オートチューニング機構付光干渉型マイクロセンサの開発

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オートチューニング機構付光干渉型マイクロセンサの開発

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オートチューニング機構付光干渉型マイクロセンサの開発

平成1 6年慶一平成1 7年度科学研究費補助金 基盤研究(B)研究成果報告霊 (研究課塩寺号16360446) 研究維持 研究代表者:浅沼 宏(東北大学･大学院環境科学研究科･助教授) 研究分担者:新妻 弘明(東北大学･大学院環境科学研究科･教授) 江刺 正喜(東北大学･未来科学技術共同研究センター･教授) 研究経費(千円) 直接経費 亊I ｨﾇ儂 合計 平成16年度 途繝 0 途ﾃ 平成17年度 0 ﾃ 総計 ﾃ 0 ﾃ

1.緒論

1-1 本研究の背景

MEMS(Micro Electro-Mechanical Systems)技術は半導体製作に利用されてきたフォトリソグラ フィーやエッチング,製膜などの技術を用い微小な構造物を製作する技術である｡ MEMS技術によ ればマイクロ構造体と電子回路を組み合わせた高機能なシステムを構築することができ,高付加 価値な製品を創造する基盤技術として大きな期待を寄せられている｡また,半導体製作技術を応 用しているため基板材料は主にシリコンが用いられているが,単結晶シリコンは内部欠陥が非常 に少なく高強度でヒステリシスやクリープが問題とならない｡さらに,エッチングによって加工 すると表面に囲う変質層がほとんど生じないため,材料を完全性の高い状態で使用でき信頼性も 高い構造物が製作可能となる.これらの利点を有するMEMS技術を利用して製作されたセンサは, センサ自体を微細に作れるため駆動エネルギーが小さく応答性の速い高感度センサが実現可能と なる｡ 【1】 一方, AE (アコースティック･エミッション)技術とは亀裂の進展,破壊に伴い発生する弾性 波を検出利用する技術である｡ AEを利用した非破壊検査法は設備が稼動中の状態で異常な兆候を 検出できる方法として構造健全性の監視･診断に用いられている手法である｡ AE法はベアリング の損傷診断,橋や建築物,航空機といった構造物の異常監視,材料の塑性変形や破壊時の特性評 価,岩石やコンクリートの圧縮試験など産業分野から学術分野に渡り幅広く適用されている｡特 にベアリングの損傷診断の観点では, AEは材料の変形,破壊の初期段階に発生するため,フレー キング(剥離)の原因となる材料内部の亀裂発生段階で検出が可能となる｡そのため,異常の早 期検出が可能であり,故障予知技術として有効視されている【2】 【3】｡ AEを検出するセンサは測定対象によって,広帯域型,共振型,またその周波数特性などの異な るセンサが数多く存在する｡例えば金属材料のAEを計測する場合,周波数帯域は数百k∼数MHz にも及び,その物体表面の振動振幅は1Åよりも小さい｡従ってAE計測においてセンサに求めら れる性能として,高感度,広帯域である事が挙げられるが,これらはトレードオフの関係にある ため全てを満足するセンサを得る事は非常に難しい｡また,センサの取り付けにおいても,大型 のセンサでは測定場所によっては取り付けが不可能であったり,取り付けた事によって周波数特 性が変化してしまうことがあり,問題となる点は多い｡ 本研究の代表者らはMEMS技術を利用して,地下弾性波計測のための加速度センサ,マイクロハ イドロフォン,コンクリート構造物の非破壊検査のためのAEセンサなど光の干渉を利用したマイ クロセンサの研究が行われてきた｡センサを小型化することにより高感度で応答の速いセンサが 実現可能となる｡また,同一性能を有するセンサを量産可能であるため,低コストで多点計測が 可能となるoまた, AEセンサの問題点としてセンサの取り付けを挙げたが,マイクロセンサでは 対象物またはその付近に接着剤などで容易に固定でき,対象物-の影響も少ない｡

と振動子またはダイアフラム上に成膜された全反射ミラーとの間でおこるフアプリ･ペロー干渉 計(図1-1)の原理を用いて光の強度変調から振動を検出している(図1-2)｡そのためセン サの感度が高い状態で計測を行うためにギャップ長の変化に対するスペクトルの傾きが最も大き い点に光の波長を合わせる必要性がある｡筆者らにより開発されてきた光干渉型センサは計測の 際,波長可変レ-ザを用いる,あるいは波長可変フィルタを用いることにより動作点の決定を行 ってきた｡しかしこの方法では1つのセンサにレ-ザまたはフィルタが1つ必要になり,低コス トで多点計測可能であるというマイクロセンサの利点が損なわれてしまう｡また,ファイバの固 定状況により実験前後で干渉スペクトルが変化しているという現象も見られた｡そのため光マイ クロセンサの実用化にあたり,計測系が低コストであり,高感度かつ安定なセンサを実現するた めの技術開発が望まれてきた｡ 1-2 本研究の目的 1 - 1節で述べたような理由から,本研究は波長可変レ-ザを用いずに,光干渉型センサの動 作点をオートチューニングするシステムの構築を目的として実施した｡本目的を達成するために, (a)オートチューニングの方式に関する検討とシステムの設計, 0))オートチューニングを適用す るマイクロセンサの試作, (C)オートチューニングシステムの性能評価と問題点の抽出,を行うこ ととした｡ オートチューニングの方法について詳しくは第2章で述べるが,波長可変レ-ザを用いないで 計測を行うことを目的としているため,入射光波長を固定し,ギャップ長を何らかの手法により 変化させ,最適な動作点を決定することを目指した｡本研究では,ギャップ長はセンサの振動子 部分と本体の間の静電引力により変化させる(囲いー3)｡この方法を採用する事により得られる メリットとして,波長可変レ-ザを用いない計測系を構築する事が出来るため,センサを多数配 置した多点計測が低コストで実現できる事が挙げられる｡また,従来はオシロスコープなどを見 ながら手動であわせていた動作点のチューニングを自動化することで計測の簡便化を図る事がで きる｡ 動作点のチューニングに関する研究は, FBGセンサに適用したものがいくつかこれまでに報告 されている【4日5】｡動作点のオートチューニング手法を用いれば,構造物の多点計測,常時モ ニタリングなどにおいて,長期間の計測でも安定したセンサの信号を検出できるため有効である0

寄留Q)印耕嘩坪 Z-1図

鳩車圭一ロン･dtf∠∠ T-1図

1-3 光干渉型センサの原理 本研究で製作したセンサは外部から振動が加わるとセンサ内の振動子が振動し,その振動を光 強度の変化として検出する構造となっている｡その検出原理について,力学的原理と光学的原理 に分けて述べる｡ 力学的原理       ′ 振動系の原理図を図1-4に示す｡おもりの質量をm,バネ定数をk,粘性定数をC,おもりの フレームに対する変位をX,フレームの空間に対する変位をyとする.この時おもりの運動方程 式は

揺.C4!+血- -〝意

dt d2y 砦.2hw" i.wn2X-一一dt2 wn2-i-√2nfn,2-, ㌢2 m

fn-2打席

h-C h-Ca)A h-C 2偏 2k -2ma'n あるいは (1-1) (1-2) (1-3) (1-4) (1-5) と書くことができる｡ fnはおもりの固有振動数, htま減衰比でありスクイズフイルム効果によっ て与えられる｡

おもりに強制振動y-ym sina71-ym sin27rftが加えられた時のおもりの運動方程式は

○ 剩辻ﾒ -■■■-

I/I

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▼ Sl振王 電極 I ス 辻 図1-3 オートチューニング方法一 キ ばね

ksi おもり

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減-係数C g

///////離宮釘////////

図1-4 振動系の原理図

X= (a'n2 -の2)2+(2ha'na･)2 となる｡この式を振動数比を用いて表すと, 1 X= J(1 - u2)2･(2huj丁 yma'2sin(a･t-q)  ( 1 - 7) (1-8) ymu2sin(a･t一甲)   (1-9) 9- tan-1 a) I 〟=-=-aln fn となる｡ (1-7), (1-8)式より減衰比の影響を考える｡ MA-(1 - u2)2+(2hu)2 2hu 1-〟2一 (u:振動数比) (1-10) (1-ll) (1-1 1)式のように感度係数MAをとり,縦軸を感度係数,横軸を振動数比として減衰比の 値を変えて振幅特性を表したものを図1-5に,このときの(1-10)式で表される位相角と 周波数特性の関係を図1 16に示す｡減衰比がh-0.707となる点はクリティカルダンピングと呼 ばれ,周波数特性が最も広範囲でフラットになるとされている｡また, hく0･707の範囲はアンダ ーダンピング, h〉0. 707の範囲はオーバーダンピングと呼ばれている｡ 固有振動数がセンサの共振周波数となるが,計測する振動数が固有周波数より十分小さい場合, すなわちfくくfnのとき(1-9)式は 1 d2 X… 有京ymsinwt p - tan-1 2hu 1-〟2 (1-12) となり,おもりの変位は加速度に比例する｡次に計測する振動数が固有振動数と同じ場合,すな

