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2013 年度 実績報告書

MEMSセンサによる超音波位置測定の研究

研究課題

研究課題/領域番号 12J08694
研究機関東京大学

研究代表者

NGUYEN MINHDUNG  東京大学, 大学院情報理工学系研究科, 特別研究員(DC2)

キーワードMEMS / 気圧センサ / ピエゾ抵抗型カンチレバー / ギャップのスケール効果 / 上下運動
研究概要

平成25年度では、研究してきた音圧センサを使って室内の超音波音源定位を確立する予定だったが, カンチレバーの周りのギャップ(隙間)を非常に小さく(数μm)することにつれて、気圧の僅かな変化に対してカンチレバーが非常に敏感に反応することを発見した。この現象をさらに研究すればインパクトの高い研究ができるだろうと確信し、研究計画を変更して、MEMS気圧センサの研究に取り組み、博士号を取得した。
空気圧を計る圧力センサは、カーナビゲーションや運動ログ取得のため、高度・高度差を計測するデバイスとして期待されている。従来の圧力センサは、密閉された基準圧力室の一部であるダイアフラムが、圧力によって変形する量を電気的に計測している。しかしながら、ダイアフラム型のセンサでは、圧力に対する感度と構造強度とがトレードオフの関係にあること、密閉基準圧力室を形成するためのプロセスの手間がかかることの課題があった。これに対して、本研究では、静的ではないが、比較的小さな周波数まで圧力変化が計測できるセンサを提案し、その特性を確かめることを目的としている。本研究で提案する圧力センサは、ねもとにピエゾ抵抗をもつカンチレバーで、その周りと基板との間に微小な隙間が存在する。隙間が微小であれば、ここを流体が通りにくくなり、カンチレバーの下部に設けられた空気室と外部との間の圧力差が保たれ、その圧力によってカンチレバーが変形するという特徴をもつ。カンチレバーの変形は、カンチレバーねもとに形成されたピエゾ抵抗の変化によって感度よく検出でき、カンチレバーの材料が単結晶シリコンなので、圧力によって大きく変形しても破壊しない。よって、本研究の提案が、ダイアフラム型の圧力センサがもつ課題を解決する方法の一つとしている。
本研究で提案したセンサのSN比を評価する実験では、隙間1μm、空気室の体積1m1のセンサを容器に入れ、圧力を0.2atmとして、ノイズの密度をスペクトルアナライザで計り、100 Hzまでの周波数で利用するとしたフィルタを仮定すると、センサの計測分解能は10mPaオーダー(1mmの上下運動に相当)であることが示されている。提案したセンサを用いて階段を上るデモを行い、センサの高い応用性も示された。この成果は、カーナビゲーションや人の運動ログに使う圧力センサして応用が期待されるものである。
この研究成果をApplied Physics Lettersの論文誌に投稿してアクセプトされ、またこの研究に関連する知財を特許として申請して高く評価されている。

今後の研究の推進方策

(抄録なし)

  • 研究成果

    (11件)

すべて 2014 2013 2012 その他

すべて 雑誌論文 (4件) (うち査読あり 4件) 学会発表 (1件) 備考 (1件) 産業財産権 (5件) (うち外国 1件)

  • [雑誌論文] Abarometric pressure sensor based on the air-gap scale effect in a cantilever2013

    • 著者名/発表者名
      N. Minh-Duna, H. Takahashi, T. Uchiyama, K. Matsumoto, I. Shimoyama
    • 雑誌名

      Applied Physics Letters

      巻: Vol. 103, no.14 ページ: No. 143505

    • DOI

      10.1063/1.4824027

    • 査読あり
  • [雑誌論文] A Hydrophone Using Liquid to Bridge the Gap of a Piezo-resistive Cantilever2013

    • 著者名/発表者名
      N. Minh-Dung, P. Hoang-Phuong, K. Matsumoto, I. Shimoyama
    • 雑誌名

      Proceedings of the IEEE 17th International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems (Transducers 2013)

      ページ: 70-73

    • DOI

      10.1109/Transducers.2013.6626703

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Multi-axis force sensor with dynamic covering ultrasonic range2013

    • 著者名/発表者名
      P. Quang-Khang, N. Minh-Dung, P. Hoang-Phuong, N. Binh-Khiem, K. Matsumoto, I. Shimoyama
    • 雑誌名

      Proceedings of the IEEE 27th International Conference on MEMS (MEMS2014)

      ページ: 769-772

    • DOI

      10.1109/MEMSYS.2014.6765754

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Measurement of Mechanomyogram2013

    • 著者名/発表者名
      T. Kaneko, N. Minh-Dung, K. Matsumoto, I. Shimoyama
    • 雑誌名

      Proceedings of the IEEE 27th International Conference on MEMS (MEMS2014)

      ページ: 2031-2034

    • DOI

      10.1109/MEMSYS.2414.6765773

    • 査読あり
  • [学会発表] ピエゾ抵抗カンチレバーを用いた筋音計測用圧力センサ2014

    • 著者名/発表者名
      金子 智則, Nguen Minh Dung, 高畑智之、松本潔, 下山勲
    • 学会等名
      ロボティクス・メカトロニクス講演会2013 (ROBOMEC2013)
    • 発表場所
      茨城県、つくば国際会議場(発表確定)
    • 年月日
      20140522-25
  • [備考]

    • URL

      http://www.leopard.t.u-tokyo.ac.jp/

  • [産業財産権] センサ2014

    • 発明者名
      東芝との共同出願
    • 権利者名
      下山勲、松本潔、グェンビンキエム、高橋英俊。グェンミンジューン、田村洋人、ファンクァンカン、大森隆広、西村修、西原章裕
    • 産業財産権種類
      特願
    • 産業財産権番号
      2014-011851
    • 出願年月日
      2014-01-24
  • [産業財産権] 圧力センサ2014

    • 発明者名
      SIIとの共同出願
    • 権利者名
      下山勲, 松本潔, 高橋英俊, グェンミジューン, 篠原陽子, 内山武, 大海学
    • 産業財産権種類
      特願
    • 産業財産権番号
      2014-050552
    • 出願年月日
      2014-03-13
  • [産業財産権] 圧力センサ2014

    • 発明者名
      SIIとの共同出願
    • 権利者名
      下山勲, 松本潔, 高橋英俊, グェンミジューン, 篠原陽子, 内山武, 大海学
    • 産業財産権種類
      特願
    • 産業財産権番号
      2014-050553
    • 出願年月日
      2014-03-13
  • [産業財産権] 感圧型センサ2013

    • 発明者名
      グェンミンジューン
    • 権利者名
      下山勲、松本潔、グェンビンキエム、グェンミンジューン、ファンホアンフォン
    • 産業財産権種類
      特願
    • 産業財産権番号
      2013-115612
    • 出願年月日
      2013-05-31
  • [産業財産権] Differential pressure sensor2012

    • 発明者名
      Nguyen Minh-Dung
    • 権利者名
      Nguyen Minh-Dung, Hidetoshi Takahashi, Kiyoshi Matsumoto, Isao Shimoyama
    • 産業財産権番号
      Patent No. PCT/JP2012050321
    • 出願年月日
      2012-01-11
    • 取得年月日
      2013-09-02
    • 外国

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公開日: 2015-07-15  

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