JP2018513362A - 圧電センサ及び圧電センサを含む装置 - Google Patents

Abstract

圧電センサは、中央空洞（１２）を有する本体（１０）と、空洞（１２）上に広がるメンブレン（１１）と、を含み、メンブレンは、その周辺部において本体（１０）に装着され、ポリマーで製造された担持体層（１１１）と、圧電ポリマーで製造された感知層（１１３）と、を含み、メンブレン（１１）は、変形又は振動可能である。感知層（１１３）は、無機ナノ材料で充填されたポリマーを含む材料で製造される。

Description

本発明は、軽量物体の小振幅の振動を計測するための圧電センサに関する。又、本発明は、特に、医療的使用法のための、振動を計測する装置に関する。

医療の分野は、聴力及びその矯正に関係した用途において、様々なセンサを、具体的には、音響センサを、必要としている。これらのセンサは、コンパクトでなければならず、可聴領域内の周波数の範囲に対する感度を有していなければならない。

国際公開第２０１２／０１８４００Ａ１号パンフレットは、周辺の音をピックアップし、耳の内部のインプラントに送信するように意図されたサウンドセンサを開示している。このセンサは、皮膚下に埋植されるように意図されている。センサは、音波を電気信号に変換する圧電特性のためにＰＶＤＦのメンブレンを使用している。人工内耳の場合、電気信号は、伝導体から聴覚神経に送信される。提示されている構成のうちのいくつかにおいて、メンブレンは、環状本体の中央空洞上に広がるように、環状本体に装着されている。これに加えて、例えば、レンズの形状において、シリコーンエラストマの層により、圧電感知層を覆うことができる。

米国特許出願公開第２０１１／０１３７１０９Ａ１号明細書は、メンブレンが耳小骨のうちの第１の耳小骨との接触状態にあり、センサ本体又は別のメンブレンが他方の耳小骨に圧接した状態において、２つの耳小骨の間の境界面において中耳内に埋植されるように意図された聴覚センサを示している。又、センサは、電気信号を生成するべく、メンブレンに接続された圧電感知要素をも含む。

このセンサは、メンブレンと感知要素の間のインタフェースを含み、このインタフェースが、周波数に応じた伝送損失をもたらしている。又、このセンサは、感知要素をメンブレンとの接触状態を維持するためのスプリング要素をも必要とするため、その製造が複雑になっている。

本発明は、音の周波数に適応され、良好な感度を有し、製造が簡単である、振動又は小さな変位の計測のための圧電センサの提供を目的としている。又、本発明は、特に、医療的使用法のための、振動を計測する装置にも関する。

これらの目的に鑑み、本発明の主題は、中央空洞を有する本体と、空洞上に広がるメンブレンと、を含む圧電センサであって、メンブレンは、その周辺部において本体に装着され、ポリマーで製造された担持体層と、圧電合成材料で製造された感知層と、を含み、メンブレンは、変形又は振動可能であって、感知層が、無機ナノ材料によって充填されたポリマーを含む材料で製造されていることを特徴としている。

このセンサにおいて、メンブレンは、機械的運動を検出すると共にこの運動を電気信号に変換する部分である。これに加えて、感知層は、運動又は振動の供給源との接触状態となるように、直接外側に配置されている。従って、メンブレンと感知要素の間のインタフェースが省略されている。更には、ポリマーマトリックスへのナノ材料の挿入が、望ましい用途に応じた感知層の音響インピーダンスの調節を可能にしている。ナノ材料の挿入は
、特定の限度内において、感知層の圧電特性に対して影響を及ぼさないことが証明されている。ナノ材料の比率は、例えば、質量において、２０％に到達しうる。

感知層内におけるナノ材料は、中央に存在しており、その理由は、望ましい用途に応じて感知層の音響インピーダンスの調節が可能となるからである。この結果、検査対象の物体からメンブレンへの音響エネルギーの伝達の最適化が可能となっている。弾性定数の変動は、３０％超に到達することが可能であり、その結果、検査対象の物体とナノ複合材料のマトリックスの間の音響インピーダンスの不整合に応じて、１００％超という好ましい動力伝達係数の変動が得られる。

例として、感知層のポリマーは、ポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）、ビニリデンフルオライド及びトリフルオロエチレンコポリマーＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）、並びに、ポリアミド１１からなる群より選択される。

例として、ナノ材料は、金属、半導体、又は誘電体などの無機材料で製造されている。これらの材料は、固有の音響インピーダンス及び密度を有し、材料の選択により、感知層の最終的な音響インピーダンスに対して影響を及ぼすことができる。又、これらの材料は、固有の特定の特性を提供することもできる。

