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単一露光で、究極の感度と100dB超の 広ダイナミックレンジを実現
■東北大学技術のご紹介 ・ 従来のイメージセンサはダイナミックレンジが狭く、カメラが識別できる明暗の 幅が狭いという課題があった。 ・ 本発明はイメージセンサの広ダイナミックレンジ化のため、横型オーバー フロー蓄積容量(LOFIC: Lateral Overflow Integration Capacitor)を画素内に設けた。これにより、広ダイナミックレンジCMOS イメージセンサを実現したため、暗いところから明るいところまで同時に撮影 することが可能になった。 ・ 本発明を一眼レフカメラ、スマートフォンのカメラ、監視カメラ等に活用 することで画像のさらなる詳細な描写に貢献することが期待できる。 ※詳しくはPDF資料をご覧いただくか、お気軽にお問い合わせ下さい。
100％窒素に1000ppm水素-窒素混合を導入した際、抵抗値変化が１桁超かつ1秒未満の応答時間が可能
化石燃料の枯渇および環境問題を解決するために、水素は将来有用に使われるエネルギー資源として注目されている。しかし、大気中で水素濃度が4％以上になると爆発する危険があり、安全に水素燃料を使用するためには水素漏洩に対して正確で早い検知が可能な水素センサーが必要である。つまり水素利用の最優先課題は、燃料電池開発そのものではなく、システムを安心して利用するため安全対策に欠かせないセンサの開発とも言われている。 本発明によれば、簡便な構造により低コストで耐久性が高く、しかも高い検出感度、広い検出領域及び水素ガス選択性を有する水素センサを提供することができる。
IoT用途の3次元磁場センサの小型化に貢献
磁場を電気的に検出することのできる磁場センサは、非接触電流検出、角度・位置検知、電子コンパスなどの様々なアプリケーションに用いられて います。一般的な磁場応答素子は、ある特定の方向の磁場成分だけを検出するため、3次元空間の磁場ベクトル方向の検出には、それぞれの方向に対応する複数の素子を立体的に組み合わせる必要があります。このことが、IoT分野で急速に需要が高まる素子小型化や集積化の障害となっています。本技術は、立体構造を必要としない平面型の磁場センサの発明に関するものです。強磁性Fe-Sn薄膜の磁気抵抗効果と異常ホール効果が磁場角度依存性を示すことを利用し、薄膜各部に生じる電圧から3次元空間の磁場ベクトル方向を決定します[1]。単一の感磁層を汎用の素子加工法でパターニングするだけで、3次元磁場センサを作製することができ、他素子との回路集積に適しています。この薄膜は、室温で形成可能、かつ、磁性体特有の効果を用いたIoTデバイス[2-5]にも応用できることから、磁場センサだけでなく、機能複合化による新たな用途創出も期待できます。
撮像素子ごとに複数のメモリセルを搭載、サブフレーム処理を実施
・ 昨今、自動車やロボット、センサー等の様々な分野で、物体との距離を測定できるToFセンサに注目が集まっている。・ しかしながら従来のToFセンサはフレームレート(Frame rate)と深度ノイズ(Depth noise)がトレードオフの関係にあるため、両特性の向上が難しいという課題があった。・ そこで本発明は、撮像素子ごとに複数のメモリセルを搭載し、サブフレーム処理を実施することにより、前記課題を解決することに成功した。・ 本発明のToFセンサは、最大フレームレート10kfps(@HSモード)、深度ノイズ1.3%以下(@HPモード,0.4-4.2m)を達成した*1,2。・ 本発明は従来のToFセンサに比して高い特性を示していることから自動運転用センサ、自立走行ロボット、工場における生産工程の自動化(FA)、ドローン、VR/AR等への応用が期待できる。
高TMR比・高センサ感度・コストダウンを達成。従来のFeSiAl合金より広い組成範囲で作製可能。
高感度磁気センサとして、磁気トンネル接合(MTJ)素子のトンネル磁気抵抗(TMR)効果を利用したTMRセンサがあり、MTJ素子は自由層の磁気異方性を制御することでTMRセンサの特性を制御できる。このことから、室温で生体の微弱な磁場を検出する生体磁気計測装置、非接触の例えば電気自動車のバッテリ残量検知、コンクリート構造物中の鉄筋の破断や劣化を検知する非破壊検査用磁気センサ、等への応用が期待される。 従来、TMRセンサに利用可能なMTJ素子の自由層として、NiFe合金やCoFeB合金、CoFeSiB合金などが開発されているが、さらなる高感度化やコストダウンが求められている。 そこで本発明ではFeSiAl合金(センダスト)に着目し、これまで製造できていなかったナノメートルオーダーのセンダスト薄膜を製造し、自由層に適用することで、NiFe合金等と同程度のセンサ感度を達成するMTJ素子を作製した。また従来考えられていたセンダストの中心組成より広い範囲で、優れた軟磁性特性を示すことも明らかとなった。
