Study of high density and high freedom tactile device using MEMS technology
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21K12002
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 61020:Human interface and interaction-related
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| Research Institution | Tokyo Polytechnic University |
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Principal Investigator |
曽根 順治 東京工芸大学, 工学部, 教授 (50329215)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
Fiscal Year 2024: ¥520,000 (Direct Cost: ¥400,000、Indirect Cost: ¥120,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
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| Keywords | ヒューマンインターフェイス / メタバース / バーチャルリアリティ / インタラクション / MEMS / 触覚 / 力覚 / ヒューマンインタフェース / 超音波 |
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| Outline of Research at the Start |
ロボットによる医療、危険作業の作業感覚を遠隔で伝えるためには、高精度の触覚提示デバイスが必要となる。人の指腹部は、2点弁別長（別々の刺激であると識別できる最小の距離）が数mmと小さいために、機械要素を微細化可能なMEMS技術を活用する。しかし、MEMS技術は薄膜技術であるために、強度の観点から、そのままでは活用することが困難である。そこで、MEMS技術と実装技術の両面から検討し、超音波MEMSを活用した高精度触覚デバイスを作成し、仮想空間で形状や表面粗さ情報が提示する触覚提示計算システムも検討することにより、高精度触覚提示システムを開発する。このシステムは、力覚提示システムとの併用も検討する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
1. カンチレバー型のMEMS
この試作においては、PZTより圧電性能が高いと産総研などから報告されているPLZTの成膜を行い、2020-2021年度で成膜条件を詰めてきた。2022年度の後半から東北大での試作が緊急事態宣言の緩和があり、PZTより、少し性能の良いLaを0.7%付加したPLZT圧電膜が成膜できるようになった。カンチレバーの強度を向上させたカンチレバー型のMEMSデバイスの試作が実施できた。新しく採用したPLZT成膜剤の粘度が高く、2cm角の基板では、厚みが0.5μｍを超えると外側に割れが生じるため、4cm角基板での製作を実施した。両端部は、20ピンのFFPコネクタのスロット接続部である。
2. 超音波型デバイス
超音波型のデバイスは、共振周波数を30KHz以下となるように、設計して、圧電膜にPLZTを採用してデバイスを作成した。最初の試作結果では、新たな問題が発生した。それは、配線を絶縁する酸化膜に、PLZTのPb成分がドーピングされて、絶縁性が落ちてしまい、その絶縁層上に形成する配線も綺麗に成膜できない問題があった。そのために、配線の作成を圧電膜の成膜の後に実施することにより、絶縁膜のPbドープを防いだ。そのために、配線とグランドの接触問題を防ぐために、下部電極の微小領域をエッチングと酸化チタン膜コートによる、Pbドープの防止を施し、正常に配線できるようにした。裏面は、振動板が40-70μmになるように、Si基板の垂直彫り込みを実施している。さらに、上部電極は、2μmのPLZT膜の上部に形成されるために、基板の配線部まで、段差を連結する必要があり、200nmのPtのスパッタ配線では、この段差を埋める導通が難しかった。そのために、現在は、2μmの段差部を、厚膜のAl蒸着や、Cuメッキを実施して配線の改善を試している。一部のデバイスでは、Al厚膜の蒸着を実施した結果、80KHzの広帯域のマイクロフォンを用いて、音波を測定し、26KHz付近に共振点を確認した
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
東北大 MEMS試作コインランドリの緊急事態宣言の緩和に伴い、試作が実施できた。開発の効率化と試作費用を減らすために、5インチサイズのフォトマスク1枚に、4枚分のマスクを配置してレーザライタでマスク部を一括作成し、基板を4枚に割ることにより、一度に4枚のマスクを作成できるようにした。そのことにより、全12枚のマスクを3回で、作成できるようになった。
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| Strategy for Future Research Activity |
上部電極は、2μmのPLZT膜の上部に形成されるために、基板の配線部まで、段差を連結する必要があり、200nmのPtのスパッタ配線では、この段差を埋める導通が難しかった。そのために、現在は、2μmの段差部を、厚膜のAl蒸着や、Cuメッキを実施して配線の改善を実施する。
MEMSの開発後は、樹脂製のインターフィス部を作成し、カンチレバー型は、連結ピンの作成と配置、抜け止めを検討する。超音波型は、MEMS基板とインターフェイス部の密着の検討や、インターフェイス部の減衰を防止するための金属のメッキなどを検討する。
開発したデバイスを用いて被験者実験を行い。触覚の提示方法を検討し、さらに、東京大学 川嶋教授開発の医療ロボットに、活用してもらえるように検討を実施する予定である。
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Report
(2 results)
Research Products
(8 results)
