工学系

2020年1月23日

研究成果のポイント

・磁気の2次元分布が可視化可能な世界最薄膜・最軽量の磁気センサマトリクスシートシステムを開発
・薄くて柔らかい有機トランジスタ回路と巨大磁気抵抗素子を、同一シート上に集積することで、世界初のシート型磁気センサシステムを実現
・信号増幅回路とセンサ自動スキャン機構を有する、世界一高機能な柔軟磁気センサ回路
・大面積構造物の劣化検知システム、生体磁気検出による高精度な医療、次世代の柔らかい生体模倣ロボットの制御システムなどへの将来的な応用に期待

概要

大阪大学産業科学研究所の近藤雅哉氏(大阪大学大学院工学研究科博士後期課程)、植村隆文特任准教授(常勤)、関谷毅教授及びドイツ ライプニッツ固体・材料研究所の、Daniil Karnaushenko(ダニール カルナウシェンコ)博士、Michael Melzer(ミカエル メルツァー)博士、Oliver G. Schmidt(オリバー シュミット)教授らの共同研究チームは世界最薄膜・最軽量の磁気センサマトリクスシートシステムを開発することに成功しました。

従来の磁気センサ回路は、ガラスのように固い基材の上にシリコンを用いた硬い電子素子などを集積することで構成されています。そのため、設置可能な対象が限定されていました。

本共同研究チームは、有機トランジスタ※1という柔軟な電子素子と巨大磁気抵抗素子※2を厚さ1.5マイクロメートル(マイクロ:100万分の1)のプラスチックフィルム上に集積することで、皮膚のように薄くて柔らかい磁気センサマトリクスシートシステム※3を開発しました。作製した磁気センサマトリクスシステムは微弱な磁気信号を増幅して高感度に検出するだけでなく、マス目状に配置した磁気センサ素子を自動的にスキャンすることでリアルタイムでの2次元的な磁気分布を可視化することに成功しました。

本成果によって、あらゆる表面上での微小磁気の空間分布を高感度に可視化することが可能になることで、次世代の柔らかい生体模倣ロボットの制御システムだけでなく、磁気の高い空間分解能を活かした高精度な大面積構造物の劣化検知システムや心電や脳電位に代わる生体の磁気を用いた高精度なヘルスケアを高価な機器を使用することなく実現できることが将来的に期待できます。

本研究成果は2020年1月23日(木)午前4時(日本時間)に米国科学誌「Science Advances」(オンライン)に掲載されました。

研究の背景

大阪大学産業科学研究所の関谷毅教授の研究グループでは、柔軟な薄膜シート上にセンサを集積したシート型エレクトロニクスシステムの研究開発に取り組んでいます。シート型のセンサシステムはどのような場所にでも貼りつけて密着させた形で使用することができるため従来よりも高精度な物理情報を得ることが期待できます。物理情報の中でも磁気情報は、磁気の障害物透過性の高さから空間分解能が高く、2次元のシート型システム化することで電気情報よりも遥かに高精度な情報を得ることが期待できます。ところが、従来の柔軟な磁気センサは磁気センサ素子を1つだけ配置したものや多数の素子を用いたものでも素子をただ並べただけのものであり、システム化に必要な駆動用回路、センサスキャン機構、信号処理回路や無線計測器などを統合したものの報告例はありませんでした。これは柔軟な磁気センサ用素子の作製自体が難しく、その作製プロセスと回路技術を統合することが困難であるためです。

そこで本共同研究チームは有機トランジスタと呼ばれる柔らかい電子素子と巨大磁気抵抗素子と呼ばれる磁気センサ素子を同一基板上に集積する技術を開発することで、磁気センサマトリクス、電源回路、自動センサスキャン機構及び信号増幅回路を全て備えた世界初の柔軟磁気センサマトリクスシートシステムの開発に成功しました。回路は、厚さ1.5マイクロメートルのプラスチックフィルム上に製造され、人の肌であっても違和感なく貼り付けることができます(図1)