磁歪層の透磁率の変化を高周波インピーダンスの変化として振動を検出
現在の技術で最も高い感度を有する振動センサとしてレーザードップラー振動計やMEMS技術を利用した加速度センサが知られているが、高価であるため、診断対象物に対する多数個の取り付けが難しい。一方、安価な振動センサとして、ひずみゲージが知られているが、異常振動を検出できるほど感度は高くない。 本発明では、磁性体に歪みを与えると極めて高い感度で透磁率が変化し、透磁率の変化を高周波インピーダンスの変化として検出できることに着目し、さらにカンチレバーの形状を工夫した。本発明により高感度な振動センサを安価に提供することが可能となった。
新構造により、高精度・多用途を実現
本発明は、ジャイロセンサのうち、FMジャイロセンサに関する。 従来のFMジャイロセンサは、温度変化や部材の製造誤差によって、測定精度が下がるという課題があった。これは、センサに用いる振動子を２つ用いるために、それら振動子間に生じる温度変化の差や、製造誤差によって、振動子の特性を同一に保てないことに起因していた。 これに対して本発明では、振動子を単一とし、異なるモードの振動を印加しすることで、上記の課題を解決する。 本発明を用いるジャイロセンサは、上記の通り測定精度が高いのみなら ず、原理上、磁気センサや圧力センサとしても機能することができ、産業上の優位性をもつと考えれらる。 上記ジャイロセンサ、磁気センサ、圧力センサ各種で特許取得・出願している。
高感度と高精度を両立可能なトンネル磁気抵抗型磁気センサ（TMRセンサ）
ホール素子を始めとして、多くの磁気センサが高度IoT社会の実現のために幅広く利用されている。中でも、東北大学で発見されたトンネル磁気抵抗効果を利用したセンサ（TMRセンサ）の高感度化が飛躍的に進んでおり、生体磁場などの微弱な磁場が検出可能になっている。 しかし、従来のTMRセンサでは、高感度と高精度を両立することが難しかった。 本発明により、利用する強磁性材料の高次の磁気異方性を制御することで、高感度、かつ、高精度を実現するために必要な、出力の線形 性が極めて高いTMRセンサを提供することができる。
フィルターが不要なため、薄型化を実現し、光の減衰を抑え、高効率なUV（紫外線）センサーを実現
近年、ヘルスケアの分野において、日焼けやシミなどの予防に関する関心が高まりつつあり、スマートフォン等で紫外線が簡単に計測できれば、健康管理や美容医療への貢献が期待される。また、産業分野においても紫外線を扱う機器が増えており、紫外線を計測・センシングするニーズが高まりつつある。本技術は、今回、シミやしわの原因となるUV-Aから、日焼けの原因となるUV-Bまでを、シリコン半導体で計測することを実現した。これまでに190-1100nm の広光波長帯域で高い感度を有し、強い紫外光に長期間照射されたとしても性能劣化が起こらない高い耐光性を有するシリコンフォトダイオード(PD)技術を開発してきた。更に、このシリコンPD技術を応用して差分型の検出方式を新たに導入し、可視光や近赤外光を含む背景光がある環境においても紫外線領域の光信号を選択的に効率よく検出する技術を実現した。※UV-Cについても理論上実現可能(要相談)
全印刷プロセスで製造できる有機電気化学素子
有機電気化学トランジスタ（OECT）をグルコースオキシダーゼ等の酵素で修飾すると、血糖値等の糖類検知が可能なバイオセンサに応用することができる。現状、酵素の不安定さや高価格が問題となっているため、非酵素型OECTバイオセンサの開発も進められている。非酵素型OECTバイオセンサでは、酵素の代わりに、グルコースを感知する官能部位であるフェニルボロン酸（PBA）を用いることが一般的である。しかし、PBAの適用には電解重合反応が必須であり、デバイス製造工程の煩瑣さが課題であった。 本発明は、酵素やPBAを用いないグルコースセンサに関するものである。グルコース検知部位として、導電性ポリマーに多糖類を混合した膜を用いることによって、グルコースセンサとしての駆動を実現している。また、電極に各種金属インクを用いれば、製造工程の全プロセスを印刷法で製造できるため、この製造工程の簡易さも大きな利点である。右図は、本センサを用いてグルコース溶液を検出した結果である。酵素やPBAを使わずとも、低濃度のグルコースを検出できていることが分かる。
カルシウムイオンが関わる種々の生体機序の解明に有用