10 YM 東壁世噂 0 30  60  90  20 [｡]せ ず晋卓 -h=0 -h=0.1′ -h=0.5 -h=0.707 -h=1 -h=5 -h=10 .■lllll ;.,.,A.日.A... 末鳴粭 籌ﾃﾘ 0.01        0.1         1         10 振動数比 u 図1-5 振幅の振動特性 0,5     1.0    1.5     2.0     2.5     3.0 振動数比 u 図1-6 位相角の振動特性

1 d X芸-元訂●盲ym sinwt p=tan-1旦一空 1-〟2ー2 (1-13) となり,おもりの変位は速度に比例する｡最後に計測する振動数が固有振動数より十分大きい場 令,すなわちf〉〉fnのとき(1-8)式は X - -ym sina)t

ダニtan-1器…方

(1-14) となり,おもりの変位は相対変位に比例する｡ 以上のことから共振型のAEセンサでは,測定される物理量は試験体表面の振動速度であると考 えられる｡しかし,実際のAE計測では共振点を含むかなり広い帯域を扱う事が多く,またダンピ ングにより共振ピークを抑えたり,複数の共振をもたせて広帯域化を図っているセンサもあるこ とから,実際に計測しているのは変位や加速度の影響を含んだ合成量になっていると考えられる｡ また共振型センサにおいては(1-9)式から分かるとおり,固有振動数fnを大きく取りフラ ットな測定帯域を広く取ろうとすると,感度が大きく落ちてしまう｡このように,感度と周波数 帯域はトレードオフの関係にあるので設計の際には考慮する必要がある｡ 光学的原理 前節でも述べたとおり,新妻研究室で研究が行われている光干渉型センサの振動検出原理には フアプリ･ペロー干渉計の原理が用いられている(図1-1, 2) 【7】 【8】 【9】｡このフアプリ･ ペロー干渉計において信号光I,の光強度は入射光強度1を用いて次のように表すことができる 【10】｡

Jr-Rl ･R2 -2廊cos(響)

1 I RIR2 - 2廊cos(響) R. :ハーフミラーのエネルギー反射率 R2 :全反射ミラーのエネルギー反射率 ただし, (1-15)

ど:ギャップ長 i :入射光波長

この式より,入射光波長1,あるいはギャップ長gが変化すると図1-2のように信号光に光強 度変化が起きる｡この光強度変化をフォトディテクタにより検出し,振動を検出する｡

2.オートチューニング機能を有する光干渉型マイクロセンサ計謝システムの設計 2-1 緒言 オートチューニング機能を有する光干渉型マイクロセンサ計測システムを設計するにあたり, まず,オートチューニング機能を組み込んだマイクロセンサの構造,性能を決定する必要がある｡ オートチューニング機能の性能を決めるのは干渉スペクトルの移動量をどれだけ制御できるかで あり,この性能を決定するパラメータとしては電極面積,電極間距離,制御電圧といった電極部 の設計値と振動子のバネ定数があげられる｡一方マイクロセンサの性能を決定するのは,力学的 な性能は固有振動数とバネ定数で決まり,光学的な性能はギャップ長と,光源の光量やディテク タの感度といった光学素子によって決まる｡ 本章ではオートチューニング機能を有する光干渉型マイクロAEセンサの設計について,マイク ロセンサ部と制御部に分けて述べる｡マイクロセンサ部の設計では,はじめにセンサの力学的設 計,光学的設計,電極部の設計について必要な式を述べ,最後にセンサの性能とオートチューニ ングの性能を考慮した上で,センサの各パラメータを決定した｡また,センサの製作プロセスを 決定し,決定したプロセスについて述べる｡制御部では光干渉型マイクロセンサの動作点の制御 手法を検討した結果を示す｡また,波長可変レ-ザを用いないで計測を行うため,広帯域光源か ら出射する光を, FBG (ファイバグレーティング)を用いてフィルタリングして計測に用いるシス テムについて述べ,そこで必要となるFBGの設計を行った｡ 2-2 光干渉型マイクロAJiセンサの設計 本研究で製作したセンサはベアリングのAE計測-の適用を想定したセンサであるoベアリング の損傷診断にAE法を適用した場合,フレーキング(剥離)の原因となる材料内部の亀裂を,その 発生過程で検出することが可能となる.この時観測されるAE信号の周波数は数10-数100[kHz] と広帯域にわたる【12】｡このようなAE信号を検出する際に使用すると考えられる,市販の圧電 型AEセンサの仕様を表2-1に記す｡これから,ベアリングの損傷診断に必要とされる数10-数100[kflz]の帯域を広くカバーするAEセンサというのが現在はない事がわかる.本研究で製作 されるセンサには,この数10-数100[kHz]の帯域の信号を取得可能であることが求められる. 一方,センサに求められる性能のほかに,オートチューニングの性能に対しても考慮しなけれ ばならない｡本研究は動作点をオートチューニングするセンサシステムの構築を目標としている ため,オートチューニングの性能を重視した｡すなわち,オートチューニングの性能は干渉スペ クトルをどれだけ移動できるかによってきまり,この移動量は静電引力によりどれだけ振動子を 引っ張ることができるかが重要となる｡従って電極面積や電極間面積,制御電圧といったパラメ ータが静電引力の大きさに関係し,バネ定数によって振動子の移動量が決定するため,オートチ

ユーニング性能を優先するというのは,これらの値を優先的に決定するということである｡ 以上のことから,センサの性能とオートチューニングの性能という,両者の要求を検討しなが ら,設計を行う必要がある｡はじめに,設計に必要となる,センサの力学的設計方法と光学的設 計法,オートチューニングの設計に必要となる電極部の設計について述べる｡その後,センサの パラメータを決定する｡ 2-2-1光干渉型マイクロAEセンサの力学的設計 本研究で製作したセンサは,図2- 1に示すように,振動子を風車型に配置した梁が支える構 造となっている｡そのため梁の寸法から決まるバネ定数,振動子寸法により決まる振動子重さが 共振周波数に影響してくる｡ただし梁や振動子の寸法は共振周波数`の目標値やダンピング,プロ セスを行う上での妥当性などを考慮する必要があり,一意に決定できない｡ 本研究で製作したセンサの固有振動数fn,減衰比h,振動子の質量m,バネ定数kは以下の式 によって与えられる｡

fn-去ほ

c 1 O･42FLS2

h=面-面一言｢

m = (ts. 12dPpsi

k=壁更

L3 (2-1) ここでts.はシリコン基板の厚さ, Sは振動子面積, psJはシリコンの密度で2340[kg/m3]･ nl本] は梁の本数, Elまシリコンのヤング率で130[GPa], w lm]は梁の幅, I lm]は梁の厚さ, L lm]は梁 の長さ, dは振動子-ガラス間距離であり,電極間距離であるo (2-2)式はスクイズフイルム効果によって与えられる減衰比hであり,これは狭い空間に 存在する気体が押し出される際に大きな抵抗を生じる現象である｡この減衰比がクリティカルダ ンピングとなるように設計を行うと,ダンピングの効果により周波数特性が最も平坦になり,広 帯域型センサとなる｡アンダーダンピングとなるように設計を行うと共振型センサとなる｡本研 究では,以下のような理由から,共振型センサを製作する事にした｡ 1.広帯域型センサは(2-2)式より振動子面積の2乗,振動子-ガラス間距離の3乗で影響 してくる減衰比を制御する必要があるが,これらを本学の設備で製作したとき,正確に

