2017 Fiscal Year Annual Research Report
音響特性が未知の物質の音速と膜厚の同時計測を可能とする次世代音響共鳴顕微鏡
| Project/Area Number |
15H03889
|
|---|
| Research Institution | Nagaoka University of Technology |
|---|
Principal Investigator |
松谷 巌 長岡技術科学大学, 工学研究科, 助教 (00514465)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
大沼 清 長岡技術科学大学, 工学研究科, 准教授 (50396834)
桑原 敬司 長岡技術科学大学, 工学研究科, 助教 (50525574)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2019-03-31
|
| Keywords | 音響共鳴現象 / 超音波パルスエコー / 膜厚 / 音速 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
導電性高分子膜は電解重合で形成されるが、その膜厚を成膜中に計測できれば、バイオ燃料電池等の、有機電子デバイスの製造性の向上に寄与できる。一方、細胞の積層状態（厚さ）を正確に計測できれば、細胞と外界との相互作用や刺激に対する細胞機能を解明できる可能性がある。これらの計測対象は、液中に存在し、音響特性が不均一かつ時間的に変動する点に特徴がある。また、数十μmの厚さが想定されるため、μmオーダーの分解能が要求される。従来技術である音響共鳴顕微鏡は、超音波を利用して膜厚の非破壊計測が可能であるものの、音速が既知であることが必須であるため、上記対象物の計測は不可能であった。そこで本研究では、音響物性が未知の物質を対象とし、液中での膜厚計測を目的として、音速と厚さの同時計測システムを開発する。今年度は、新しい音響共鳴顕微鏡を構築し、検証実験を進めることで、測定精度に関する理論的な考察を完成させた。また、測定対象としてiPS細胞が積層した基板を作る必要があるが、チタン基板上の任意の場所にヒトiPS細胞を固定する技術を確立した。音響共鳴現象の発現には水中計測における空気の層が必要である。そこで、非常に小さな領域に対して泡を付ける技術について検討した。半球レンズに対してパルスレーザを打ち込み、全反射させてエバネッセント光を励起する。その浸透深さは100数十nmである。このため、ボールレンズ上面に水を配置したとき、非常に浅い領域に対して局所的な加熱と蒸発および泡を発生させることができる。光線追跡によって複合光学系において焦点位置を確定し、パルスレーザのエネルギ80mW程度であれば、泡を発生させるときにボールレンズを破損させない条件を決定した。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
今年度は、音速と厚さの同時計測システムを開発し、計測精度や分解能についての検証を行った。また、試験片として、1 mm 厚の鋼板上にエポキシ樹脂（公称音速は2300 m/s ）が電着塗装されたものを用いた。本手法によりエポキシ樹脂薄膜の音速と膜厚を同時に計測した。また、水中計測における空気の層を形成するために、非常に小さな領域に対して泡を発生させる技術について検討した。光路追跡とレーザ照射実験により、安定に稼働する光学装置を立ち上げることができた。レーザ顕微鏡で試験片の断面を観察し、新手法による計測結果と比較した。本手法による膜厚計測結果は、レーザ顕微鏡による断面観察と比較して誤差1 μm程度であり、良好な精度で膜厚計測ができていることがわかった。エポキシ樹脂薄膜の膜厚計測から、本手法で得られた膜厚はレーザ顕微鏡による断面観察結果と非常に良い一致を見せた。音響特性が均一ではなく、なおかつ音速が未知である導電性高分子薄膜やヒトiPS細胞のような計測対象であっても、溶液中における音速と膜厚の同時計測によってその厚さが計測可能であることを示す。
|
| Strategy for Future Research Activity |
引き続き音響共鳴現象を利用した周波数解析と反射超音波の時間計測を組み合わせることで、音速と膜厚の同時計測を可能にする方法を検証する。エバネッセント光による微小な泡の発生機構を構築できたので、泡の発生実験によって。所望の位置に制御性良く泡を付着させるための条件を検討してゆく。一方、エポキシ樹脂薄膜の膜厚計測からは、本手法で得られた膜厚はレーザ顕微鏡による断面観察結果と非常に良い一致を見せた。今後、音響特性が均一ではなく、なおかつ音速が未知である導電性高分子薄膜やヒトiPS細胞のような計測対象であっても、溶液中における音速と膜厚の同時計測によってその厚さが計測可能であることを示す。また、超音波の反射波形には、薄膜表面での反射波と薄膜－基板の境界からの反射波が混合していると考えられ、それが測定誤差につながっていると考えられる。この現象を踏まえて、現在の装置構成の測定限界および分解能についての考察を深める。
|
