デジタル式音響コム型AEセンサ（QDセンサ）の開発とそのインフラへの適用について

テクニカルレポート

2024.11.06

第2回リバーエレテック社製のデジタル式音響コム型AEセンサ（QDセンサ）の開発について（その2）

（株）武藤技術研究所

武藤　一夫

3-4. QDセンサ試作第一号の開発

QDセンサの設計・製造はフォトリソグラフィで行うことは、既に述べた。

ここでは、CH1〜17のカンチレバーを有するQDセンサの試作の一例を見る。図4に示すように、今回のQDセンサの1次試作する場合、そのセンサの構造は3層構造となる。まず第1層では表面水晶、裏面CH1〜17のハーフエッチング、つぎに第2層では表裏面で電極1、電極2、第封止パス、そして3層では表面ハーフエッチング、裏面水晶端子34pin（257×237μm）、といった工程を経て製造される。

図4　1次試作におけるQDセンサの3層構造の一例（リバーエレテック社提供）

このように、いくつかの施策案を考案し、試作品を作成し、検討を重ねた。その結果として、第1世代のQDセンサの基本設計仕様を下記のようにした。

（1）今回のQDセンサのの検知方向は水平とした。

（2）検出周波数の帯域は、可聴領域を含む4kHz（CH1）から超音波領域の300kHz（CH65）までとした。

（3）センサのユニットは、実装を考慮して、4kHz（CH1）から300kHz（CH65）までを3ユニットに分ける。

（4）信号の配線、端子を考慮して、1ユニット22CHとし、片側11CHとする。

（5）1ユニットのサイズは出来るだけ小型化する。

（6）1CHのカンチレバー長さ、幅、厚みは目的に合わせて、最適化する。

図5は第1世代QDセンサR基本設計の仕様を示す。カンチレバーの共振周波数を総数65チャンネル（CH）に振り分けた。検出周波数の帯域は、4kHz（CH1）から300kHz（CH65）までとした。製作上で複数チャンネルを1つのパッケージにするために、4kHz（CH1）から80kHz（CH21）までを低周波帯域とし、そのうち1〜9CHまでを2kHzとびに、9〜64CHを5kHzとびに共振周波数を設定した。製作上で3パターンに分けて設計した。すなわち、85〜140kHzまでを中周波帯域として設定した。そして、同様に製作上で150〜300kHzまでを高周波（44〜65CH）として設定した。寸法はそれぞれを低周波数帯域は5.55×5.0mm、中周波数帯域は5.55×2.5mm、そして高周波数帯域は5.55×2.0mmに収めて1次設計図案を試作した。図5（a）はQDセンサの寸法サイズで、素子の厚さは105μm、カンチレバーの腕幅は60μm、溝幅は50μm、溝深さは45μm。また図中のマゼンダ色は溝、緑色はHOT、黄色はGNDを示す。図5（b）は各CHの周波数とそのカンチレバー長さを示す。

図5　第1世代QDセンサR基本設計の仕様（リバーエレテック社提供）

QDセンサ素子から得られたAE信号を信号線に送り出すためには端子が必要である。そのためのQDセンサ素子、配線、端子を一体にした基板を設計製作する。このように、QDセンサはセンサ素子、配線、端子を一体にした基板からなる。図6は、そして製作した試作第1号QDセンサの外観を示す。今回、図5（a）に示した低周波、中周波、高周波の各素子を組込んが3つのQDセンサを製作した。センサの受信面は図6に示す基板の裏側になる。