表2-1市販AEセンサの性能 富士セラミクス 儻域ﾘ5ｨ8 NF回路設計ブロック 型式 S# E2 M31 Rﾓ ﾔc 周波数 牟 ﾒ 300【kHz]共振 ｸ ﾖﾄ ﾒ 感度 田 縫( ｢ ﾒ 約52【dB】(400【Ⅴ/m/S】) 冩 S D" ﾒ 3 寸法 # 蒙ﾓ 蹐# 蒙ﾓ ￠3【mm】×t3【mm】 # 蒙ﾘ ｨ 蹐# 蒙ﾘ ｢

振動子  ミ7-  梁 センサ前面 パイレックスガラス シリコン センサ側面 センサ背面 図2-1 センサの構造

設計値となるよう形成するのは難しい｡ 2. スクイズフイルム効果は周波数による影響も大きく,10[kHz]以上の高周波数域ではダンピ ングの効果は小さく,設計どおりの減衰を得られるかについては,詳細な検討は行われて いない【13】｡ 3. ベアリングの損傷診断には,数10-数100[kHz]と比較的高い周波数が使われるため, ( 1 -1 2, 1 3)式より感度が低下する事が考えられる｡そのため共振を使って感度を上げ るように設計した方が良い｡    ′ センサの力学的設計は,まず(1)センサの固有振動数,振動子面積を決定･振動子-ガラス間 距離を決定し,次に(2)バネ定数を決定し,最後に(3)梁の寸法を決定するという順番で設計 を行うのが望ましい｡この順番で設計する事により,最初にセンサの性能とプロセス上の制約を 満たしたセンサの設計を行うことができる｡ 3:212 光干渉型マイクロAEセンサの光学的畳藍 本研究において製作した光干渉型マイクロセンサの振動検出原理として･フアプリ･ペロー干 渉計の原理を用いていることは第1章で述べたoここで･フアプリ･ペロー干渉計での信号光強 度Jrは以下の式により表されるo Jr= Rl.R2 -2廊cos旦型 1 1+R.R, -2両C｡S些撃 A (2-5) R, :ハーフミラーのエネルギー反射率 R, :全反射ミラーのエネルギー反射率 L7 :媒質の屈折率 g:ギャップ長 } :入射光波長 丁. :入射光強度 しかし,実際はファイバ端面から出射された光はある広がりをもって進むため･多重反射を起こ した光は全てファイバ内に戻るわけではないoこれについては,橋本により検討されており,檎 本によって提案された式を以下に示す｡

I, -Eh,2 〟 -R. I (1-R.)LJi;e J6∑ k=1

1 12(読))

dl=空竺 ′   A L:球面波中心点からファイバ端面までの距離 Eh, :戻り光の入射波に対する規格化強度 ここで, Auを用いた全反射ミラーを考えると, 1550【nm】の赤外波長帯域の光に対して反射率は 約0.96である｡また,シングルモードファイバを使用していることを想定し,開口数は0.1,ど ーム径とコア径を2W=dcon=9.5【〃m】とした.以上の条件でハーフミラーのエネルギー反射率を 変えて規格化強度とギャップ長の関係を示したものを図2-2に,ギャップ長を変えて規格化強 度と入射光波長の関係を示したものを図2- 3に示す｡ハーフミラーは製作上の制約があるため, 実際に使用するハーフミラーのエネルギー反射率は40%程度であると思われる｡橋本は,光源を 考慮に入れた最適なギャップ長についても考察しており,橋本によって提案された,感度とFSR

(Free Spectrum Range)を考慮したギャップ長は約32【〃m】となっている｡

2-2-3 電極部の設計 静電引力を発生させる電極は,図2-4に示すように振動子下部のガラス上に形成されている｡ 電極に電圧をかけたときに発生する静電引力Fは,図2-5に示すように2枚の平行電極板うち 片側の電極板にバネ定数kのバネがついた系と見なして次の式より求めることができる｡

F=1壁=1廷

2 do2 2do (2-7) ここでCoは真空中の誘電率, Sは電極面積, Vは印加電圧･ doは電極間面積(ギャップ長), Cは 平行電極板の静電容量である｡ただし,この式では電極板が変位することは考慮されていない｡ 実際には,センサの振動子はバネ定数kのバネで支えられていると考えられるので,静電引力が 働くと振動子は変位する｡したがって,振動子の変位についても考慮する必要がある｡ 図2 - 6に示すように電圧を印加する前後で振動子がAxだけ変位すると,エネルギーの保存 式から次の式が成立する｡

6       4 0.    0. [⊥一世滑空蜜繋 -29.0     29. 5     30. 0     30. 5 ギャップ長d [〟m】 6       4 0.    0. [-]l 世潜qT建繋 31.0     31.5     32.0 ハーフミラー反射率R1 2全反射ミラー反射率R2=0.96 入射光波長1550【nm] 図2-2 戻り光損失を考慮したフアプリ･ペロー干渉計における ギャップ長と規格化強度の関係 ハーフミラー反射率 ﾓC R 全反射ミラー反射率 #ﾓ澱R ギャップ長 d=15[〟m ギャップ長 d=30【〟m ギャップ長 d=45【〟m 1500 1520     1540     1 560     1580     1600 入射光波長[m] 図2-3 戻り光損失を考慮したフアプリ･ペロー干渉計における 入射光波長と規格化強度の関係

F.AxJAC.V2 =AC.V2

2 (2-8) F=1些.V2 Axは微小であるので∴F=土些.V2 (219) 2Ax よって,変位を考慮した場合の静電容量と静電引力の関係から

C," -慕

F-!些V2-三品V2

2血 (2-10) (2-ll) が成立する｡ここでdoは初期ギャップ長である｡また,静電引力の式とバネの復元力の釣り合い から,振動子の変位Xと印加電圧Vとの関係は以下の式で表される｡

弓詰V2     '2-12'

ここで,電圧を印加していくと,図2-7に示すように,ある電圧をかけた時に静電引力がバ ネの復元力より大きくなり,振動子が電極側に引き寄せられてしまう現象(pull-in)が起きる｡こ のpul1-inが起きる条件を求める｡図2-7のように,横軸を振動子の変位,縦軸を復元力(静 電引力)にとる｡電極板にある電圧がかかると,バネで支えられている電極板は変位を起こし, (2-1 2)式をみたす変位でバランスする.しかし,ある一定以上の電圧がかかると,静電引 力の式とバネの復元力の式はつりあわないままpulトinが起こる｡従って,図2-7でバネの復 元力と静電引力のグラフが按しているのが, pulトinを起こす限界の変位である｡按する点を求 めると, I(X) - X(d. -X)2一三誓V2 (2-13) 2-g(do-X)2i'-(X-do)(3X-do)-0 (2- 1 4, xpw-- -与do (2-15)

ファイバ ミフー /

//I

ie LUSTY 白 辻ﾃｲ ) 8ﾅ v S1振康 電極 一声.チ 顔: 剪 % ),栄 __誉 一芸 ■浮き ノ 図2-4 電極と振動子の位置関係 図2-5 電極と振動子のモデル図(向かい合う2枚の平行電極板)

静電容量C

図2-6 振動子変位前(左)と変位後(右)

V芯礎盤･Ef層寒

変位Ⅹ

Vpyll-m - (2-16) となり, (2-1 5)式はpu11-inが起きる変位, (2-1 6)式はpu11-inが起きる電圧となる 【11】｡ 2-214 光干渉型マイクロAEセンサのパテメータ決定 ここまでマイクロセンサの力学的設計法,マイクロセンサの光学的設計法,電極による振動子 の変位の設計法について述べた｡この節では,これまでの設計法に基づき,具体的な設計値を決 定した結果を示す｡はじめに,力学的設計,光学的設計,電極の設計で,決定しなければならな いパラメータと,そのパラメータが及ぼす影響について述べる｡ 固有振動数 (2-1)式より固有振動数が高いとバネ定数も高くなる｡計測する信号の周波数によって 決定する｡ バネ定数 梁の硬さを決定する値である｡ (2-1)式より固有振動数に影響し,バネ定数が高いと固有 振動数も高くなる｡オートチューニングでは, (2-1 2)式より振動子の変位量に影響し･ 干渉スペクトルのシフト量に影響する｡バネ定数が高いと,振動子の変異量が下がり･干渉 スペクトルのシフト量も小さくなる｡ 電極(振動子)面積 電極面積は(2-1 1)式より静電引力の大きさに関わってくる値である｡振動子面積は(2 -2)式よりセンサのダンピング, (2-3)式より振動子の重さに影響するoセンサにダン ピングの効果を与えたい場合は,適切な減衰比を決定して, (2-2)式より振動子面積を求 める｡ 電極間距離 (2-1 1)式より静電引力の大きさに影響する値であるo電極間距離を大きく取ると･静 電引力は小さくなる｡また,振動子の掘り込み深さと同じなので･ (2-3)式より振動子重 さに関わり,深く掘るほど重さは減少する｡さらに(2-2)式よりセンサのダンピングに も影響する｡

