2018 Fiscal Year Research-status Report
Development of microwire-embedded wearable pressure sensor
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17K06848
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| Research Institution | Sendai National College of Technology |
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Principal Investigator |
今井 裕司 仙台高等専門学校, 総合工学科, 准教授 (40334693)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
平野 愛弓 東北大学, 材料科学高等研究所, 教授 (80339241)
但木 大介 東北大学, 電気通信研究所, 助教 (30794226)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | ポリフッ化ビニリデン / 包埋技術 / チオール修飾 / 圧力センサ / ウェアラブルデバイス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
平成29年度は，有機強誘電体であるポリフッ化ビニリデン（PVDF）フィルム中に，電極となる金属細線を数百μm程度で等間隔に包埋させた新奇な構造のワイヤ型圧力センサを作製し，そのフィルムの圧力応答特性を評価した。1kPa程度の微小なタッピング圧力に対して，数百mV程度のスパイク状の出力波形を観測しており，複数の細線間で同様の応答特性が再現性良く観測できたことを確認している。
平成30年度は，出力感度向上を目的として，PVDFフィルム中の配向分極制御方法について検討を行う。チオール修飾を施した金電極表面上にPVDFフィルムを成膜することにより，PVDFフィルム中の分極の配向を制御するという新奇なポーリング法を試みる。作製方法としては，プラスチック基板上に下部電極（金）を蒸着し，その電極にチオール修飾を施して，極性溶媒であるヘキサメチルリン酸トリアミド（HMPA）を溶媒としたPVDF溶液を塗布する溶液塗布法を用いる。溶液を数時間かけて乾燥し，純水に浸して余分な溶媒を除去する。最後に，PVDFフィルム上に上部電極（金）を蒸着する。このようにして作製されたセンサ試料に対し，圧力を印加した際に出力される上下電極間の電圧変化を測定し，応答特性の評価を行う。定量的な圧力応答特性（圧力依存性）を評価するために，マイコン制御可能な圧力印加測定系を構築する。さらに，ポーリングの評価を行うために，X線回折法によるPVDFフィルムの生成相の同定と結晶性の評価を行う。
1次元マッピングへの応用を指向した基本デバイスとして，下地にチオール修飾した金電極を用いた上で，その対向（上部）電極として複数の独立した銀細線を用い，これらを全てPVDFフィルム中に包埋させたワイヤ型圧力センサの作製も試みる。
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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
PVDFフィルムの配向分極制御方法として，まずチオール修飾剤の選定を行った。表面ダイポールを有する金チオール修飾が有効であると考え，双極子モーメントの向きが異なるデカンチオール（DT）剤とパーフルオロデカンチオール（PFDT）剤を使用した。仕事関数の差から，DTおよびPFDTを用いて修飾を行った金表面にはダイポールの存在が確認でき，その方向はDT修飾表面とPFDT修飾表面において互いに逆向きであることが確認できた。
それぞれのチオール剤で修飾した金電極表面に，溶液塗布法を用いてPVDFフィルムを成膜し，さらにそのフィルム上部にも金電極を蒸着してセンサ試料を作製し圧力応答特性を測定した。グランド(GND)端子を下部電極に接続した時と上部電極に接続した時で，出力電圧の正負が反転した。このグランドのつなぎ替えによる正負反転は，PVDFフィルムが分極していることを示している。さらに，分極方向はPFDT修飾サンプルとDT修飾サンプルで互いに逆向きであることを確認しており，用いる修飾剤により分極方向を制御できることがわかった。マイコン制御可能な圧力印加測定系を構築して圧力依存性を評価したところ，PFDTを用いることにより，修飾無しの試料と比較して約5倍の感度向上に成功した。また，X線回折法による測定により，チオール処理したPVDFフィルムは圧電性の高いβ型であり，修飾無しの試料と比較して半値幅が小さいことから，結晶性も高くなっていることがわかり，チオール修飾によるポーリングの効果が確認できた。チオール修飾したワイヤ型圧力センサにおいても，センサ上面からの圧力の印加位置を制御することにより，個々の銀細線からの出力信号を1次元的に独立かつ明確に得ることに成功した。
以上，当初の研究実施計画の達成度として，おおむね順調に進展していると評価している。
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| Strategy for Future Research Activity |
圧力分布，歩行解析などの多点計測系へのフレキシブル圧力センサのデバイス応用のために，1次元マッピングを拡張した2次元マッピング素子の作製および2次元平面における圧力分布の取得について検討を行う。下部金電極をチオール化した基板上に銀細線を2次元的に立体交差させた状態で張り，これまでと同様に溶液塗布法を用いて，銀細線を包埋するようにPVDFフィルムを成膜することにより圧力センサの作製を行う。将来的に人工皮膚として触覚のフィードバック等への応用を考慮し，人間の触覚の100μmの分解能を目標とする。また，PVDFフィルムに圧力を印加したときの電圧信号をリアルタイムで画像表示できるように，LabVIEW開発システムによるプログラム開発を行う。
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