微細加主技術との融合により、圧電素子である水晶を使った、関節軟骨における力を計測するカセンサを開発するものである。高感度なマイクロカセンサを作成し、その特性を評価する。本年度には、基盤技術の開発を主に行い、以下に示す2点、センサと共振回路の作製や特性評価をした。
1.水晶振動子の製作・評価
常温付近で優れた温度特性を持つATカット水晶を使用し、マイクロマシン技術を用いて振動子を製作した。製作した水晶振動子の周波数特性を、インピーダンスアナライザによって計測した。計測に用いた水晶振動子の共振周波数は約16.1MHzであるが、共振周波数付近で急激なインピーダンスおよびコンダクタンス変化が起こることが確認できる。機械的な等価回路の成分から、Q値(Quality factor)は約16000であることが確認された。
2.共振回路の設計・製作
共振周波数の持続した発振を得るためには、周波数を選択して増幅させる必要がある。プリント基板加工機を用いてガラスエポキシ基板上に回路パターンを作成し、そして抵抗およびコンデンサ等のチップを実装し水晶振動子の共振回路を製作した。水品振動子に負荷容量コンデンサを接続して周波数選択回路を構築し、フィードバック抵抗とCMOSインバータからなる増幅器を接続することで、ある特定の周波数の持続した発振を得ることができた。
来年度は、センサの分解能、力感度、温度安定性等について評価して向上し、関節軟骨に埋め込む外装の作成と評価も行う。また、FEMによる解析でデバイスの最適化をする。