この柔軟な磁気センサシートシステムを用いることで、従来の柔軟磁気センサよりも1桁程度感度を向上させ、さらに自動センサスキャン機構を用いて2次元表面の磁気分布の可視化に成功しました(図2)。また、無線計測器と統合することで指のワイヤレスなモーションセンシングへの応用例も実証しました。

図1 柔軟な磁気センサマトリクスシートシステム
極めて薄くて柔らかいため、手の平のような柔軟表面上にもピッタリと設置することが可能

図2 磁気センサシステムによる2次元磁気マッピング

本研究成果が社会に与える影響(本研究成果の意義)

スマートウォッチなどのウェアラブルデバイスだけでなく、最先端の柔軟センサデバイス研究でも心電などのように電気的な信号を計測するものばかりで磁気を対象にしたセンサはほとんどありませんでした。しかしながら、磁気は物質を透過する性質があるため、本研究のように磁気分布を高感度で検出できるようなシート型センサがあれば、電気的信号を用いた従来センサよりも高精度なセンシングがどんな形状の対象物でも可能になることが期待できます。例えば、鉄筋構造物に貼り付けて使用すれば、鉄筋の劣化により発生した磁気の歪みをマッピングすることで劣化箇所の正確な特定まで可能になることが期待できます。また、よりセンサの高感度化が進めば、心臓の磁気マッピングが可能となり従来の心電計測よりも高精度な診断が期待できます。昔に建造した構造物の劣化や健康問題は現代日本が抱える課題であり、この研究はその課題を解決する一助となると考えられます。

特記事項

本研究成果は2020年1月23日(木)午前4時(日本時間)に米国科学誌「Science Advances」(オンライン)に掲載されました。
タイトル:“Imperceptible Magnetic Sensor Matrix System Integrated with Organic Driver and Amplifier Circuits”
著者名:Masaya Kondo, Michael Melzer, Daniil Karnaushenko, Takafumi Uemura, Yoshimoto Shusuke, Mihoko Akiyama, Yuki Noda, Teppei Araki, Oliver G. Schmidt, and Tsuyoshi Sekitani(†equal contribution)

なお本研究は日本学術振興会(JP 18J12316)の支援を受けて行われました。また、本研究開発の一部は、新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)先導研究プログラム・新産業創出新技術先導研究プログラム(研究開発テーマ:超微小ノイズ計測システムの汎用化に資するナノ界面制御技術の研究開発、代表研究者:大阪大学産業科学研究所教授関谷毅)の委託事業の成果です。

用語説明

※1 有機トランジスタ
有機物から構成される半導体(有機半導体)を用いた薄膜トランジスタのこと。シリコンなどの無機半導体とは異なり、有機半導体自体が柔らかいことに加えて、その多くが100度程度の低温で製造できるため、食品ラップのように薄くて柔軟性の高いフィルム上に、曲げや歪みに強いトランジスタを実現することができる。このトランジスタを複数個組み合わせることで、信号増幅やセンサを駆動するための信号を作りだす機能を有した電子回路が出来上がる。

※2 巨大磁気抵抗素子
1nm(1mmの100万分の一)程度の厚みの強磁性薄膜と非強磁性薄膜を重ねた多層膜抵抗素子の中で、磁場の影響により数10%以上の抵抗値変化を起こす素子のこと。磁場に対する抵抗値変化が大きいことから磁気を検出するセンサとして用いられる。センサの用途としては、ハードディスクの読み取りや物体の位置検知に良く使用される。

※3 センサマトリクス
多数のセンサをマス目状に配置した回路のこと。配置したセンサを同時、もしくは部分的に駆動させていくことで2次元平面上の物理量の分布を知ることができる。

参考URL

大阪大学 産業科学研究所 関谷研究室HP
https://www.sanken.osaka-u.ac.jp/labs/aed/japanese/index.html

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