･ギャップ長 センサの干渉スペクトルを決定する｡センサの光学系感度や,オートチューニングでは干渉 スペクトルのシフト量に影響する｡ ･制御電圧 (2-1 1)式より静電引力の大きさに影響を与える｡大きい電圧をかければ,静電引力は 大きくなり,振動子の変位量も増える｡じかし,あまり大きく取るとpu11-inを引き起こす｡ ･梁寸法(長さ,幅,厚さ等) バネ定数に影響する｡通常はバネ定数を決定してから,プロセス製作上適当な値を決める｡ 以上に挙げたパラメータは,センサの性能とオートチューニングの性能に対して,相互に影響 している｡そのため,試作段階である現状では,各パラメータがどの程度の影響を及ぼすのかと いう技術の蓄積が無いため,最適値は明らかになっていない｡そのため,最初の設計では,過去 に新妻研究室において製作実績がある光干渉型センサに,電極を埋め込み,振動子を静電引力で 制御することにして設計を行った｡設計の結果,でてきた値が妥当であるかを検討し,妥当でな い場合は再設計を行って,設計値を決めることにした｡参考に用いたセンサのパラメータを表2 -2に示す｡ (2-1 2)式にこのセンサのパラメータを代入して設計を行うと,振動子を約100[-]変位 させるのに1000[Ⅴ]の電圧が必要であることがわかる｡この値では,振動子の制御量が少なすぎ るので再設計を行うoまず,電極間距離を5[JLm]にして,固有振動数を50[kHz]とする｡固有振 動数を下げた事により,梁の寸法や本数も変わる｡新しく設計した梁の寸法を表2-3に示す｡ (2- 1 2)式に再設計を行ったセンサのパラメータを代入すると,振動子を約200[nm]変位さ せるのに, 200[Ⅴ]の電圧が必要となる｡図2- 3でギャップ長が200[nm]変位した時の規格化強 度の変化を見ると,最大で0.5程度変化させる事ができ,振動子の変位を計測するには十分であ ると考えた｡したがって,表2-3に示した設計値のセンサを用いることにした｡ 本研究で製作した電極の面積は,センサ振動子より一回り大きくしてS-2･827×10 7[m2]とし て設計した｡ただし,実際静電引力が発生するのはセンサ振動子の面積分である｡ここで, (2-1 5), (2-(2-1 6)式よりpul(2-1-in変位はX-(2-1.667[m], pull-in電圧はV-428･5[Ⅴ]と求まるo これ以上の電圧をかけると,振動子を支えるバネの復元力より静電引力の方が大きくなってしま い, pull-inを起こしてしまう｡ 図2-8に(2-1 2)式より計算した,印加電圧と振動子の変位の関係を示す｡前述した pulHnを起こさない程度の電圧であることと,干渉スペクトルをシフトさせる事ができる程度 の振動子の変位を考慮に入れて,印加する電圧を200[Ⅴ]とした｡

6       4       2 0.0.0. (u9･Ol)卓伽Q)叶貞蛸 -ギャップの変化を考慮 --変化を考慮しない ∫ ′ ∫ ■ ■ ∫ 一■ ′ ∫ ■ 一 - - 一■ ■ 一 ■ ■■ ■■ 一■ - - - ■■ .._し.l....l....l一一一■l-■-■l-...l.... 1 00         200         300         400 電圧(V) 図2-8 変位を考慮した電圧と振動子変位の関係

表2-2 参考に用いた光干渉型マイクロセンサの設計仕様 共振周波数[kHz] おもり面積[m2]′ 纉e ﾃ ﾓr おもり質量[kg] 途繹 ﾓ はりの幅[m] X ｳb はりの長さ[m] "紿 ﾓb はりの厚さ[m] 闔｣ 綯 ばね定数[N/m] B ギャップ長[m] X 綯 はりの本数[本] B 表2-3 再設計を行った光干渉型マイクロセンサの設計仕様 共振周波数[kHz] 鉄 おもり面積[m2] 白纉e ﾓr おもり質量[kg] 唐縱8 繧 はりの幅[m] ｳb はりの長さ[m] s 綯 はりの厚さ[m] ﾓb ばね定数[N/m] 塔c b ギャップ長[m] 綯 はりの本数[本] b

2-2-5 光干渉型マイクロAEセンサのプロセス設計 光干渉型マイクロAEセンサの製作にあたり,図2-9に示すようなプロセスチャートを設計し た｡設計したプロセスチャートについて説明する｡ シリコンプロセス 1. P十型,厚さ200[〃m],両面研磨,面方位(100)面のシリコンウェハを用い, 2[cm]角に ダイシングする｡ 2. RCA洗浄後Wet酸化を行い,約3000[Å]の酸化膜を成膜する(1100[℃], 20[min]) 3.ネガレジスト(OMR-8360cp)を塗布しフォトリソグラフィーによりパターニングする｡これは バッファHF(50%HF:40%NH.F=9:100, 38[℃])による酸化膜のエッチングの際のマスクとなるo バッファHFにより酸化膜をパターニングする｡この酸化膜は次のTHAH(Tetramethyl Ammonium Hydroxide)によるシリコンのエッチングの際のマスクとなる｡その後レジストを剥離する｡ 4. TMAHによりシリコンをエッチングする(TMAH:80[℃], 10[min]).梁の部分をエッチングで 5[〃m]掘り下げる｡その後マスクとして成膜した酸化膜をバッファ肝により除去する｡ 5. Wet酸化を行い酸化膜を約1[〝m]成膜する｡ (1100[℃], 180[min]) 6.ネガレジスト塗布後フォトリソグラフィーによりパターニングする｡ 7.バッファ肝により酸化膜をパターニングする｡この作業で振動子上に張り付き防止用のスト ッパーを形成する｡ 8.ウェハ両面からボロンを拡散する(1160【℃】, 10【h】)｡ボロン拡散層の厚さは約10【〝m】と なる｡ 9.表面の酸化膜をバッファHFで除去後,ポジレジスト(OFPR-800 30cp)を塗布しフォトリ ソグラフィーによりパターニングする｡

10. ICP-RIE (Inductively Coupled Plasma-Reactive Ion Etching)によりシリコンをエッチン

グする｡エッチング深さは20-30[〃m]程度となる｡その後レジストを除去する｡ ll.ポジレジストによりフォトリソグラフィーを行う｡その後蒸着により Cr(250[Å]), Ti(250[Å]), Au(1200[Å])を順に成膜する｡ Ptは後の陽極接合の際にシリコンと金が合金 となってしまうのを防ぐバリア層として利用する｡ 12.リフトオフにより金ミラーを形成する｡その後ポジレジスト(OFPR-800 200cp)によりフ ォトリソグラフィーを行いパターニングする｡ 13. ICP-RIEによりシリコンを貫通エッチングする｡その後レジストを剥離する｡

1.厚さ1[mm], 2[cm]角のパイレックスガラスを使用する｡ 2.ポジレジスト(OFPR-800 30cp)を塗布しフォトリソグラフィーによりパターニングする｡ 3.蒸着によりTi(500[Å]), Pt(500[Å])を順に成膜する｡ 4.リフトオフにより電極を形成する｡ 5.ダイシングを行いガラスに切れ目を入れて置く｡ 上部ガラスプロセス 1.厚さ1[m], 2[cm]角のパイレックスガラスを使用する｡ファイバ固定用の穴あけ加工を(秩) 旭栄研磨加工に外注した｡ 2.ポジレジスト(OFPR-800 30cp)を塗布しフォトリソグラフィーによりパターニングする｡ 3. ITO (3000∼4000[Å])をスバッタする｡ 4.リフトオフにより張り付き防止用電極を形成する 5.ダイシングを行いガラスに切れ目を入れて置く｡この時電極取り出し部分にも切れ目を入れ る｡ 組み立てプロセス 1.下部ガラスを陽極接合により接合する｡ (大気中, 375[℃], 700[Ⅴ], 10[min])