例として、担持体層は、ポリイミド（ＰＩ）及びポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）からなる群より選択された材料で製造される。

ある特徴によれば、担持体層の厚さは、５〜１５０μｍであり、好ましくは、２５μｍである。

別の特徴によれば、メンブレンは、接合によって本体に装着されている。

具体的には、メンブレンは、担持体層によって本体に装着されている。

補完的な一方式においては、第１伝導層が、担持体層と感知層の間に介在している。第１伝導層は、感知層によって生成された電荷の収集を可能にしている。

補完的な一方式においては、第２伝導層が、感知層の空間側の表面の少なくとも一部分上に積層されている。第２伝導層は、感知層によって生成された電荷の収集を可能にしている。２つの伝導層は、電気信号の取得を可能にしている。

又、本発明の別の主題は、上述のようなセンサと、その第１端部が、振動可能な部分に圧接状態において適用されるように意図されている共に、その第２端部が、センサのメンブレンに圧接している伝達ロッドと、を含むことを特徴とする装置にも関する。

従って、伝達ロッドとナノ複合材料のメンブレンの組合せは、小さなサイズ（１ｍｍよりも小さい）の要素上における非常に小さな振幅の振動の計測を可能にしている。

この装置は、物の振動を計測するように意図されている。これは、特に、音波が聴覚伝達経路に沿って伝達されていることを検証するべく、耳に対する外科手術の環境において検査をするように、意図されている。例えば、伝達ロッドは、鼓膜が感知した音波を受け取っていることを検証するべく、中耳の耳小骨のうちの１つに対して圧接状態において適用されてもよい。音波は、伝達ロッドを介してセンサに伝達される。センサは、感知層の音響インピーダンスを選択することにより、望ましい範囲の音波周波数に調節することができる。

補完的な一方式においては、装置は、センサが収容されるヘッド部を含み、ロッドは、弾性手段により、ヘッド部に連結されている。従って、ロッドは、ヘッド部から分離されており、減衰を伴うことなしに、その波動をセンサに対して伝達することができる。さらに、伝達ロッドは、良好な結合を保証するべく、センサの感知層に対して永久的に圧接することもできる。

１つの設計特徴によれば、ロッドの第２端部は、メンブレンを圧接するためのドーム状の表面を含む。

以下の添付図面を参照した以下の説明を参照することにより、本発明について更に十分に理解されると共に、その他の特徴及び利点について明らかとなろう。

本発明の一実施形態による装置の図である。 図１のラインＩＩ−ＩＩに沿った断面図である。 図１の装置の回路図である。 図２の細部ＩＶの図である。 図４の細部Ｖの図である。 図１の装置に内蔵されるセンサの図である。 様々な周波数の振動が適用された状態において、本発明によるセンサによって実施された計測の一例を示す図である。 本発明によるセンサの出力における、時間の関数としての計測電圧の一例を示す。 メンブレンに伝達された機械的な振動の振幅の関数として、本発明によるセンサの出力において計測された電圧を示す。

図１〜図５には、本発明の一実施形態による装置が示されている。装置は、本発明による、具体的には、図６に示されている、センサ１を含む。

装置は、その端部にヘッド４が配置されているチューブ３によって延長されたハンドル２を含む。ヘッド４は、センサ１と、伝達ロッド４１と、を内蔵しており、伝達ロッド４１の第１端部４１１は、振動可能な物体又は部分に適用されるように意図されている。ヘッド４は、例えば、ねじ式のリング４３によってチューブ３に装着されるブッシング４０を含む。ブッシング４０は、弾性手段４２を介して、ロッド４１を支持している。ブッシング４０は、例えば、電気絶縁合成材料で製造される。

装置は、ハンドル２及びチューブ３を通過して電子増幅回路６に接続された導電体５を含む。電子回路６は、図３において概略的に示されているように、ブッシング４０の内部に配置された伝導ストリップ４４との接触状態となる弾性パッド６０を含んでおり、これらのストリップは、詳細に後述するように、センサ１に接続されている。

センサ１は、ボア４００内にガイドされた状態で、ブッシング４０の内部に収容されている。これは、リング形状の本体１０と、その周辺部によって本体１０に装着されると共に本体１０の中心部において空洞１２上に広がるメンブレン１１と、を含む。メンブレン１１は、ロッド４１の第２端部４１２に圧接している。ロッド４１の第２端部４１２は、空洞１２の反対側の限られたエリアにおいてメンブレン１１に対して圧接するためのドーム状の表面を含む。メンブレン１１が曲がる可能性を許容するべく、メンブレン１１とロッド４１の間の接触面積は、空洞１２の断面に対し小さな割合となっていることが好まし
い。センサ１は、チューブ３内において摺動自在に収容されたプッシャ３０を介して、ロッド４１に対して弾性的に圧接している。

