生体内における高感度・小型力計測システム

• 研究課題/領域番号: 19760160
• 研究種目: 若手研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 研究分野: 知能機械学・機械システム
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 林 育菁 東北大, 工学(系)研究科(研究院), 助手 (80431526)
• 研究期間 (年度): 2007 – 2008
• 研究課題ステータス: 完了 (2008年度)
• 配分額: 3,780千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 480千円); 2008年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円); 2007年度: 1,700千円 (直接経費: 1,700千円)
• キーワード: 微小共振器 / マイクロ・ナノデバイス / マイクロマシン / 精密部品加工

研究概要

本研究は圧電効果の原理に基づき、半導体微細加工技術を用いて生体内における応力を即時に計測するための高感度・高応答速度・小型力計測システムを作製し、評価するものである。力計測システムは水晶力センサ部、高周波共振回路、実装部から構成されている。
1.水晶力センサ部
マイクロファブリケーション技術を用いてATカット水晶を小型化に加工した。水晶振動子は、16.1MHzの狂信周波数および16,000のQ値を持ち、コンダクタンス特性とインピーダンス特性が観察され、振動子の共振値計測に十分な値を備えることを確認した。
2.高周波共振回路
ガラスエポキシ基板上を用いて高周波共振回路を設計し製作した。水晶振動子を共振回路に接続し、共振周波数が増幅させ、持続した発振を得ることが確認された。
3.実装部
剛性のある外装材料を使用し、間接の動作中に測定を行うにもかかわらずセンサが変形せずに高い安定性を保つことを構築した。微細パーツの組立、センサの固定方法、及びノイズを抑制することについて検討した。固定が必要となる骨をはじめ、筋肉など生体内のどこでも使用できるようにするため、測定部の形状を針状にし、生体内における多様な応用ができるように設計した。
外力と水晶の狂信周波数変化関係を調査した。振動子の周波数安定性について、実験結果により、荷重付加または無付加に関わらず、荷重印加時間40minでのセンサ出力の変動は±0.4ppmであった。本センサは外力の計測が可能であり、時間に対する安定性を備えていることが解る。ここで、出力変動は力に換算して最大0.36Nであった。