2. EPW (Ethylendiamine PyrocatechoI Water)によりシリコンをエッチングする｡ボロンを拡

散した層はシリコンに比べエッチングされにくいため,梁の下の部分のシリコンがえぐられ るようにエッチングされる｡よってボロンを拡散した層が梁として形成される｡ 3.上部ガラスを陽極接合により接合する｡ (375[℃], 700[Ⅴ]) 4.センサを分離する｡その時電極から配線を行う部分に切れ目を入れておいた上部ガラスも除 去する｡ 5. (樵)光伸光学工業-外注したハーフミラー加工を施した光ファイバを,穴あけ加工した上 部ガラスに挿し込む｡このとき,フアプリ･ペロー干渉計の干渉スペクトルをスペクトルア ナライザで観測しながら,適切なギャップ長になるところで紫外線硬化樹脂を塗布し,紫外 線を照射して硬化させる｡ 6.電極に熱硬化型の導電性接着剤を用いてセンサを加熱しながら導線をつなげる｡ (150[℃], 5[min])

プロセスチャート シリコンプロセス 1 亦 j j 董 剪 t=200[〝m],(100), p-type ダイシング(20[mn]) RCA洗浄 巨去､二二∨:VL.h､叫ふ二二二二二:"し∼一∴棚二二∴ふよニ土山二二二二二二二j 2 劔熱酸化(3000[Å]) ド-2-等 巨 星 i ≠ i 一 3 劔フォトリソ i i 七号 i 耳 B 4 劔siO2エッチング (BHF) レジスト剥離 5 劔siエッチング(TMAH 5[〃m]) 守 劍ｮﾂ繒 siO2全剥離 卜 6 劔熱酸化(1[〟m],3h) I t二I弓 I E-I-: i R 7 劔フォトリソ (stopper形成) ll■--一IIl 8 ▲▲▲▲▲ 劔siO2エッチング (BHF) レジスト剥離 ▼▼▼▼▼

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し一一一二一一_こ_{一二一__ヱ_⊥｣ 図2-9-② プロセスチャート

下部ガラスプロセス 1 亦 劔佑ﾓ ｶﾕﾒ ､3 ≡ 剴# uﾓ# ｶﾖﾕﾒ i 2 册 ｵB 劔 H4 x8ｨ5ﾂ -∃ LI i ･′_,′- 凵ﾟ 3 劔彦禎 H i(R j 一 I 4 劔 ｨ7H6x4 B 1-葺 き I_葦 隻 ニ､葦 5 _{≡ i i} 劔 _2鉉K485h984 ≡

上部ガラスプロセス ト 剽Cﾓ ﾇ&贏ﾒ # uﾓ# ｶﾕﾒ 2 劍7H4 x8ｨ5ﾂ 3 劍uED 5 685 妻 i _-､書 4 ｨ7H6x4 B 5 亶ﾂ 2 ｢ 屍 ﾅﾂ しこ｣-ここ〉二二ふんム▲一一ん.:.一.:..._. (ｺ綴 rﾙJｨ自$ * ﾘ8ﾂ 8ｨ ｵ 485h984 図2-9-③ プロセスチャート

組み立てプロセス

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上部ガラス陽極 接合

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2-3 動作点制御部の設計 本節では,はじめに動作点のオートチューニングの原理について述べる｡次にPC制御部で行わ れる制御手法について述べる｡最後に電圧増幅部について述べる｡ 2-3-1 オートチューニングの原理   ′ 本システムではセンサ-の入射光波長を固定し,静電引力によりギャップ長を変化させること で干渉スペクトルを変化させる方法を用いることは前章でも述べた｡制御部はセンサの出力から 動作点を決定するPC制御部と, PC制御部からの出力電圧を増幅してセンサに出力する電圧増幅 部からなる｡ 2-3-2 Ⅰ℃制御部 図2- 1 0はオートチューニングの流れを示した図である｡まず,振動子に掛ける電圧を0[Ⅴ] から10[Ⅴ]まで増加させる｡この間のセンサ出力をⅣ制御部に取り込む｡この換作で干渉スペク トルの一部分をスキャンする事ができる｡最大出力である10[Ⅴ]まで出力したら,取り込んだデ ータを微分し,その絶対値が最大となる点を求める｡この点が最適な感度となる動作点であり, この位置に振動子を固定するように電圧を掛ける.これがPC制御部で行われるオートチューニン グの手法となる｡ 2-3-3 電圧増幅部 振動子を変位させるのに必要な電圧は,本研究では200[Ⅴ]である｡ PC制御部で出力する事がで きる最大電圧は10[Ⅴ]であるため,電圧の増幅を行う必要がある｡この電圧増幅部ではⅣからの 出力電圧(0-10[Ⅴ])を増幅して出力する｡電圧の増幅にはデイテル社製の∝-∝コンバータ (HYJ-200/1-D12)を用いた｡このDC-DCコンバータの回路図を図2 - 1 1に示す【12】｡このDC-DC コンバータは制御電圧0-10[Ⅴ]を入力すると,入力電圧を増幅して0-200[Ⅴ]の電圧をほぼ線形 に出力するというものである｡ 2-4 FBGを用いた計測系 はじめに,図2- 1 2に波長可変レ-ザを用いず,広帯域光源とFBGを用いた計測系を示す｡

てフィルタリングして計測に用いるシステムを用いることにより,波長可変レ-ザを使用しない で計測を行うことが可能となる｡そこで本節ではFBGについての設計を行った結果について述べ る｡ 図2-1 2に示すシステムにおいて, FBGが影響するパラメータは,プラッグ波長と半値幅 である｡プラッグ波長は,動作点を決定するパラメータである｡半値幅はシステムの感度に関わ る値である｡半値幅の大きいFBGを用いると,反射光の光量が増加するため,光の強度変調を計 測するセンサでは,感度が上がる事になる｡′反対に,センサのギャップ長の変化や,光源の揺ら ぎの影響で,スペクトルが変化すると,センサ出力が飽和する可能性もあり,注意が必要である｡ また,レ-ザを用いると,半値幅が狭いため,スペクトル上のわずかなゆらぎでも光量に変化が 生じるが,半値幅の広いFBGを用いると,光量全体に対する,揺らぎの影響は小さくなるため, 安定な出力が得られる｡そのため,本研究で用いられるような,特定波長のフィルタリングを行 うには適していると思われる｡また,コストの面に関しても,フィルタなどの光学素子に比べ安 価である｡さらに, FBGはひずみや圧力などの物理量に対応してプラッグ波長がシフトする性質 を持つ｡その性質を利用すれば,ある程度反射波長を制御することが可能であると考えられる｡ 本研究では, FBGの製作までは行わず,高嶋が製作したFBGを使用することとする｡また, 先ほど述べたプラッグ波長をシフトさせるなどの制御も行わず,特定の波長の光を取り出すため に使用する.高嶋により製作されたFBGの反射特性を図2- 1 3に示す｡光源にLED (ADVANTEST 社, Q8221)を用い, FBGの反射スペクトルを光スペクトラムアナライザ(ADVANTEST社, Q8347) で観測した｡ 2-5 結言 本章では,まずベアリングの損傷診断に適用する光干渉型マイクロAEセンサの目標性能として, 敬lo-数100[kHz]の帯域の信号を取得可能であることとした.また,動作点オートチューニング に使用する光干渉型マイクロAEセンサの力学的設計,光学的設計を行い,梁のバネ定数や振動子 面積,梁の寸法などの設計方法について述べた｡次に,電極部でpu11-inを起こす変位や電圧な どの条件と,振動子の変位量の設計方法について述べた｡この設計法を用いて,センサのパラメ ータを決定した｡また,マイクロセンサの製作プロセスを決定した｡次に動作点のオートチュー ニング法について述べ,制御を行うにあたりPCで行う制御,電圧増幅回路などについて述べた｡