メンブレン１１は、連続的に、合成材料で製造された担持体層１１１と、担持体層１１１上において積層された第１伝導層１１２と、第１伝導層１１２上において積層されると共にポリマー及び無機ナノ材料を含む圧電合成材料で製造された感知層１１３と、感知層１１３の空間側の表面の一部分上において積層された第２伝導層１１４と、を有する。メンブレン１１は、空洞１２の上方において変形又は振動可能である。

メンブレン１１は、第１伝導層１１２の一部に隙間を残すように、周辺部上に、少なくとも１つの切欠きを含んでいる。ストリップのうちの１つ４４’が、第１伝導層１１２との電気的に接触するように、隙間に挿入されている。少なくとも１つのその他のストリップ４４が、第２伝導層１１４と電気的に接触するように、第２伝導層１１４まで延在している。

本体１０は、例えば、マイクロエレクトロニクスにおいて使用されている技法によって得られたシリコン基材である。空洞１２は、例えば、光学リソグラフィ及び深掘り反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）によって製造されている。エッチングの処理は、後続の製造ステップの実行を目的として、本体１０の上部表面を完全な状態において維持するように、その約５０マイクロメートルだけ手前において停止されている。メンブレン１１は、本体１０の空洞化されていない面上において塗られた接着剤１１０の層によって当該面に接着されることにより、装着されている。

以下、メンブレン１１の製造について説明する。担持体層１１１は、ポリイミド（ＰＩ、Ｋａｐｔｏｎ（登録商標））又はポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ、Ａｐｔｉｖ１００（登録商標））で製造されたラミネートポリマーフィルムで、２５μｍの厚さに切断される。これらのフィルムは、良好な形状保持特性を有する。本体１０及びラミネートフィルムに、これらの表面に親水性を与えるために表面の状態を変えて、接着剤１１０との化学的親和性を極大化させるべく、酸素プラズマ処理が適用される。本体１０のフラットな面は、均一な厚さに積層させるため、遠心噴霧技法により、接着剤として機能するポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ、Ｓｙｌｇａｒｄ（登録商標）１８４）によって被覆される。次いで、担持体層１１１が、メッキ法により、接着剤１１０の表面に適用される。次いで、組立品は、交差重合段階のため、２時間４５分（温度上昇時間を含む）の間、１００℃のオーブン内に配置され、接着剤１１０の硬化及び２つの材料の接着が保証される。

サンプルが周辺温度に戻った後に、連続スパッタリングにより、１００ｎｍの厚さのアルミニウムを積層させることにより、第１伝導層１１２が製造される。感知材料が、メチルエチルケトン（ＭＥＫ、Ｓｉｇｍａ Ａｌｄｒｉｃｈ）の溶液中において、アルミナＡｌ_２Ｏ_３ナノ材料（Ｄｅｇｕｓｓａ ＡＧ、Ｆｒａｎｋｆｕｒｔ）をビニリデンフルオライド及びトリフルオロエチレンコポリマー（Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）、Ｐｉｅｚｏｔｅｃｈ ＳＡＳ）に添加することにより、調製される。２つの材料は、溶液が、その加熱を防止するべく、氷浴中に浸漬された状態で、超音波処理により、混合される。次いで、感知層１１３を形成するべく、組立品は、遠心噴霧により、ポリマー溶液の層及びナノ材料により、１００ｎｍ〜１５μｍの厚さで覆われる。次いで、組立品の全体が、１時間の間、１３８℃のオーブン内に直接配置され、その後、周辺温度まで冷却するのに必要な時間だけ、放置される。このような焼き戻しにより、感知層１１３に圧電特性を付与するべく、再結晶化によって感知層１１３を構成することができる。

次いで、この感知層には、例えば、変形及び振動に対する層の電気的応答を極大化させ
ることを目的として、圧電特性に向けられる、コロナ技法による偏向ステップが適用される。

次いで、例えば、１０ｎｍのクロミウム接着層及び７０ｎｍの厚さの金の上部電極が、蒸着される。次いで、この電極は、メンブレン１１の表面上において望ましいパターンを得るべく、光学マイクロリソグラフィ及び湿式エッチングによって構造化される。自由振動ゾーンを解放するべく、空洞１２のレベルにおける本体１１の残りの部分が、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）又は湿式エッチングによってエッチングされる。