発明者らはこれまでに、タンパク質性の蛍光カルシウムセンサーとしてGCaMPおよびR-CaMP（以下、CaMP）を開発している。 細胞内にCaMPを導入することにより、その細胞の位置を同定したり、カルシウムイオン濃度の変化を、CaMPの蛍光強度変化として観察したりすることができる。 ・G-CaMP7、G-CaMP7.09：緑色蛍光を呈し、カルシウムに対する感度が従来のカルシウムセンサーに比して高い。 ・R-CaMP1.07：赤色蛍光を呈するため、細胞機能操作を目的として汎用される光刺激プローブChannelrhodopsin-2 との併用が可能。
場所や時間に縛られず、三次元歩行特性を評価可能！
運動機能と認知症の関連性が指摘されており、その指標の一つとして歩行速度の調査が行われている。また、医療現場で実施される歩行計測では、歩行障害の診断・評価に有効と考えられる歩行パラメータの収集が行われており、これらを解析することで、歩行障害の診断や治療効果の判定を効果的に行うことができる。 従来の歩行評価方法として、ストップウォッチや歩数計、ビデオカメラ等を用いた計測方法があるが、いずれも一歩毎の特性を、場所や歩行距離に拘束されずに評価することは困難であった。その他の従来法に、慣性センサを用いて、つま先の加速度を積分して歩行特性を評価する方法がる。しかしながらこの手法では、前方歩行にしか適用できないという課題があった。 本発明は、被験者の足に装着できる小型軽量のセンサを用いて、一歩ごとの足爪先の３次元軌跡を生成する方法に関する。また、3次元軌跡から、歩数、歩幅、歩調、歩行速度、足爪先と歩行面との距離、および足爪先の振り上げ角度の各３次元歩行特性を評価可能である。
下水中の感染症関連バイオマーカーを検出する電気化学センサー及びシステムの構築
近年、 社会に大きな被害をもたらすウイルス性感染症に対して、都市下水中に含まれる疫学情報を利用し、 感染症患者の発生や感染流行を早期に検知する下水疫学的手法が注目を集めている。 現在、 感染症に関する下水疫学調査は、主にウイルス遺伝子を対象として、 定量 PCR によって検出することで行われている。 しかしながら、 下水試料の採取からウイルス遺伝子の検出・定量に時間がかかることや、ウイルス濃度が低いためにサンプルの濃縮が必要であること、分析にかかるコストや人的負担が大きいことなどの課題が残されている。 そこで本研究では、 迅速かつ簡便に下水中の感染症関連バイオマーカーを検出するセンサーの構築に取り組んだ。バイオマーカーは、ウイルスそのものと比較して高濃度で感染症患者から排出されるものが好ましく、 本研究では抗ウイルスヒト Immunoglobulin (Ig) A を試験物質とした。 サンプル中の IgA を電極表面に固定化したタンパク質との抗原抗体反応によって捕捉し、 反応に伴う電極表面状態の変化を電気化学測定によって検出する測定系の構築を試みた。
金属ガラス被膜を溶射によって形成する トルクセンサの製造方法
従来のトルクセンサの回転軸の磁歪部を構成する磁性材料は、高透磁率と高磁歪の二つの特性が求められるため、アモルファス合金が適している。しかし、回転軸表面にアモルファス合金の薄帯を接着剤で貼り付けて固定すると、回転軸との密着性が高くないため、十分な検出特性が得られないという課題がある。また、高速溶射プロセスによって回転軸表面に金属ガラス皮膜を形成する場合でも、非晶質金属粉末の微粉を使用しなくてはならないという制約があり、製造コストがかさむという課題がある。 本発明によって、トルクの検出特性や製造コスト等について改善したトルクセンサおよびその製造方法を提供することが可能になった。本発明は、回転軸の表面に金属ガラス皮膜を含む磁歪部を有するものである。金属ガラス皮膜は金属粉末を含む火炎を噴射して、金属粉末を溶融させるとともに、火炎が回転軸の表面に達する前より冷却方式を用いて金属ガラス皮膜を形成することを特徴とする。これによって、簡単かつ迅速に磁歪部が形成される。また、トルク検出に関してすぐれた特性を発揮する。
直流から低周波数磁場まで高感度に測定する
■東北大学技術のご紹介 従来より、広いダイナミックレンジと高感度を備えた磁気センサの研究・開発がなされてきている。センサを構成する方式は、SQUID磁束計やホール素子など様々なタイプが提案されているなか、機械的な共振周波数を利用したカンチレバー型の磁気センサは、低消費電力で小型にも有利であり、ダイナミックレンジが広くできる可能性があることから注目を集めている。しかしながら、共振周波数近傍では高感度を発揮する一方、直流成分を含む共振周波数以下の磁場に対しては感度・分解能が充分ではないという課題があった。 本発明は、カンチレバー型の磁気センサに関するものである。感磁部の構成を工夫することで、感度と帯域幅とをチューニングすることができる。これにより、高感度で広い帯域幅をもつ磁気計測を可能にする。