図解回W瀦回軸新召塾 I I-岩国 晋韻Q)野封種9才コLdペニーでil-ゼ O I-Z図 Hエ9円'dlヨAV凪 蕗' :ｨ婢鋠 ノ` l1llGン Y蛸野心ぺみl i_NTENSITY

40  30  20 [A6_OLX] 7米 1.532   1. 534   1. 536 波長[×10 6m] 図2-13 FBGの反射特性 1.538   1.540

3.オートチューニング機能を有する光干渉型マイクロセンサ計測システムの製作と

特性評価

3-1 緒言 第3章ではオートチューニング機能を有する光干渉型マイクロAEセンサ計測システムの製作 と特性評価について述べる｡ はじめにマイクロセンサ部の製作について述べる｡マイクロセンサは,シリコンプロセス,上 部ガラスプロセス,下部ガラスプロセス,組み立てプロセスを経て製作される｡製作プロセスを 通しての問題点や注意点について検討を行った結果を示す｡また,`マイクロセンサの特性評価を 行った｡評価項目は光学特性とセンサの周波数特性について述べる｡ 次に動作点制御部の製作について述べる｡ PC制御部のプログラミング,電圧増幅回路の製作に ついて述べる｡また,制御部の特性評価を行った結果について述べる｡ 最後にオートチューニングシステムの評価を行ったことについて述べる｡ここではFBGを用い た計測系で実験を行い,特性評価を行った結果についても述べる｡ 3-2 光干渉型マイクロAEセンサの製作と評価 第2章の図2-9に示した,プロセスチャートに沿って,光干渉型マイクロAEセンサの製作を 進めた｡なお,センサの製作は東北大学大学院工学研究科機械電子工学専攻江刺研究室及び東北 大学ベンチャービジネスラボラトリの装置を利用して行った｡ 3-2-1 マイクロセンサの製作結果 微細加工プロセスを行った結果について図2 - 9の番号に対応して述べる｡ シリコンプロセス 1. 2[cm]角のSiウェハから9個のセンサを作る事ができる｡ 5. TMAHエッチングで掘り下げられた部分が,電極と振動子の間の距離になる｡ 8.振動子張り付き防止用のストッパーを形成する｡ストッパーは酸化膜で形成されているため, これ以後のプロセスで酸化膜を除去する際にエッチングされてしまい,ストッパーが小さく なってしまう事があった｡しかし,本研究で製作したセンサは共振周波数が高く梁が硬いた め,振動子が電極に張り付く事は少ないことが予想される｡実際にセンサ製作を行っていて

9.ボロン拡散において,拡散層深さは拡散時間によって制御している｡拡散層の厚さがそのま ま梁の厚さとなるため,共振周波数の値に直接関わってくるoボロンソースのデータシート に基づいて,梁を10[〟m]の厚さにするため10時間の拡散を行った｡しかし,実際はボロン ソースの劣化や拡散条件等の影響で,共振周波数を正確に設計値と一致させるのは難しいと 考えられる｡また,梁に残る残留応力の影響もあり,実際に製作されたセンサは共振周波数 が高い傾向が見られた｡ ll. ICP-RIEにより, Siをエッチングした. ='ッチング深さは30[FLm]程度とした0 12.ここで成膜されたAuが全反射ミラーとなる｡そのため膜質が悪いと戻り光強度も低下し･感 度に悪影響を及ぼす｡また, Au単層で用いると, Si -の付着力が弱いため簡単に剥離してし まう｡そのため下地としてCrを用いた｡しかし, Au/Cr層をSi上に形成し･陽極接合を行う 場合, Cr層を通り抜けたSiとAuが合金化し電気的特性が悪化するo実際に陽極接合時の加 熱によりミラーが白濁する事があるため,そのバリア層としてPtを用いたo蒸着で形成した ミラー部分を図3-1に示す｡ 13. ICP-RIEで貫通エッチングを行う｡エッチングの際,どこか一部分が貫通したらすぐにエッチ ングを止めなければならない｡貫通後もエッチングを続けていると貫通した部分の裏側から もエッチングが始まってしまい,梁以外の部分もエッチングされてしまうoここでエッチン グされなかった部分はEPWエッチングの際に除去される｡ 下部ガラスプロセス 下部ガラスには厚さllmn]のパイレックスガラスを用いた○ガラス上に電極として実績も高い pt/Ti層を成膜し,リフトオフによって電極を形成した○その後センサを分離した｡分離のため には,ダイサーを用いる方法が簡便であるが,ダイシング後に切削水やゴミがセンサ内に入り込 んでしまうことがあった｡そのため,ガラスに切れ目を入れて,陽極接合後に手で分離する方法 を取った｡ここでは接合後のセンサ内にゴミが入ってしまうと取り出す事ができず･ミラーに付 着すると反射率低下の恐れもある｡ 上部ガラスプロセス 上部ガラスにも下部ガラスと同じ寸法のパイレックスガラスを用いたo上部ガラスには(秩) 旭栄研磨加工に外注した穴あけ加工が施されているo穴の径は￠130[〃m]でファイバを固定する 役目を果たしている｡こちらもITOによる張り付き防止用の電極を形成した後,ダイシングを行 いセンサ分離用の溝を入れた｡ 組み立てプロセス 1, 2 このプロセスでは, EPWエッチングを行う前に下部ガラスを陽極接合しているoこれはEPW

いで破損してしまう可能性が高くなるためである｡そこであらかじめ下部ガラスを按合して おく事によっ て,シリコン構造体の強度を上げ,破損しにくくなるようにしている｡ただし, EPWエッチング後の洗浄で,ガラスを按合した面の振動子部分にエツチャントが残りやすくな るため,洗浄を丁寧に行う必要がある｡ EPWエッチング後の梁をSEMで観測したものを図3-2に示す0 5. これはマイクロセンサの組み立てプロセスである｡組み立ての時は,ハーフミラー加工さ れたファイバをセンサに挿入し, LED (ADVANTEST社, Q8221)を用いてセンサの干渉スペク トルをスペクトラムアナライザ(AI)VANTEST社, Q8347)により観測しながら適切なギャップ 長に設定し,紫外線硬化樹脂(RichStone社, AT4291)を用いて固定した｡この時に使うファ イバには, (樵)光伸光学工業-外注した,ハーフミラー加工が施されたファイバを用いた｡ ハーフミラTは,誘電体多層膜をファイバ端面に成膜する事やある一定の反射率を得ている. ファイバのハーフミラー加工は,反射率を40-60%程度になるよう発注しているが,製作 方法上反射率にバラツキが出てしまうため,組み立ての時点でハーフミラー反射率の低いも のは分けておく必要がある｡実際にハーフミラー加工が施されたファイバにLEDを光源とし た光を入射して求めたハーフミラーの反射率を図3-3に示す｡また,ファイバを固定する 際に,挿し込み部分のファイバの被膜を除去するため,センサの根本部分は非常に壊れやす くなっており,実験の最中に折れてしまう事も少なくない｡そのため,紫外線硬化樹脂で固 定した後,さらに被膜を除去した部分を包み込むようにエポキシ樹脂で固定した｡ 6.配掛まセンサの電極部に,エナメル線の先端をハンダで溶かしたものを熱硬化型接着剤

(Epoxy Technology社製, H20E)を用いて固めた｡この接着剤は常温で2液を混合し熱を加

えると硬化するもので, 150[℃]で5分間加熱し硬化させた｡センサの配線様子を図3-4に 示す｡ 分離前のセンサを図3-5に,組み立て終了後のセンサを図3-6に示す｡また,センサの裏 面から電極を見た図を図3- 7に示す｡ 本研究で製作したセンサプロセスでは, 4枚のウェハを流して3枚のセンサの分離まで行い, 最終的に組み立てまで行ったセンサは8個だった｡しかし,金を蒸着してリフトオフするミラー 製作プロセスが上手くいかず,後述のように良い干渉スペクトルを示すセンサが少なかった｡ 3-2-2 マイクロセンサの製作を通しての問題点 ここではセンサの製作を通してプロセス時の注意点や,問題となった点などについて述べる｡ ･センサの共振周波数

