2020 Fiscal Year Research-status Report
Development of Micro Tactile Sensor Chip Including Pressure, Vibration, and Temperature Sensations
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19K04290
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| Research Institution | Niigata University |
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Principal Investigator |
寒川 雅之 新潟大学, 自然科学系, 准教授 (70403128)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
神田 健介 兵庫県立大学, 工学研究科, 准教授 (20446735)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 触覚センサ / 振動覚センサ / 温冷覚センサ / マイクロヒータ / PZT / NiCr / カンチレバー / MEMS |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は(1)センサデバイスの設計・作製プロセスの改良・試作、(2)圧力・振動検知部の感度向上とサイズ依存性評価、(3)ヒータ集積化センサの試作・評価と接触部改良について研究を実施した。下記にそれぞれに関する実績の概要を述べる。
(1)前年度の結果では振動に対する出力を得ることができなかったのと、圧力に対する応答の感度や温度安定性で課題があった。そこで、ひずみ抵抗に温度係数の低いNiCr薄膜を使用し、合わせて作製プロセスの改良を行った。これをもとに、NiCrひずみ抵抗とPZT強誘電体を用いた新たなセンサを設計・試作した。作製プロセスに新たにNiCrを導入し、さらにPZT上に積層したことから、NiCrの剥がれやショートの問題が発生し、パターニング条件の見直しを行ったため、試作は完了したがデバイスの特性評価までは至らなかった。
(2)圧力に対する感度向上や周波数特性の異なる検知部(カンチレバー)の作製のために、NiCrひずみ抵抗の成膜条件の最適化や検知部サイズに対する感度依存性の評価を行った。成膜条件については高感度と温度安定性を両立できる基板温度を見出した。一方、理論解析と実験結果双方で圧力に対する感度の検知部サイズ依存性を明らかにした。
(3)チップ上にヒータ抵抗を集積化したセンサの試作を行い、その特性を評価した。その結果、外部ヒータによる加熱と比較して、昇温安定性が向上し、チップ単体での温冷感計測が可能となった。また、チップ上測温抵抗と熱源であるヒータが近傍に位置することで熱流の経路も安定したが、同じ材質の表面加工の有無による僅かな温冷感の違いの検知は困難であった。そこで、対象物との接触部となる弾性樹脂に熱伝導性の高い材料を用いるとともに、接触面積を増やす改良を行い、接触時の熱流束を増加させ、温度変化に対する感度を向上させることで、これらの温冷感の違いの計測を可能とした。
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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
圧覚の検知については感度向上が達成され、また、温冷覚の検知についてはヒータ集積化と接触部改良により表面のμmオーダの僅かな加工の有無による温冷の違いの検知が達成され、順調に進展している。振動覚検知については、作製プロセス上の問題の解決に時間がかかったため、まだ評価ができていないが、評価用のデバイスは完成しており今後評価を行う見通しであるため、おおむね順調に進展しているものと判断している。
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| Strategy for Future Research Activity |
振動覚検知用の圧電体集積デバイスについては、すでに試作が完了しており、今後その特性を評価し、その結果を検討し設計と作製プロセスにフィードバックして再試作を行っていく予定である。合わせて、検知部のサイズに対する振動の周波数応答依存性を解析・基礎実験の両面から評価し、上記圧電体デバイスを用いた複数の周波数特性による検知が困難な場合、検知部のサイズ効果によりひずみ抵抗による複数周波数特性検知が実現可能か検討する。また、温冷覚検知については断熱性の向上による感度・安定性向上を図る。さらに、圧覚・振動覚・温度覚の同時検知を様々な材質や表面形状のサンプルに対して行い、それらのデータの分析評価を行う。
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