[S-SS12] 海域地震津波地殻変動観測の最前線

[SSS12-P06] 高精度な海底圧力観測におけるシリコン振動式圧力センサの有効性

*野田 隆一郎¹、大町 敏彦¹、吉田 隆司¹、岩井 滋人¹、篠原 雅尚²、青井 真³、功刀 卓³、武田 哲也³ (1.横河電機株式会社、2.東京大学地震研究所、3.防災科学技術研究所)

キーワード：シリコン振動式圧力センサ、海底精密圧力観測、南海トラフ海底地震津波観測網、N-net

津波観測の一つの手段として、海底で海水の圧力を高精度に計測し監視する方法がある。新たなシリコン振動式圧力センサをこのアプリケーション、特に南海トラフ海底地震津波観測網（N-net）へ適用するため、我々は、海洋環境において想定される条件下での評価を実施した。
　このシリコン振動式圧力センサは横河電機によって開発され、低消費電力、コンパクトサイズ、高感度で個体差が少なく、安定性の高い高耐圧という特長がある。本センサは、MEMS技術を用いてセンシング部を非常にコンパクトに制作しているため、姿勢誤差が少なく海底でのセンサの動きの影響を受けにくい、そして温度分布が生じにくいため温度補正がしやすいという特徴を持っている。また、検出感度を決定するセンサチップは、ウェハープロセスで一括製造されるため、安定した品質で個体差が少ない。
　今回開発した圧力センサは隔膜式を採用した絶対圧計で、圧力は薄い金属膜で隔てられたシリコンオイルを介して、3mm角のセンサチップに印加される。このセンサチップ上には、2本のSi単結晶振動子が作り込まれている。なお単結晶シリコンは理想的な弾性体である。Si単結晶振動子は、シリコンオイルに接触しないように横河電機が独自に開発した真空封止技術を用いて真空室中に配されており、高いQ値を保たれている。この真空室は、絶対圧のリファレンスとなる真空の基準圧力も兼ねている。2本のSi単結晶振動子のうち、１本は主として圧力を検知する圧力振動子、もう一本は主として温度を検知する温度振動子である。圧力振動子は、両端固定梁であり、製造工程で決まる初期張力をもつ。水圧が加えられた場合には、センサチップが静水圧によって縮み、センサチップ上に形成された圧力振動子には圧縮応力が印加され、共振周波数が変化する。圧力による共振周波数の変化率はSiの体積弾性率と振動子の周波数のみに依存しているため、ばらつきは小さい。一方、温度振動子は、静水圧による圧縮応力がほとんど加わらないように設計され、主として温度変化で周波数が変化する。これらの振動子の周波数出力を周波数カウンタでデジタル信号に変換し、演算することによって、温度補正された圧力値が算出される。
　対応する圧力が概ね50MPaである5,000mの海底に敷設するため、本センサは筐体がすべて溶接された耐圧構造になっていて大気圧から70MPaまでの範囲で計測ができる。安定した圧力計測が実現できるか確認するため、この再現性を評価した。70MPaの印加での繰り返し性を評価した結果、0.005% of Full scale以下と非常に優れた特性であることが明らかになった。
　また、本センサは海面で生じる数cmの水位変化を十分明瞭に検知できる分解能を有している。海底環境でこの分解能で実際に測定できるのか調べるため、姿勢変化と温度変化による出力変化ついて検証実験を実施した。模擬的に姿勢をコントロールできる装置で姿勢変化によって生じる出力の変化を評価した。円柱の回転軸の周りに360°回転した場合の出力変化は1hPa以内、長手方向の中心を90°回転した場合の出力変化でも2hPa以内であった。海水温を想定し2℃付近で0.1℃ステップで温度変化させ生じる出力変化を評価した結果、0.1℃の変化に対して1hPa以下であった。
　今回開発したシリコン振動式圧力センサは、70MPaの範囲での優れた再現性をもち、姿勢誤差が少なく、そして海水温の変化に起因する誤差も小さいことが分かった。 これらの点から、我々はこの圧力センサが高精度な海底圧力観測に適していると結論づけた。