いセンサが多数見られた｡理由の一つに残留応力の影響が考えられる｡現在の製作プロセスでは, ボロン拡散や陽極接合時に生じる熱応九また,シリコンとガラスを接合するため･熱応力によ る起こるひずみによって生じる応力など,様々な要因で生じた応力が組み合わさった応力が梁に 生じていると考えられる【6】｡対策として梁を風車状に形成して応力を逃がす工夫をとっている が,完全には梁の応力を逃がしきれていないのではないかと考えられるo従って現状では･ある 共振周波数のセンサを製作したい場合は,梁の長さや幅など比較的制御しやすい値を･設計値か ら少しずつ変えたものを数種類製作し,得られたセンサの中から設計値に最も近かったセンサを 使用することが望ましい｡ ･組み立てプロセス 組み立てプロセスではセンサ1つ1つにファイバ挿入と配線を行うため,効率が良くないo特 にファイバを挿入するプロセスでは,被覆をむいたファイバを･狭い穴の空いたガラスに挿すた め,ファイバが折れてしまう事もあり,歩留まりを下げる原因の1つとなっている｡また･セン サを使った実験時に,被覆が無いセンサ付け根のファイバが折れてしまうことが良くあり,本研 究で製作したセンサはこの部分をエポキシで固めたoこの効果は高く,エポキシ固定をするよう にした後,実験中にファイバが折れる事はほとんどなくなったo ･センサの動作確認 組み立てが終わってからは,センサの動作確認を行うが･この段階で梁が動かない事が判明す る事が多い｡前に述べたように組み立てプロセスは効率が良くないため,可能であればEPWエッ チングが終わった段階で,レ-ザ変位計などを用いて振動子の動作を確認できれば,無駄な作業 を行わなくてすむため作業効率が上がると考えられる｡ 最後に,全体を通して言えることであるが,プロセス作業者の習熟度合いによって･プロセス の歩留まりは大きく変わる事を付け加えておくo作業開始当初は組み立てプロセスまで行えるセ ンサが0ということもあったが,今回製作したセンサは最初に製作をはじめたサンプルのほとん どを,組み立てプロセスまで行う事ができた｡

図3-1 蒸着によって形成したAuミラー

8     6 0.   0. 4     2 0.   0. OlH 臥 【⊥ 世繋ぎ毒米(]鵬 図3-4 センサの配線の様子

3-2-3 マイクロセンサの特性評価 マイクロセンサの光学特性 センサの干渉スペクトルを図3 - 8に示す｡計測は,光源にAI)VANTEST社のLEI) (Q8221)を用 いて,マイクロセンサの干渉を光スペクトラムアナライザ(Q8347)で計測したo計測を行ったセン サは,以降sl, S2と呼ぶ2つである｡干渉スペクトルは光源で規格化して反射率とした｡理論式 で示したフアプリ･ペロー干渉計のスペクトルと,実際のセンサで得られた図3-8の干渉スペ クトルを比較すると,違いが見られる｡理論上のスペクトルが左右対称であるのに対して,実際 のスペクトルはゆがんでしまっている｡示したスペクトルは2つとも山の位置が短波長側にずれ ているようなスペクトルとなっていた｡そのため,特にSlでは山の左右で光学的感度やダイナミ ックレンジが,変わっていると考えられる｡これは,実際にファイバ端から出射される光は球面 波であるのに対し,理論上で示したスペクトルは平面波で伝搬すると仮定しているからである｡ 球面波であると仮定すると,多重反射を起こした光は,位相の不整合や光強度の損失などの影響 で,干渉スペクトルがひずむことが予想されている｡これについては,池田により,光が球面波 であるモデルで検討が行われており,実際に観測されるスペクトルをある程度再現している｡【17】 マイクロセンサの周波数特性 本研究では,圧電型探傷子を用いて,製作したセンサの周波数特性を調べた｡図3- 9にこの ときの実験系を示すoしかし,実験にあたって目標とした数10-数100[kHz]の周波数帯域に対し てフラットな特性を有する圧電型探傷子が無いため,本研究では中心周波数が40, 100, 250[kHz] の圧電型探傷子にファンクションジェネレータ(馳K社, 1054)で正弦波を入力し,同時に参照 用圧電型探傷子で信号を取得した｡中心周波数が40, 100, 250[kHz]の送信,受信子にはそれぞ

れKARLDEUTSCH社製 S40HBO. 04S(E), PANAMETRICS社製VIOll, PANAMETRICS社製vlO12を用い

た｡ただし,これらの圧電型探傷子は,絶対感度による校正を行っていない｡そのため,本実験 では,感度の校正は行っていない.中心周波数が40[kHz]の圧電型探傷子で30, 50, 70[kHz],中 心周波数が100[kHz]の圧電型探傷子で100lkHz],中心周波数が250[kHz]の圧電型探傷子で200, 300[kHz]の信号を与えた｡また,今回の計測では光源に波長可変レ-ザ(NEW FOUCUS社, 6328) を用い,感度が高いと思われる動作点にあわせて計測を行った｡具体的な設定値は表3 - 1に示 す｡ 計測を行った結果を図3-1 0に示す｡実験の結果,全ての実験で,ファンクションジェネレ ータで発生させた信号と同じ周波数の信号が,リファレンスセンサで観測された｡そしてSlでは 50-300[kHz]の範囲で,リファレンスで観測された信号と同じ周波数の信号が観測されたoまた, S2では30-200[kHz]の範囲でリファレンスと同じ周波数の信号が観測された｡これらの結果から,

6      4 0.   0. [-]舟高嶋 1 520     1540     1560     1580    1 600 波長hm) 図3-8 Sl (上)とS2(下)の光学特性

表3-1 実験の条件 波長可変レ-ザの設定 剿 XｫI7 0.1[V/〟叫] S1 " 波長[nm] SC偵b 1549.3 光量[mW] ′■ 2.9 図3-9 周波数特性評価時の実験系

lJ ﾘ ﾂ llll 免ﾆﾂ 0.0 紕 0.8 0   0.  0   0  3 4   2        2  一 2  o n▲ S 0   0   0   0  3 4  2     2 -0 (I) 昌 仙 _山--▲-▲一一一 ll 免ﾂ 0.00.4 繝 l l 0.0 紕 0.8 ﾃ ﾓ2 2    3   ._    LJ)    tD L    一    r I I 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 【zHJJ^]凸Sd づ  T T .P Y 0  0  0  0  0  0 1    1    1    1    1    1 [Nエ㌧＼己凸Sd 3 4 5 67       2  3 4 5 67       2  3 4 5 1 0kHz 1 OOkHz 2  3 4 5 67       2  3 4 5 67       2  3 4 5 1 0kHz 1 OOkHz 図311 0-(D 30lkHz]の信号(上)を加えた時のセンサSlの波形と周波数特性(中)と リファレンスとして用いたPZTの波形と周波数特性(下)

2    0   2 ()) 出埠 l 鳴 ′l l 鳴 0.0 紕 0.8 仰 20 0 0.3 -2 _ (己 出押 収 0   0   0   0  3 4  2     2 一〇 (>) 出岬   0 4 l 0.0 紕 0.8 ﾃ I 白 i 鳴 0.0 紕 0.8 ﾓ2 .2  7  T IS T 0 0 0 0 0 0 llll一ll [(ZH)JJ^] 凸Sd 0. 1 0.2 o To ilo o llIll [(NH)JJ^] 凸Sd 2  3 4 56       2  3 4 56       2  3 4 5 1 0kHz 1 OOkHz 2  3 4 56       2  3 4 56       2  3 4 5 1 0kHz 1 OOkHz 図3-1 0-② 30[kHz]の信号(上)を加えた時のセンサS2の波形と周波数特性(中)と リファレンスとして用いたPZTの波形と周波数特性(下)

