視覚障害者用白杖のための三次元計測用超音波センサ

2002 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 14750263
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 山下 馨 大阪大学, 大学院・基礎工学研究科, 助手 (40263230)
• キーワード: 超音波 / マイクロマシニング / PZT / アレイセンサ / 三次元計測

研究概要

シリコンの異方性エッチングによる薄いダイアフラム構造上にPZT薄膜を堆積し、超音波アレイセンサを作製した。ダイアフラム構造の作製には、歩留まり良く構造を作製できるSOIウエハを用い、2インチ(相当)のウエハ1枚あたり4チップ、また1チップ当たり7×7アレイの49素子、合計196個のダイアフラムを作製し、スパッタリングによりPt/Ti下部電極を製膜、パターニングした。そのような薄い構造上でも極端な電気特性の劣化をまねくことなくゾル・ゲル法によりPZT薄膜が作製可能であることを確認した。特に、ゾル・ゲル薄膜の結晶化時の収縮応力を考慮し、Pt上とSiO_2上での応力緩和の状態を予備実験より比較検討して、クラックによる素子のダメージを最小限にとどめるための、特殊な下部電極パターンを開発した。さらに、作製プロセスにおいて、異方性エッチングとPZT製膜の手順を最適化することにより、たわみの無い基板上に圧電層を形成することと、圧電層の保護なしに追加の異方性エッチングを行うことの両立に成功した。このように、作製プロセスの各工程において最適化を行うことにより、最終的に90%程度以上の歩留まりでセンサチップを作製することが可能になった。ただ、現状では電極のリフトオフ工程に若干再現性に欠ける問題があり、今後、原因の追求と平行してリフトオフを用いない工程の開発を行なってゆく必要がある。
作製した素子の特性評価において、パルス音源を用いた超音波応答の測定により、1〜2m程度の距離において充分なS/Nで距離計測が可能であることを確認した。またチップ上の複数素子を用いてアレイセンサを構成し、測定波形の電子的走査による測定を試みた。各素子には若干の周波数ばらつきがあり、これが三次元計測時に問題になることが分かった。これに対する対策として、電界ポーリングによる共振周波数の調整を試み、ある程度周波数を揃えることが可能であることが分かった。

研究成果

• [文献書誌] K.Yamashita, T Fukunaga, H.Murakami, M.Okuyama: "Object Detection by Frequency-Tuned Ultrasonic Array Sensor"Proceedings of The 19th Sensor Symposium. 483-486 (2002)
• [文献書誌] K.Yamashita, et al.: "Ultrasonic Micro Array Sensor Using Piezoelectric PZT Thin Film and Resonant Frequency Tuning by Poling"International Joint Conference on the Applications of Ferroelectrics (IFFF2OO2) Integrated ferroelectrics. (to be published).
• [文献書誌] K.Yamashita, et al.: "Ultrasonic Phased-Array Sensor Using PZT Thin Film Combined with BBD Delay Circuit"Abstract Book of The 4th Japan-Korea Conference on Ferroelectrics. 38-38 (2002)
• [文献書誌] K.Yamashita, et al.: "Ultrasonic Phased-Array Sensor Using PZT Thin Film and Three-Dimensional Object Detection Using BBD"Journal of Korean Physical Society. (to be published).
• [文献書誌] 山下馨 他: "PZT薄膜を用いた超音波アレイセンサ"平成15年電気学会全国大会シンポジウム. (発表予定).
• [文献書誌] K.Yamashita, H.Murakami, L.Chansomphou, M.Okuyama: "Ultrasonic Array Sensor Using Piezoelectric Film on Silicon Diaphragm and Its Resonanat-Frequency Tuning"The 12th International Conference on Solid State Sensors, Actuators and Microsystems (Transducers '03). (発表予定).