使用の際には、振動する物体をロッド４１の第１端部４１１に接触させる。振動が、ロッド４１により、メンブレン１１に伝達され、メンブレン１１は、変形センサ１として機能している。例えば、周辺エッジにおける撓み及び延伸などの、メンブレン１１の変形は、電気信号に圧電変換され、この電圧信号は、電位差の生成を通じて、２つの伝導層１１２、１１４を介して収集される。電気信号は、ストリップ４４、４４’及び弾性パッド６０を介して、増幅回路６に伝達される。信号は、検査対象の物体の振動の周波数及び振幅に関する情報を提供する。増幅された信号は、外部装置７に伝達され、外部装置７は、この信号を処理し、インタフェース手段８により、結果を提供する。

図７は、５％のＡｌ_２Ｏ_３ナノ材料を含む厚さ７μｍのＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）の層に対し、シェーカによる励振下にあるメンブレンの特定の振動周波数ごとの、伝導層間で計測された電圧をメンブレンへの圧力による振幅の関数として表した図を示している。

図８は、上述の本発明による圧電ナノ複合材料のメンブレンから製造された本発明によるセンサの出力において、時間の関数として計測された電圧の一例を示している。機械的な励振の振幅は、２０ｎｍである。

図９は、メンブレンに伝達される機械的振動の振幅の関数として、前記センサの出力において計測された電圧の振動を示している。

両方の図において、振動周波数は、１０２４Ｈｚであり、取得された電圧は、２０００倍に増幅後の電圧で示されている。

これらの２つの図、即ち、図８及び図９、に示されているように、本発明によるセンサは、振幅が数ナノメートルの機械的振動を検出することができる。

検査対象の物体は、例えば、外科手術の際の中耳の耳小骨のうちの１つである。この結果、外科医が、耳小骨の連結が、その機能を少なくとも部分的に保持していることを保証することができる。従って、外科医は、いずれの部分が、機能可能な状態に留まっており、維持されるべきか、を判定することができる。又、この装置は、その埋植の後に、インプラントの有効性を評価するべく、使用することもできる。又、この装置は、インプラントに対する圧接力を判定するべく、使用することもできる。術後の最適な結果を保証するべく、手術手順が適切に調節される。

Claims (12)

1. 中央空洞（１２）を有する本体（１０）と、前記空洞（１２）上に広がるメンブレン（１１）と、を含む圧電センサであって、前記メンブレンは、その周辺部において前記本体（１０）に装着され、ポリマーで製造された担持体層（１１１）と、圧電ポリマー材料で製造された感知層（１１３）と、を含み、前記メンブレン（１１）は、変形又は振動可能であって、
   前記感知層（１１３）は、無機ナノ材料で充填されたポリマーを含む材料で製造されていることを特徴とする圧電センサ。
2. 前記感知層（１１３）の前記ポリマーは、ポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）、ビニリデンフルオライド及びトリフルオロエチレンコポリマーＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）、並びに、ポリアミド１１からなる群より選択される請求項１に記載のセンサ。
3. 前記ナノ材料は、金属、半導体、又は誘電体などの無機材料で製造されている請求項１又は２に記載のセンサ。
4. 前記担持体層（１１１）は、ポリイミド（ＰＩ）及びポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）からなる群より選択される材料で製造されている請求項１乃至３のいずれか１項に記載のセンサ。
5. 前記担持体層（１１１）の厚さは、５〜１５０μｍであり、好ましくは、２５μｍである請求項４に記載のセンサ。
6. 前記メンブレン（１１）は、接合により、前記本体（１０）に装着されている請求項１乃至５のいずれか１項に記載のセンサ。
7. 前記メンブレン（１１）は、前記担持体層（１１１）により、前記本体（１０）に装着されている請求項６に記載のセンサ。
8. 第１伝導層（１１２）が、前記担持体層（１１１）と前記感知層（１１３）の間に介在している請求項１乃至７のいずれか１項に記載のセンサ。
9. 第２伝導層（１１４）が、前記感知層（１１３）の空間側の表面の一部分上において堆積されている請求項１乃至８のいずれか１項に記載のセンサ。
10. 請求項１乃至９のいずれか１項に記載のセンサ（１）と、伝達ロッド（４１）と、を含み、前記伝達ロッド（４１）の第１端部（４１１）は、振動可能な部分に対して圧接状態において適用されるように意図されており、その第２端部は、前記センサ（１）の前記メンブレン（１１）に対して圧接していることを特徴とする装置。
11. 前記センサ（１）が収容されるヘッド部（４）を含み、前記ロッド（４１）は、弾性手段（４２）により、前記ヘッド部（４）に接続されていることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
12. 前記ロッド（４１）の前記第２端部は、前記メンブレン（１１）に対して圧接するためのドーム状の表面を含む請求項１０又は１１のいずれか１項に記載の装置。

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