2    0   2 ()) 出田 -0.2  0.0  0.2 -0.2  0.0  0.2  0.4  0.6  0.8 1.0 1. 時間(s) -0.2  0.0  0.2  0.4  0.6  0.8 1,0 1. 時間(8) 0.4  0.6  0.8 1.0 1. 時間(s) 3 4 567      2  3 4 567      2  3 4 5 10kHz lOOkHz 時間(s) 3 4 5 67       2  3 4 5 67       2  3 4 5 10kHz lOOkHz 時間 (s) 図3-1 0-③ 50[kHz]の信号(上)を加えた時のセンサSlの波形と周波数特性(中)と リファレンスとして用いたPZTの波形と周波数特性(下)

l 免ﾂ →′ l 鳴 0.0 紕 0.8 ｳ2 0   0   0   0  3 4  2     2 -o ut) 出が   0 4 1 白 l 鳴 0.0 紕 0.8 ﾃ l l 白 0.0 紕 0.8 ﾃ 璽2 To o ?o ol ol5 0 lllll [zHJJ^]凸Sd 2  3 4 56      2 3 4 56      2 3 4 5 1 0kHz 1 OOkHz T  ?  T P  【6 0  0  0  0  0  0 【ZHJJ^]凸SJ 2  3 4 56       2  3 4 56       2  3 4 5 1 0kHz 1 OOkHz 図43-1 0-④ 50[kHz]の信号(上)を加えた時のセンサS2の波形と周波数特性(中)と リファレンスとして用いたPZTの波形と周波数特性(下)

()) 出脚 4   2

0   2   4

.ALI以lhAllJ 汎､ ﾄｧX ﾉ Y^埋 ｧVﾉ Vﾂ dll仙tLAIIALIkll 儂Fﾄ ﾄ筈 ﾆﾈ耳 ﾆ┬&F ｦ

yYIIYrll叩tMT l 蚯ﾙ$ $ ﾅ ﾂ PYuTYrlPYIlTqrfTtl I 舶g 膝&ﾗ$ﾔ疋幡ﾆﾂ ﾂ

0.0 紕 0.8

_.I...JJdldL仙lLLlJ 芳ﾆｶ亥)&貳DｦF( & ﾆ ﾆ D､ｨﾈﾈ覆

ー q'Ir rql,,fWlP,nl"MWl叩仰叩 叩押耶耶耶叩叩 i 0.0 紕 0.81.2X10-3 l 鳴 ll 0.0 紕 0.81.2X10 3 一1  2  T T T .P o一〇 〇 〇 〇 O l 1 1 1 1 1 【NHJJ^]凸Sd 3 4 5 67       2  3 4 5 67       2  3 4 5 1 0kHz 1 OOkHz 3 4 5 67       2  3 4 5 67       2  3 4 5 10kHz lOOkHz 図3-1 0-⑤ 70[kHz]の信号(上)を加えた時のセンサSlの波形と周波数特性(中)と リファレンスとして用いたPZTの波形と周波数特性(下)

【^] 出押 ▲dJ ;'lnYrl J 鳴 I 白 0.0 紕 0.8 ｳ2 0   0   0   0  3 4  2     2 -0 【^] 出騨  0 4 0   0   0   0  3 4  2     2 lo 【^] 出伊 仙 ･-】-一一柵山ld.LdJ山.dALhm I,,一一,I..一一｢-一一,...ーr■lTTWIIq-■一.rP lll 0.00.40.81.2xl0 3 l 白 l 0.0 紕 0.8 ﾃ ﾓ2 2    3    4    5    6 一    l    -    l     】 0  0  0  0  0  0 【zHJJ^]凸Sd 3 4 567      2  3 4 5 67      2  3 4 5 1 0kHz 1 OOkHz 3 4 567      2  3 4 667      2  3 4 5 1 0kHz 1 OOkHz 図3-1 01⑥ 70[kHz]の信号(上)を加えた時のセンサS2の波形と周波数特性(中)と リファレンスとして用いたPZTの波形と周波数特性(下)

4 2    0    2 ()) 出脚 0.0  0.2  0.4  0.6  0.8  1.0 1 時間(ら) 40 g2ム 出 0 } -20 40xl O 3 0.0  0.2  0.4  0.6  0.8  1.0 1. 時間(8) 40 g20 出 0 } -20 40xl 0-3 0.0  0.2  0.4  0.6  0.8  1.0 1. 時間(S) 1 0 1 1 0 2 ■ ■ 己.oJ3 主1 0 4 宏10づ r A 1 Oli 1 0-7 23456 3CSb 2345 1 kHz 1 OkHz 1 OOkHz 10 1 10-2 I r だ.0-3 ≧10 4 戻 101i i 1 Oli 1 O 7 23456 3CSb 2345 1 kHZ      1 0kHz 1 OOkHz 図3-1 0-⑦ 100[kHz]の信号(上)を加えた時のセンサSlの波形と周波数特性(中)と リファレンスとして用いたPZTの波形と周波数特性(下)

0.0     0.4 0.8 時間 くさ) 4 2 0 ()) 出肘 2 4 0.0 紕 0.81.2xl0 2    3    4    5    6 1     一    l t I 00000 【NHJJ^]CSd l2  T I i, Y 0 0 0 0 0 0 【NHJrA]CSd 3 4 5 67       2  3 4 5 67       2  3 4 5 1 0kHz lOOkHz 3 4 567       2  3 4 5 67       2  3 4 5 1 0kHz 1 OOkHz 図3-1 0-⑧ 100[kHz]の信号(上)を加えた時のセンサS2の波形と周波数特性(中)と リファレンスとして用いたPZTの波形と周波数特性(下)

0.0  0.2  0.4  0.6  0.8 I 1.0 1.2xlO. 時間(S) 0   0   0  3 2  - 甘 10 (I) 出伊 仙 0   0   0  3 2     2 lo nu (己 出伊  仙 0  0  0  0  0  0  0 1    1    1    1    1    1    1 【zHJJ^]凸Sd 【zHJJ^]凸Sd 23456 3CSb 2 CR 2 T T T T i)  ?  T o 0 0 0 0 0 0 l l   一1    1    1    1   .1 1 0kHz lOOkHz 図3-1 0-⑨ 200[kHz]の信号(上)を加えた時のセンサSlの波形と周波数特性(中)と リファレンスとして用いたPZTの波形と周波数特性(下)

4 20 (>) 出即 _._l一山_. 定爾 -.fLLLW.-A.LLLl qT7IqTー rL'ー ll 白 l 0.00.4 繧 1.2xl0-3 2    Er)    4    LL>    l○ l l    一    l     1 0  0  0  0  0  0 【NHJJ^]QSd 3 4 567       2  3 4 5 67       2  3 4 5 1 0kHz 1 OOkHz 3 4 567       2  3 4 5 67       2  3 4 5 10kHz lOOkHz 図311 0-⑩ 200[kHz]の信号(上)を加えた時のセンサS2の波形と周波数特性(中)と リファレンスとして用いたPZTの波形と周波数特性(下)

()) 出脚 4 2 0 4 Ju-■-山一J山..LLlJ-A-JJJL-.LL-山.山Li1-.-i.L 町一一 'r■r.I-W'pーl叩r'rllp-r'-ーPTrPq lll 0.00.40.81.2X10-3 仙 20 0 20 ㌔ X (己 出伊  仙 2345672345672345 1 0kHz 1 OOkHz 2345672345672345 1 0kHz 1 OOkHz 図3110-⑪ 300[kHz]の信号(上)を加えた時のセンサSlの波形と周波数特性(中)と リファレンスとして用いたPZTの波形と周波数特性(下)

4 2    0    2 ()) 出伊 ー0.2 0.0  0.2  0.4  0.6  0.8 1.0 1. 時間(S) 40 20 >･ 出 0 } -20 -40xl 0-3 一寸.2 0.0 0.2  0.4  0.6  0.8 1.01.2xlO 時間 (s) 40 20 ∋■ tt] 0 . -20 -40xl O 3 ｣).2 0.0 0.2  0.4  0.6  0.8 1.0 1.2xlO 時間 (s) 12 .3  T l5  f 0 0 0 0 0 0 【NHJJ^]凸Sd クー   3    4    1L)    6 一    l    一    l     【 0  0  0  0  0  0 【zHJJ^]凸Sd 3 4 56      2 3 456      2 3 456 1 0kHz 1 OOkHz 1 MHz 3 4 56      2 3 4 56      2 3 4 56 1 0kHz 1 OOkHz 図3-1 0-⑫ 300[kHz]の信号(上)を加えた時のセンサS2の波形と周波数特性(中)と リファレンスとして用いたPZTの波形と周波数特性(下)