視覚障害者用白杖のための三次元計測用超音波センサ

用于视障人士白手杖三维测量的超声波传感器

基本信息

批准号：
14750263
负责人：
山下馨
金额：
$ 2.11万
依托单位：
Osaka University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
财政年份：
2002
资助国家：
日本
起止时间：
2002 至 2003
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-14750263/
关键词：
超音波アレイセンサ三次元計測 PZT マイクロマシニング

项目摘要

前年度からの課題であったセンサ作製工程の安定化を目指し、下部電極Pt/Tiを一切パターニングせず、また上部電極にAuを用いてウェットエッチングでパターニングを行うプロセスを開発した。通常、酸化物上にAuを製膜する際には密着性を上げるために薄いCr層を形成するが、我々のPZT薄膜の場合はCr層により電気特性が劣化し、またCr層無しでも作製工程中およびその後の特性測定の過程でも電極の剥離が見られないことを確認したので、上部電極としてはAu単膜でセンサを作製した。これにより従来のプロセスに比べて、リフトオフ工程を含まない分時間が短縮でき、またプロセスが安定して歩留まりの向上を達成できた。センサ構造の改良として、ゾルゲルPZT薄膜の結晶化時の体積収縮による引張り応力を利用してダイアフラム撓みの軽減を試みた。従来から作製していたものに比べて約二倍の厚み(1.96μm)のPZT層をもつセンサを作製し、ダイアフラム撓みを計測したところ、最大撓み量で0.5μm程度と従来の約1/10に軽減できていることがわかった。このようにして静的撓みを軽減したセンサにおいて共振周波数分布を測定したところ、1チップ49素子のうち出力信号の得られた48素子の共振周波数が±3%の範囲内に収まり、また±1%以内に30素子が得られた。これにより、静的撓みの軽減が共振周波数ばらつきの低減に結びつくことが確認され、また実際に2μm程度の膜厚のPZT薄膜により実用上十分な数の素子について共振周波数が十分揃ったアレイを構成しうることがわかった。実際にアレイセンサシステムを白杖に取り付けることを考えると、実験段階で用いているオシロスコープ等の大型機器に頼る計測系では非現実的である。そこで、システム全体の小型化を考慮して、信号処理部分をADコンバータICとFPGAを用いて構成した。Verilog-HDLによりプログラムを記述してFPGAに書き込み、これまでPCのみで行っていた信号処理の大部分をFPGAで行うこととした。これによりPCへのデータ転送量を大幅に減らすことができ、リアルタイムに動く物体を検知することも可能となった。現状では最終的な物体位置表示としてPCを用いているが、回路規模的には全ての処理をFPGA内で行うことも十分可能で、将来、点字ディスプレイ等と組み合わせることにより視覚障害者用の補助具としての実用化も可能であると考えられる。

为了稳定传感器制造工艺，这是自上一年以来一直是一个挑战的，我们开发了一个过程，其中较低的电极PT/Ti根本不构成图案，并且通过使用AU对上电极进行湿蚀刻来执行模式。通常，当Au沉积在氧化物上时，形成了薄的Cr层以改善粘附，但是对于我们的PZT薄膜，CR层会恶化电气性能，即使没有CR层，也可以确认在制造过程和随后的测量过程中，没有观察到电极的分离。在不包括升降步骤的时间之前，这允许比常规过程短的时间，还允许该过程保持稳定并可以提高产量。作为传感器结构的改进，我们试图通过利用由溶胶 - 凝胶PZT薄膜结晶过程中的体积收缩引起的拉伸应力来减少diaphragm挠度。与传统的传感器相比，具有PZT层的传感器约为厚度的两倍（1.96μm），当测量隔膜偏转时，发现最大挠度量约为0.5μm，将其减小到常规偏差约为1/10。当在传感器中测量谐振频率分布以这种方式降低静态偏转的情况下，在一个芯片的49个元素中，从输出信号获得的48个元素的谐振频率在±3％的范围内，并且在±1％的范围内获得了30个元素。这证实静态挠度会导致谐振频率变化的降低，并且还发现，可以通过实际使用厚度约为2μm的PZT薄膜来构建具有足够数量的足够设备共振频率的阵列。考虑到阵列传感器系统实际上安装在白色的拐杖上，这对于依靠大型设备（例如在实验阶段使用的示波器）的测量系统来说是不现实的。因此，为了减小整个系统的大小，使用AD转换器IC和FPGA构建了信号处理部分。该程序是使用Verilog-HDL编写的，并写入FPGA，并且以前仅在PC上执行的大多数信号处理是使用FPGA执行的。这大大减少了传输到PC的数据量，从而可以实时检测移动对象。当前，将PC用作最终对象位置显示屏，但是就电路尺度而言，足以在FPGA内执行所有处理，并且将来可以认为，通过将其与盲文显示结合在一起，可以使其作为视力障碍者的辅助设备实用。